煤与瓦斯突出危险精准辨识理论方法与技术探索.pdf

第 45 卷第 5 期煤 炭 学 报Vol. 45 No. 5 2020 年5 月JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETYMay 2020 移动阅读 舒龙勇,朱南南,陈结,等. 煤与瓦斯突出危险精准辨识理论方法与技术探索[J]. 煤炭学报,2020,4551614- 1625. doi10. 13225/ j. cnki. jccs. DY20. 0529 SHU Longyong,ZHU Nannan,CHEN Jie,et al. Theoretical and technology of precision identification for coal and gas outburst hazard[J]. Journal of China Coal Society,2020,4551614-1625. doi10. 13225/ j. cnki. jccs. DY20. 0529 煤与瓦斯突出危险精准辨识理论方法与技术探索 舒龙勇1,2,朱南南1,2,陈 结3,安 赛1,2,张慧杰1,2 1. 煤炭科学技术研究院有限公司 安全分院,北京 100013; 2. 煤炭科学研究总院 煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室,北京 100013; 3. 重庆大学 煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室,重庆 400044 摘 要针对我国煤与瓦斯突出频发、突出事故呈现新特征、突出预测方法和指标体系有待完善等 现实问题,为了更好地指导突出预测与防治工作,以煤与瓦斯突出关键结构体致灾机理为指导,基 于突出发生位置必须具备特殊的地质结构环境这一基本认识,提出了煤与瓦斯突出危险“层层递 进-精准辨识”的理论方法,具体包括 3 个层次采用物探和钻探相结合的手段,超前探测采掘工作 面周围存在的异常地质结构;采用微震和瓦斯涌出实时监测相结合的方法,动态分析采掘扰动条件 下采掘工作面前方煤体结构、地应力和瓦斯大小变化特征;采用随钻测定相关特征参数和预测指标 的方法,进一步验证超前探测和实时监测的辨识结果。 探索性工程试验表明“超前探测地质结构 异常-实时监测煤体突出危险性-随钻测定煤层瓦斯大小”相结合的突出危险辨识技术能够综合反 映采掘工作面周围地质结构、煤体结构、地应力和瓦斯大小变化特征,促进了突出预测工作由点预 测向面预测、由间断式向连续式、由接触式向接触-非接触式相结合的转变。 通过进一步发展物探 和钻探相结合的精细探测技术,引入大数据分析和机器学习算法等训练综合判识模型,开发以“超 前探测异常地质结构,实时监测采掘工作面微震信号和瓦斯涌出时序变化特征,随钻测定各种特征 参数和预测指标”为核心的综合预警系统,实现突出灾害多元信息综合监测与智能预警,更好地服 务于煤与瓦斯突出防治工作。 关键词煤与瓦斯突出;突出预测预报;超前探测;实时监测;随钻测定 中图分类号TD713 文献标志码A 文章编号0253-9993202005-1614-12 收稿日期2020-04-02 修回日期2020-05-19 责任编辑常明然 基金项目国家重点研发计划资助项目2017YFC0804202;国家自然科学基金资助项目51704164,51704163 作者简介舒龙勇1985,男,安徽金寨人,副研究员,博士。 Tel010-84263071,E-mailyonglongshu163． com Theoretical and technology of precision identification for coal and gas outburst hazard SHU Longyong1,2,ZHU Nannan1,2,CHEN Jie3,AN Sai1,2,ZHANG Huijie1,2 1. Mine Safety Technology Branch,China Coal Research Institute,Beijing 100013,China; 2. State Key Laboratory of Coal Mining and