瓦斯突出预测敏感指标的评价方法研究.doc

瓦斯突出预测敏感指标的评价方法研究 瓦斯突出预测敏感指标的评价方法研究 舒龙勇1,2，程远平1,2,21** 作者简介舒龙勇，1986-，男，安徽省金寨县人。中国矿业大学安全技术及工程专业硕士研究生，主要 研究方向为安全评价技术、矿井瓦斯防治等 通信联系人程远平,中国矿业大学教授、博士生导师，煤矿瓦斯治理国家工程研究中心主任，中国矿业大 学安全工程学院副院长；曾多次担任国务院特别重大瓦斯爆炸事故调查专家组组长、国家煤矿安全技术专 家会诊第二组副组长. E-mail 38.5a。矿井含煤地层为二叠系下统山西组、下石盒子组及上统上石盒子组，含10 个煤层（组）， 煤层平均总厚7.35m，其中6、7、8、10 为可采煤层， 可采煤层平均总厚5.86m，占全部煤 层平均总厚的79.7，全矿井可采储量为48.5Mt。矿井各煤层赋存情况见图1 所示。2005 年经鉴定为煤与瓦斯突出矿井，8 煤层与10 煤层为煤与瓦斯突出煤层。自建矿以来共发生3 45 起煤与瓦斯突出事故，其中10 煤层两起，8 煤层突出一起。 图1 矿井煤层赋存示意图 Fig.1 Mine coal seam occurrence schemes 50 2 煤层突出危险性区域预测敏感指标的考察 2009 年颁布的防治煤与瓦斯突出规定中，第四十二条规定区域预测一般根据煤 层瓦斯参数结合瓦斯地质分析的方法进行，也可以采用其他经试验证实有效的方法。根据煤 层瓦斯压力或者瓦斯含量进行区域预测的临界值应当由具有突出危险性鉴定资质的单位进 行试验考察。在试验前和应用前应当由煤矿企业技术负责人批准。区域预测新方法的研究试 55 验应当由具有突出危险性鉴定资质的单位进行，并在试验前由煤矿企业技术负责人批准。现 阶段煤矿井下煤与瓦斯突出区域危险性预测工作主要是采用工作面指标预测法，即根据突出 预测指标煤层瓦斯压力P、瓦斯含量W 判断区内有无突出危险性。 2.1 煤层瓦斯压力的测定 煤层瓦斯压力是煤层发生突出的动力之一。因此，准确测定煤层瓦斯压力对于评价煤层 60 的突出危险性十分重要[2]。煤层瓦斯压力测定的原理是钻孔周围的瓦斯流动可视为一维径 向流动。钻孔完成后，由于钻孔内的瓦斯压力为大气压，钻孔周围煤体内的瓦斯在瓦斯压力 梯度的作用下向钻孔流动。钻孔封闭后，钻孔中的瓦斯压力逐步升高，推动瓦斯流动的压力 梯度越来越小，瓦斯向钻孔涌出也越来越慢，到一定的时间后，流动停止，此时可以认为钻 孔中的气体压力为煤层的瓦斯压力[3]。卧龙湖煤矿8 煤层瓦斯压力测定结果如表1 所示。 65 表1 8 煤层瓦斯压力测定结果 Tab.1 No.8 coal seam gas pressure measurement results 取样地点 煤层标高/m 瓦斯压力/MPa 四区段8 煤底抽巷1孔-611.5 0.56 四区段8 煤底抽巷2孔-614.5 0.40 四区段8 煤底抽巷3孔-610.5 0.26 四区段8 煤底抽巷4孔-614.5 0.75 2.2 煤层瓦斯含量的测定 70 直接法测定是采煤样装入密封容器，现场解吸之后送实验室，在脱气仪上抽出全部瓦斯， 确定单位质量中所含的瓦斯量。直接法主要为地勘钻孔解吸法和井下解吸法。这种方法将煤 层中瓦斯分为损失瓦斯量、解吸瓦斯量和残存瓦斯量三部分。损失量是依据现场测得解吸数 据和解吸规律推算得出，解吸瓦斯量为现场解吸测定中所解吸出的部分瓦斯，残存瓦斯量为 在实验室利用真空脱气装置所抽出的瓦斯量[4]。卧龙湖煤矿8 煤层瓦斯含量测定结果如表2 75 所示。 表2 直接法测8 煤层瓦斯含量测定结果 Tab.2 No.8 coal seam gas content measurement results 取样位置 标高（m） 损失量 （m3/t） 解吸量 （m3/t） 残存量 （m3/t） 总量（m3/t） 北翼8 煤四区段底抽巷1钻场3孔 -610.5 2.45 0.52 12.06 15.02 北翼8 煤四区段底抽巷1钻场4孔 -614.5 3.80 0.75 9.84 14.40 8101 风巷顺层孔17孔 -549.7 0.21 0.07 4.68 4.96 80 2.3 瓦斯压力与瓦斯含量敏感性分析 根据间接法测定煤层瓦斯含量的原理中根据瓦斯瓦斯压力推测瓦斯含量，并绘制瓦斯压 力与瓦斯含量关系图[5]，如图2 所示。并推算出瓦斯压力与瓦斯含量在各自临界值条件下的 对应关系图表，如表3 所示。 