Clean Utilization, China Coal Research Institute,Beijing 100013,China; 3. State Key Laboratory for the Coal Mine Disaster Dynamics and Controls,Chongqing University, Chongqing 400044,China AbstractThere are many practical problems for coal and gas outburst in China,such as the frequent occurrence,the new features which has emerged,and the prediction and index system which need to be improved. In order to better guide the prediction and prevention of coal and gas outburst,the theoretical of “Layers of progressive- Precision identification” for coal and gas outburst hazard is proposed,which includes three levels,under the guidance 第 5 期舒龙勇等煤与瓦斯突出危险精准辨识理论方法与技术探索 of key structural body theory of coal and gas outburst,and based on the basic understanding that the outburst location must have the special geological structure environment. The abnormal geological structure around the mining face is detected in advance by the of geophysical prospecting and drilling. Based on the real-time monitoring of micro- seism and gas emission,the change of coal structure,crustal stress and gas in front of the mining face are dynamically analyzed under the condition of mining disturbance. The identification results of the advanced detection and real-time monitoring are further verified by the measured relevant feature parameters and prediction inds of coal and gas out- burst while drilling. Exploratory engineering tests show that the identification of outburst hazard,which includes “Advanced detection of abnormal geological structure-real-time monitoring of coal and gas outburst hazard-Measure- ment of coal seam gas while drilling”,can comprehensively indicate the geological structure,coal structure,crustal stress and gas around the mining face,which promotes the transation of coal and gas outburst prediction from