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 -580 -600 -620 -640 -660 -680 -700 -720 标高/m 瓦斯含量/m/t 85 图2 8 煤层瓦斯压力与瓦斯含量的关系图 Fig.2 The relationship between Gas pressure and gas content 由图2 可知，在实测瓦斯压力点8 煤四区段底抽巷1钻场推测瓦斯含量10.95 m/t 小于 直接法所测瓦斯含量15.02 m/t。在一定程度上说明了8 煤瓦斯含量更能反应煤层的突出危 90 险性大小。 表3 8 煤瓦斯压力与含量在临界值条件下的对应关系 Tab.3 The relationship between Gas pressure and content under critical conditions 标 高/m 瓦斯压力推算值/MPa 瓦斯含量推算值/m3/t -611 0.74 10.20 -605 0.45 8.00 95 通过对卧龙湖煤矿8 煤瓦斯压力和含量的分析研究得出以下结论卧龙湖8 煤区域预测 指标瓦斯压力和瓦斯含量在一定程度上均具有敏感性，瓦斯含量的敏感性高于瓦斯压力的敏 感性；利用瓦斯含量进行区域预测更能更大限度的保证安全生产。 3 煤层突出危险性局部预测敏感指标的考察 现阶段煤矿井下煤与瓦斯突出预测工作主要是采用工作面指标预测法，即根据突出预测 100 指标K1，S，q 和Δh2 判断前方区域有无突出危险性。根据淮北矿区实际情况，主要选用 K1，S，Δh2 作为考察指标。 3.1 钻屑量指标S 钻屑量指标是一种综合反映煤体应力、瓦斯压力和煤的力学性质的指标。在煤体中打直 径42 mm 钻孔，每m 排出的钻屑量定义为钻屑量指标。矿井在准备8101 工作面机巷期间， 105 对8 煤层的钻屑指标S 进行了大量的统计，绘制如图3 所示。 0 1 2 3 4 5 6 7 2010-5-22 2010-6-11 2010-7-1 2010-7-21 2010-8-10 2010-8-30 2010-9-19 日期 钻屑量Skg/m 图3 8101 工作面机巷钻屑量S 测定结果统计分布图 Fig.3 8101 face machine lane drilling cuttings quantity S determination result statistical distribution 110 由图3 可以看出，在整个8101 工作面机巷施工过程中，钻屑量S 变化幅度较小，基本 上稳定在3kg/m左右。故可推知，钻屑量S 在进行工作面突出危险性预测时不具有代表性， 敏感性较差。 3.2 钻屑瓦斯解析指标敏感性分析 3.2.1 K1 值 、△h2 的物理意义 115 K1 值是由我国煤科总院重庆分院提出，测试仪器为WTC 瓦斯突出预测仪，如图4 所示。 该指标依据的解吸规律是RM. Barrer 式。其物理意义为每克煤钻屑自煤体脱落，暴露于 大气之中解吸第1 分钟内瓦斯解吸总量。 图4 WTC 瓦斯突出预测仪示意图 图5 MD-2 型瓦斯解吸仪示意图 120 Fig.4 WTC gas outburst prediction apparatus Fig.5 MD-2 Gas desorption instrument schemes △h2 指标是由我国煤科总院抚顺分院提出,测试仪器为MD-2 型瓦斯解吸仪。如图5 所 示。该仪器的基本原理是在不进行煤样脱气和充瓦斯的条件下，利用煤钻屑中的残余瓦斯 压力，向一密闭的空间释放瓦斯，用该空间体积和压力的变化，以水柱计压差形式来表示煤 125 钻屑解吸出的瓦斯量。 3.2.2 K1 值 、△h2 的实验室测定 现场取样后，在实验室内对8 煤层钻屑解吸指标△h2、k1 值与瓦斯压力的关系进行考察， 实验结果如表4 所示。 130 表4 8 煤钻屑解吸指标实验室测定结果 Tab.4 No.8 coal drilling cuttings desorption index laboratory testing results 取样位置 瓦斯压力（MPa） △h2（Pa） k1（mL/min0.5.g） 8101 风巷J11 点前0.66 320 0.39 27.3m 1.8 490 0.75 8101 风巷J3 点前2.94 680 0.8 34.1m 3.19 820 0.85 对钻屑解吸指标△h2、k1 值与瓦斯压力P 的实验结果进行拟合，如图6 所示。 