point prediction to face prediction,from discontinuous prediction to continuous prediction,and from contact prediction to contact and non-contact combined prediction. The fine detection technology which includes geophysical prospecting and drilling needs further development. Big data analysis and machine learning algorithm are introduced to train com- prehensive judgment model. A comprehensive early-warning system is developed with the core of “Advanced detection of abnormal geological structure-real-time monitoring of micro-seismic signal and time series of gas emission in mining face-Measurement of various feature parameters and prediction inds while drilling”. It is expected to realize com- prehensive monitoring of multivariate ination and intelligent early warning for outburst hazard,which will better serve the prevention and control of coal and gas outburst. Key wordscoal and gas outburst;prediction and forecasting of coal and gas outburst;advance detection;real-time mo- nitoring;measurement while drilling 煤与瓦斯突出简称“突出”是煤矿井下发生的 一种极其复杂的动力灾害,研究历史已有 180 余年之 久,期间国内外大量的科学家和工程技术人员进行了 多种研究与尝试,提出了多种假说、预测预警与防治 方法[1-2]。 随着对突出机理认识的逐渐深入,我国防 突体系经历了 20 世纪 90 年代初从单一防突措施到 预测、检验、安全防护“四位一体” 综合防突措施、 2009 年全面转入“区域防突为主、局部防突为辅”的 双“四位一体”综合防突措施两个重要阶段;2019 年 新修订的防治煤与瓦斯突出细则更是在防突预警 及过程管控、防突信息化及智能化等多个方面提出了 更高的要求。 我国煤矿安全生产形势逐年好转,煤矿 百万吨死亡率逐年降低,但 2019 年我国煤矿瓦斯灾 害事故不降反升,全年瓦斯灾害事故较 2018 年增加 11 起,因此导致的死亡人数同比增加 65 人,其中突 出事故多发生 3 起。 可见,瓦斯仍是我国煤矿安全的 “第一杀手”,突出事故仍然频发。 目前,我国煤矿瓦斯抽采坚持“应抽尽抽、多措 并举、抽掘采平衡”的原则,抽采达标后方可安排采 掘作业,故近年来我国突出事故有相当一部分发生于 区域预抽措施作用后的区域,事故呈现出突出瓦斯量 小、中小型突出比例增大等新的特点。 例如贵州梓 木嘎煤矿“86” 突出事故突出煤量 549 t,瓦斯量 1． 39 万 m3,吨煤瓦斯量仅 25 m3/ t;河南登封市兴峪 煤矿“14”突出事故突出煤量 254 t,瓦斯 5 940 m3, 吨煤瓦斯量仅 23 m3/ t。 以上现象说明区域预抽对防 治突出作用显著,但并不能杜绝突出事故的发生。 国 内外突出事故案例表明[3-6]突出多发生于地质构造 带或煤层急剧变化处,突出煤层内都发育有一定厚度 的构造煤,但并非所有的构造煤区域均具备发生突出 的条件;突出发生前大都有预兆,但现场也有相当一 些地方出现了预兆后,突出并未随之出现;突出煤层 的危险区只占整个开采区域面积的 5 20;突出 预测指标测值高的区域不一定就有突出危险,相反还 存在很多低指标区域发生突出的现象。 例如晋城、 潞安等矿区煤层瓦斯含量较大、钻屑瓦斯解吸指标测 值较高,但其突出灾害并不严重;而阳泉矿区寺家庄 煤矿最小突出压力仅为 0． 23 MPa,豫西重力滑动构 造影 响 区 内 二1煤 突 出 的 最 小 瓦 斯 含 量 仅 为 4． 00 m3/ t[7]。 由此可见,突出预测作为防治突出的 首要环节,预测结果的准确与否直接关系着煤层开采 作业安全,目前普遍采用瓦斯参数为主的点预测方法 存在“以点代面、以偏概全”的问题,突出预测方法和 体系有待进一步完善。 笔者拟通过对煤与瓦斯突出孕育、启动机理和主 控因素的分析,厘清突出危险精准辨识思路,结合现 场工程实践,探索“超前探测地质结构异常-实时监 测煤体突出危险性-随钻测定煤层瓦斯大小”相结合 5161 煤 炭 学 报 2020 年第 45 卷 的突出危险精准辨识方法与技术,旨在促进突出预测 工作由点预测向面预测、由间断式向连续式、由接触 式向接触-非接触式相结合的转变,在提升突出预测 效率的同时,确保突出预测的准确性,杜绝应用矿井 突出灾害的发生。 1 突出危险精准辨识理论方法的提出 为了指导煤与瓦斯突出预测、预警和防控工作, 各国学者从未间断过对突出发生机理的研究,先后提 出了多种假说来解释突出发生、发展及停止的内在机 制,归纳起来包括瓦斯作用说、地应力作用说、化学本 质说和综合作用假说等四类学说[8-9]。 20 世纪 80 年 代以来,我国学者相继提出了煤与瓦斯突出流变假 说[10]、球壳失稳假说[11]、固流耦合失稳理论[12]和力 学作用机理[13]等学术观点。 伴随着对突出机理研究 的逐渐深入,我国防突体系逐步完善,早在 2009 年就 全面强制推广应用了“区域防突为主、局部防突为 辅”的两个“四位一体”综合防突措施。 防治煤与瓦 斯突出规定实施以来,我国煤矿因瓦斯灾害死亡人 数逐年下降,但是突出事故仍时有发生,且近年来突 出事故多发生于局部异常地质结构区和预抽钻孔未 有效覆盖的抽采盲区。 例如2018-08-16 平煤十三 矿发生于己15-1711111 回采工作面的突出事故,事故 调查过程中勘查得出突出位置附近煤层厚度变化较 大,虽然工作面回采前采用顺层钻孔进行了大面积预 抽,但由于顺层钻孔钻进未发现煤层厚度变异区、钻 孔向顶板发生飘移,造成煤层变厚区内底部煤层瓦斯 未抽采达标,回采工作面接近该区时发生了突出煤量 301 t、瓦斯量约 10 123． 33 m3的典型突出事故。 围绕着煤与瓦斯突出孕育和启动需要什么样的 特殊地质结构环境 突出煤体有何特殊之处 突出 机理研究如何与现场工程条件相结合 能否建立统 一的物理模型 等关键科学技术问题,笔者等[14-15] 通过对已有研究成果和突出发生处地质结构环境的 总结分析,将突出机理研究与现场工程结构相结合, 提出了描述突出发生位置工程结构环境特征的关键 结构体模型图 1,并对突出过程进行了剖析,建立 了突出启动的力-能判据,初步形成了煤与瓦斯突出 的关键结构体致灾机理。 其核心观点之一是认为突 出发生位置必须具备特殊的地质结构环境,除应关注 地应力、瓦斯和煤的物理力学性质 3 方面的因素外,3 者还必须共同作用形成特殊的地质结构环境即“关 键结构体”,关键结构体是突出得以成功启动的必 要条件。 基于关键结构体模型开展的突出阶段划分认为, 图 1 煤与瓦斯突出关键结构体模型[14] Fig． 1 Key structural body model of coal and gas outburst[14] 突出过程的 4 个关键环节中,突出准备阶段是一个漫 长的过程,始于地质构造运动时构造应力对煤体的改 造;突出激发并非等同于突出启动,它隶属于突出准 备阶段,直接表现为关键结构体中结构 2 的突变失 稳、破坏、抛出,从而导致突出煤体的暴露,实现对突 出的激发;突出启动是结构 1 暴露失稳这一突变点, 而并非以往认识的激发阶段[14]。 通过分析关键结构体中结构 2 的受力环境图 2,建立了突出激发阶段受力状态评价指标为 Im σs σ d σ g σf ≥ 11 式中, σs为煤岩体所受的静载应力; σd为采掘扰动 或围岩破裂产生的动载应力; σg为煤岩体中的瓦斯 压力的等效载荷; σf为结构 2 失稳破坏的临界荷载。 