y 0.4992x0.4382 R2 0.9179 y 385.54x0.5177 R2 0.9875 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 0 1 2 3 4 5 瓦斯压力/MPa 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 △h2 k1 乘幂 k1 乘幂 △h2 y 931.34x - 72.108 R2 0.7935 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 k1/mL/min0.5.g Δh2/Pa 135 图6 8 煤层△h2、k1 值与瓦斯压力关系拟合曲线 图7 实验室测定8 煤层△h2、k1 值关系拟合曲线 Fig.6 The relationship between △h2、k1 and gas pressure Fig.7 The relationship between △h2 and gas k1 由图6 数值拟合结果可以看出卧龙湖煤矿8 煤层钻屑解吸指标△h2、k1 值与瓦斯压力P 140 的关系均符合指数函数关系，且具有正的相关性。相关系数R2 分别为0.9875 及0.9179，说 明8 煤△h2 及k1 值之间以及与瓦斯压力P 具有较好的相关性。 为了研究8 煤钻屑解吸指标△h2 及k1 值的关系，对实验室测定的钻屑解吸指标△h2 及 k1 值结果进行拟合，如图7 所示。 由图7 数值拟合结果可以看出卧龙湖煤矿8 煤层钻屑解吸指标△h2 及k1 值之间相关关 145 系如下 关系式y 931.34x - 72.108 相关系数R2 0.7935（式中x 为k1 值，y 为△h2） 虽然上式说明△h2 及k1 值之间具有一定的相关关系，但由于本次试验次数较少，数据 量有限，需要补充实验数据来进一步考察。 150 3.2.3 K1 值 、△h2 的现场跟踪 为了进一步探明钻屑瓦斯解析指标K1 值 、△h2 的敏感性大小，在准备8101 工作面风 巷期间，对8 煤层的钻屑瓦斯解析指标进行了大量的统计，绘制如图8 所示。 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 2010-6-11 2010-7-1 2010-7-21 2010-8-10 2010-8-30 2010-9-19 日期 k1值mL/min0.5.g 0 50 100 150 200 250 300 2010-6-11 2010-7-1 2010-7-21 2010-8-10 2010-8-30 2010-9-19 日期 指标△h2（pa） 图8 8101 工作面风巷钻屑瓦斯解析指标测定结果分布图 Fig.8 8101 face wind alley drilling cuttings gas analytical index 155 determination result 比较分析图8，钻屑解吸指标△h2、k1 值变化具有同步性和相关性。2010 年7 月初，钻 屑解吸指标△h2、k1 值同时出现超标现象，钻屑解吸指标k1 值接近临界值的次数高于△h2， 钻屑量S 数值变化不太明显。 160 为了更好的研究△h2 与k1 值的关系，对两者进行了线性拟合，如图9 所示。 y 286.54x 13.247 R2 0.868 0 50 100 150 200 250 300 350 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 k1/mL/min0.5.g Δh2/Pa 图9 现场测定8 煤层△h2、k1 值关系拟合曲线 Fig.9 Determine the fitting curve between △h2 and k1 of the No.8 coal bed by site 165 由图9 可以看出，8 煤层效果检验过程中△h2 与k1 值具有以下的相关关系 关系式 y 286.54x 13.247 相关系数R2 0.868（式中x 为k1 值，y 为△h2） 根据8101 工作面风巷8 煤钻屑解吸指标预测、效果检验结果与时间关系分布图，并结 合实验室测定结果对3 个指标的关系图进行比较分析。得出以下结论卧龙湖北翼8 煤钻屑 170 解吸指标△h2 及k1 值具有相关性和敏感性，k1 值敏感性高于△h2 敏感性，钻屑量S 不具有 敏感性。 4 结论 经过以上讨论初步得出以下几点结论 1）本文所采用的敏感指标确定方法能有效的考察出煤层的突出敏感指标，可以在其它 175 矿井推广使用。 2）煤层钻屑解析指标k1 值与△h2 之间具备一定的线型关系，本文初步得出了两者之间 的关系式，以后的研究中可以增加实验数据进行修正； 3）卧龙湖北翼8 煤区域预测指标瓦斯含量均具有敏感性，瓦斯压力暂定为不具有敏感 性（需补充测压）； 180 4）卧龙湖北翼8 煤局部预测指标△h2 及k1 值具有敏感性，k1 值敏感性高于△h2 敏感性， 钻屑量S 不具有敏感性。