图 2 关键结构体中结构 2 受力环境示意 Fig． 2 Stress conditions and environment of Structure-2 in the key Structure body 建立的突出激发阶段能量耗散评价指标为 Ie dUr dt dUc dt dUg dt dUd dt dUl dt ≥ 12 式中,Ur为围岩中存储的弹性潜能;Uc为煤体中存储 的弹性潜能;Ug为煤岩体中存储的瓦斯内能;Ud为 采掘扰动或围岩破裂输入的能量;Ul为结构 2 失稳 破坏所消耗的能量。 6161 第 5 期舒龙勇等煤与瓦斯突出危险精准辨识理论方法与技术探索 在如图 1 所示的关键结构体模型中,突出显现形 式决定于结构 2,结构 2 突变失稳只是对突出的激 发,突出能否成功启动还决定于结构 1 的受力和蓄能 状态。 进一步建立的突出启动力学判据 Cm为 Cm p σxt - p a 4c 2σzt σ yttan φ ≥ 13 式中,Cm为突出启动力学判据;p 为煤体内瓦斯压 力,MPa;c,φ 为煤层的黏聚力与内摩擦角; pa为突出 巷道内的环境气体压力;σxt,σyt,σzt分别为煤壁前方 的动态应力场中 x,y,z 方向的应力大小,MPa。 突出启动能量判据 Ce为 Ce Ee E i E n Wf W p W q ≈ en wf w pmin ≥ 14 式中, Ee为煤体骨架的弹性潜能; Ei为周围煤岩 体如结构 3、结构 4对突出煤体所做的功; En贮存 在煤体内的瓦斯内能; Wf为煤体粉碎功; Wp为煤岩 体抛出功; Wq为诸如煤体发热发声等能量耗散; en 为参与突出启动的吨煤瓦斯内能,MJ/ t; wf为吨煤粉 碎功, MJ/ t; wpmin为 突 出 启 动 时 煤 的 最 小 抛 出 功,MJ/ t。 煤与瓦斯突出危险区是指具有潜在能量和能量 释放危险的、在采掘扰动作用下可能转化为突出事故 的区域。 根据煤与瓦斯突出关键结构体致灾理论可 知,突出危险区的精准辨识除了要及时测定掌握影响 突出发生的 3 因素外,还必须注重对采掘工作面前方 潜在地质结构异常区的精细探查。 结合式1 4 所示的突出激发和启动力能条件,笔者分析认为[16] 煤层瓦斯压力越大、煤体强度越低,突出危险性越高; 地应力大小对突出的影响比较复杂,沿采掘巷道轴向 的水平应力越大,突出危险性越高,而垂直于巷道轴 向的应力通过控制煤体剪应力大小、煤体破坏程度和 强度、煤体渗透率和瓦斯压力梯度等影响着采掘工作 面突出危险性大小。 针对突出预测和预警工作,笔者 认为可分别从超前探测“关键结构体”、实时监测结 构 2 失稳突变的前兆信息和结构 1 暴露前的瓦斯动 态涌出情况、随钻测定结构 1 的煤层强度和瓦斯大小 着手,形成“超前探测-实时监测-随钻测定”相结合 的突出综合预测预报技术,必能有效避免突出预测的 误报漏报现象[14]。 为此,本文提出煤与瓦斯突出危险的精准辨识方 法图 3,用于指导煤矿井下采掘工作面突出危险的 精准预测,其包括 3 个层次的工作图 4① 采用物 探和钻探相结合的方法,超前探测采掘工作面周围存 在的地质结构异常区;② 采用微震和瓦斯涌出实时 监测相结合的方法,综合反映采掘扰动条件下采掘工 作面周围煤体结构变化、地应力和瓦斯大小变化规 律;③ 采用随钻测定相关特征参数和预测指标的方 法,进一步验证超前探测和实时监测的预测结果。 通 过以上 3 个层次的工作,综合分析采掘工作面周围地 质结构异常变化、煤体结构变化、瓦斯和地应力大小 变化特征,促进突出预测工作由点预测向面预测、由 间断式向连续式、由接触式向接触-非接触式相结合 的转变,在提升突出预测效率的同时,确保突出预测 结果准确性,达到突出危险“层层递进-精准辨识”的 目的,从而促进我国煤矿煤与瓦斯突出防治水平的提 升。 图 3 煤与瓦斯突出危险精准辨识原理示意 Fig． 3 Principle of precision identification for coal and gas outburst hazard 图 4 突出危险精准辨识层次化工作 Fig． 4 Workflows of precision identification for coal and gas outburst hazard 2 超前探测-连续监测-随钻测定相结合的 突出危险精准辨识技术 2． 1 异常地质结构超前精细探测技术 异常地质结构超前探测领域常用的技术主要包 括物探和钻探 2 个方面[17]。 钻探是最直接的技术手 段,具有精度高、直观性强、适用面广等优点,其不足 之处是测定周期长、工程量大、“一孔之见”等;而物 探具有非接触无损探测、工程量小成本低、快速便捷、 信息量大等显著优势,但其存在着多解性的显著缺 点。 因此,采用物探和钻探相结合的方法,能够充分 发挥物探和钻探技术各自优势,提高采掘工作面周围 7161 煤 炭 学 报 2020 年第 45 卷 异常地质结构的探测精度和效率。 目前,煤矿井下物探方法主要包括地震类、电法 类,工程实践中较有效和常用的包括槽波地震勘探、 瑞雷波探测、岩体声波探测、无线电波透视、直流电 法、瞬变电磁、音频电透视、矿井地质雷达等方法[18]。 各类物探技术所反映的介质物理特征决定了其适用 条件和范围,例如地震手段获得的是折射、反射和透 射地震波的旅行时,反映地层界面物理特征的是决定 地震波传播速度、煤岩体密度、弹性模量等参数;电法 主要测量的是井下煤岩体电阻率、电位等电性参数, 反映的是煤岩层的电性特征等。 就当下国内外物探技术和装备水平来说,矿井巷 道地震超前预报技术简称 MSP、矿井地质雷达探 测、槽波地震探测技术在采掘工作面异常地质结构体 探查方面具有较好的发展和应用前景,其中矿井巷道 地震超前预报技术和地质雷达探测技术可用于掘进 工作面地质结构异常区的超前探测,槽波地震探测技 术可用于回采工作面地质结构异常区的精细探查。 就防突工作来说,异常地质结构的探测更强调超前 性,特别是结合高瓦斯或突出煤层中施工的大量预测 和抽采钻孔,可重点发展孔内雷达或孔内地震等精细 探测技术和装备。 近年来,笔者所在团队重点探索了钻孔雷达技术 在采掘工作面异常地质结构体超前探测中的应用。 钻孔雷达以宽频带短脉冲的形式向介质内发射高频 电磁波,当其遇到不均匀体界面时会反射部分电 磁波,其反射系数由介质的相对介电常数决定,通过 对雷达天线所接收的反射信号进行处理和图像解译, 达到识别隐蔽目标物的目的[19]。 R ε1-ε2 ε1ε2 5 其中,R 为反射系数;ε1,ε2为围岩和有害地质体的介 电常数。 两者的介电常数差异越大,探测效果会越 好。 由于电磁波在特定介质中的传播速度 V 是一定 的,故根据钻孔雷达记录数据中孔壁反射波与异常体 反射波的时间差 ΔT,即可根据下式得出异常体的深 度 H 为 H VΔT/26 其中,V 为电磁波在地下介质中的传播速度,其大小 由下式得出 V C/ε7 式中,C 为电磁波在大气中的传播速度,约为 3 108m/ s;ε 为相对介电常数,取决于地下各层构成物 质的介电常数。 钻孔雷达天线通过光纤与主机相连并进行数据 采集、存储、显示、处理分析成像。 现场测定过程中, 雷达发射与接收天线放置于钻孔中并以一定的速度 推进自动扫描探测成像,它向钻孔周围 360空间发 射和接收信号,采用 100 MHz 的天线可以探测钻孔 周围 10 20 m 的反射信号,通过一个钻孔探测即可 分析计算出有害地质体的距离和规模,如图 5 所示。 图 5 钻孔周围地质钻孔雷达探测成像示意 Fig． 5 Detection imaging diagram of geological borehole radar around the borehole 2． 2 采掘工作面突出危险实时监测技术 采掘过程中的微震响应特征主要反映工作面周 围煤体结构变化和地应力分布差异,可间接表征出煤 岩体的受载损伤程度和稳定性[20]。 现场微震监测数 据表明,随着掘进面向高应力区的推进,微震指标先 缓慢增加后快速增大,出现微震指标的高值异常,验 证了室内声发射实验的准确性[21-22]。 通过对采掘工 作面过典型地质结构异常区模型的数值模拟结果和 现场微震监测数据分析[23-24],发现煤与瓦斯突出的 微震前兆特征主要表现为升高型和前震期型;而采掘 作业过程中的瓦斯涌出量大小能够间接反映工作面 周围的地应力、瓦斯大小和煤体结构变化规律,地应 力通过控制煤体孔隙率和渗透率的变化,影响着深部 煤体中的瓦斯运移;而采掘工作面周围的瓦斯大小影 响着煤体瓦斯压力分布及其梯度,决定了瓦斯涌出量 大小;落煤瓦斯涌出量也与煤体结构或破碎程度有 关。 前人研究表明[25],煤与瓦斯突出的瓦斯涌出前 兆特征主要表现为升高型、波动型和先降后升型。 笔者认为采掘过程中微震和瓦斯涌出演化特征 能够综合反映采掘工作面周围煤体结构变化、地应力 和瓦斯大小变化规律,可用于突出危险性预测预报, 实现采掘工作面突出危险的连续实时监测。 为此,提 出分别采用滑动平均值、偏离率、离散率和变化特征 指数定量表征微震和瓦斯涌出的异常特征[26]。 8161 第 5 期舒龙勇等煤与瓦斯突出危险精准辨识理论方法与技术探索 微震事件变化特征指数 Im根据微震事件时间序 列的滑动平均值、偏离率和离散率来确定。 滑动平均值 Ant的表达式为 Ant 1 n ∑ n i 1 at-i18 式中,n 为时间的长度;at为 t 时刻的微震事件数; Ant为最近时间长度 n 内的微震事件滑动平均值。 偏离率 Ynt的表达式为 Ynt at- Ant Ant 9 离散率 Vnt的表达式为 Vnt 1 n - 1∑ n i 1 [at-i1- Ant]210 分别确定正常的微震事件滑动平均值 e1、偏离率 e2和离散率 e3,然后分别对微震事件滑动平均值赋值 为 α,偏离率赋值为 β,离散率赋值为 γ,各指标异常 时赋值为 1,正常时赋值为 0,综合判断微震事件变化 特征赋值 xαβγ,x{0,1,2,3}。 微震事件变化特征指数 Im的表达式为 Im x/3 α β γ /311 瓦斯涌出量变化特征指数 Ig根据瓦斯涌出量时 间序列的滑动平均值 An′ t、偏离率 Yn′t 和离散率 Vn′ t 来确定。 滑动平均值 An′ t 的表达式为 An′ t 1 n ∑ n i 1 ct-i112 式中,ct为 t 时刻的瓦斯涌出量;An′ t 为最近 n 时间 长度内的瓦斯涌出量滑动平均值。 偏离率 Yn′ t 的表达式为 Yn′ t ct- An′ t An′ t 13 离散率 Vn′ t 的表达式为 Vn′ t 1 n - 1∑ n i 1 [ct-i1- An′ t] 2 14 分别确定正常的瓦斯涌出量滑动平均值 e′ 1、偏离 率 e′ 2和离散率 e′3,其中瓦斯涌出量的滑动平均值赋值 为 α′,偏离率赋值为 β′,离散率赋值为 γ′,各指标异 常时赋值为 1,正常时赋值为 0,综合判断瓦斯涌出量 变化特征赋值 yα′β′γ′,其中 y{0,1,2,3}。 瓦斯涌出量变化特征指数 Ig的表达式为 Ig y/3 α′ β′ γ′ /315 为实现微震和瓦斯动态涌出特征的综合分析,基 于微震事件变化特征指数 Im和瓦斯涌出量变化特征 指数 Ig,构建出煤与瓦斯突出模糊综合评价模型,提 出了突出可能性指数 I,用于判断煤与瓦斯突出危险 等级 Ix,y w1Imx w2Igy16 式中,w1为微震事件特征指数 Im的权重系数;w2为 瓦斯涌出量特征指数 Ig的权重系数。 根据统计学、模糊数学、现场实测和前人研究成 果[27],将突出危险定量划分为 4 个等级,即无突出风 险、低突出风险、有突出倾向、强突出危险。 实际应用 过程中,根据不同煤层开采条件,赋予 w1,w2不同的 权重值,例如应力主导型突出矿井理论上 w1w2,而 瓦斯主导型矿井 w1w2;当然,实时监测系统也可根 据矿井实际突出发生情况和动力现象,借助大数据分 析和机器学习算法等手段动态调整权重系数大小。 表 1 煤与瓦斯突出危险等级划分 Table 1 Classification of danger grade for coal and gas outburst hazard 突出危险等级突出危险性可能性指数 I无突出风险≤0． 25 II低突出风险0． 25 0． 50 III有突出倾向0． 50 0． 75 IV强突出危险0． 75 1． 00 2． 3 煤层突出危险性随钻测定检验技术 现阶段工作面日常预测主要采用的是间接反映 煤层突出危险性的钻屑瓦斯解吸指标Δh2和 K1 值、钻屑量指标S和钻孔瓦斯涌出初速度q等指 标。 研究表明[15],在应力场环境和煤体物理力学性 质相近的条件下,不同煤层突出启动的临界瓦斯压力 应该是相近的;然而同一瓦斯压力条件下,不同煤层 的瓦斯含量、钻屑瓦斯解吸指标和钻孔瓦斯涌出初速 度却存在较大差异,这就决定了不同矿井使用钻屑瓦 斯解吸指标和钻孔瓦斯涌出初速度等指标进行突出 危险性预测时的临界值必然存在显著差异,故防治 煤与瓦斯突出细则仍然明确指出各预测指标的临 界值应根据试验考察确定。 由突出启动的力学判据式3来看,煤层瓦斯压 力是突出启动和发展的主要动力之一,直接采用煤层 瓦斯压力指标进行工作面突出危险性预测,本质上更 能反映煤层突出危险性大小。 煤层瓦斯压力和瓦斯 含量作为两个最重要的煤层瓦斯基础参数,是煤矿开 展区域突出危险性预测工作的重要依据,目前煤层瓦 斯含量和瓦斯压力的测定均存在操作复杂、测试周期 长、对现场条件要求高、容易受人为因素影响等问题, 难以快速准确获得煤层瓦斯压力和含量大小。 基于煤层瓦斯吸附量、解吸速率、钻屑瓦斯解吸 9161 煤 炭 学 报 2020 年第 45 卷 指标等与煤层瓦斯压力正相关这一基本规律,结合前 人开展的大量吸附解吸实验结果[28-29],课题组研发 了 CWH200 型煤层瓦斯含量与压力快速测定仪,能 够在煤矿井下 10 min 内快速测得煤层瓦斯压力 p 和 瓦斯含量 W。 具体实现方法是通过快速测定仪测得 煤样不同时刻的瞬时瓦斯解吸量,并采用如式17 所示的瓦斯解吸放散模型进行拟合,获得常压条件下 单位质量煤样的极限可解吸瓦斯含量 A。 v mAB 2 τ1 B τ2 17 式中,v 为不同时刻的瞬时瓦斯流量v1,v2,,vn;m 为煤样罐中的煤粉质量;τ 为煤样的暴露时间τ1, τ2,,τn。 基于事先录入的煤层瓦斯吸附常数 a,b 值和工 业分析等数据,可自动计算出单位质量煤样的常压不 可解吸瓦斯含量 Xb。 单位质量煤样吸附瓦斯含量 Xa 按式18计算获得 Xa A Xb18 考虑煤体的水分和灰分影响,根据式19即可 快速求得煤层瓦斯压力 Xa abp 1 bp 100 - Ad - M ad 100 1 1 0． 31Mad 19 式中, Ad为煤的灰分,; Mad为煤的水分,。 进一步计算获得单位质量煤样的游离瓦斯含量, 并结合单位质量煤样的吸附瓦斯含量 Xa,从而获得 煤层瓦斯含量 W。 CWH200 型煤层瓦斯含量与压力快速测定仪已 通过现场检验并获得了安标证书,其显著特点是操作 方便,实现了煤层瓦斯含量与压力的随钻快速测定, 缩短了煤层瓦斯压力和含量的测定周期,革新了传统 的煤层瓦斯压力和含量的测定原理及方法,可用于突 出危险性预测及防突措施效果检验工作中,进一步丰 富和完善了突出预测指标体系。 3 探索性工程试验 3． 1 试验地点及试验方案 阳泉矿区位于山西省沁水煤田东北部,煤系地层 主要为二叠系山西组和石炭系太原组,是全国瓦斯涌 出量最大、突出频率最高和自然灾害最严重的矿区之 一。 本次试验地点选定为阳泉矿区某矿 31011 回风 巷掘进工作面。 试验矿井是阳泉矿区典型突出矿井 之一,区内 3 号煤层平均厚度 2． 77 m,实测最大煤层 瓦斯压力2． 44 MPa,最小坚固性系数0． 21,最大瓦斯 放散初速度 21． 8,煤层具有突出危险性。 现场试验 地点及实时监测传感器布设方案如图 6 所示。 现场试验过程中,掘进作业施工前,利用施工的 区域预测钻孔开展钻孔雷达探测;掘进作业过程中, 利用预先安设的实时监测系统动态分析工作面突出 危险性大小;结合工作面突出危险性预测工作,随钻 测定 K1值、Δh2、瓦斯压力p和瓦斯含量W大小。 试验过程中用到的 CWH200 型煤层瓦斯含量与压力 快速测定仪、YTC10 煤层突出参数测定仪等仪器设 备实物如图 7 所示。 图 6 试验地点及传感器布设基本情况 Fig． 6 Basic ination of test site and sensor arrangement 0261 第 5 期舒龙勇等煤与瓦斯突出危险精准辨识理论方法与技术探索 图 7 试验设备实物 Fig． 7 Physical drawing of test equipment 3． 2 现场试验效果分析 1异常地质结构超前精细探测 借助 31011 回风巷工作面定期施工的区域预测 钻孔,开展钻孔雷达超前探测跟踪试验,获得的钻孔 雷达探测结果如图 8 所示。 图 8a为实时监测预警系统