钻屑指标变化规律及其在突出预测中的应用

曲 方 张 龙 李迎业 李忠群

（1.中国计量学院质量与安全工程学院，浙江省杭州市，310018；2.山西潞安环保能源开发股份有限公司五阳煤矿，山西省长治市，046025）

钻屑指标变化规律及其在突出预测中的应用

曲 方1张 龙1李迎业2李忠群2

（1.中国计量学院质量与安全工程学院，浙江省杭州市，310018；2.山西潞安环保能源开发股份有限公司五阳煤矿，山西省长治市，046025）

对钻屑指标的原理进行了分析，重点研究钻屑量S和瓦斯解吸指标K1值在实际突出预测中的应用，探寻其在钻孔中的变化规律，并提出测定过程中减少误差的措施与方法。

煤与瓦斯突出 钻屑量 钻屑解吸指标

在对煤矿瓦斯突出进行研究的一个多世纪中，各国研究者经过长期不懈的努力，提出了各种突出预测方法，较为成熟的有钻孔瓦斯涌出初速度法、综合指标法、R值指标法和钻屑指标法等。钻孔瓦斯涌出初速度法主要用于煤巷掘进工作面和回采工作面突出危险性的预测，但对透气性较大的煤层，该指标敏感性差；综合指标法主要用于突出煤层的区域预测和石门揭煤工作面突出危险性预测，但不同矿区提出的综合指标形式差别较大；R值指标法主要用于预测煤巷掘进工作面的突出危险性，R值是一个综合指标，反映了工作面的应力状态、煤的物理力学性质、瓦斯含量及煤的透气性等决定突出危险性的主要因素。目前，国内外使用较为普遍的是钻屑指标法，其中钻屑解吸指标和钻屑量是两个重要参数。本文就钻屑指标的一些问题进行讨论，希望对矿井的突出防治工作有所参考和借鉴。

1 钻屑指标理论分析

1.1 钻屑量

钻孔排出的钻屑量来自钻孔本身煤体和钻孔周边变形煤体。钻孔本身煤体的钻屑量只与钻孔直径有关，而钻孔周边变形量则与钻孔直径、煤的强度、煤体承受的地应力和煤中的瓦斯压力等有关。因此，在钻孔直径一定的条件下，钻孔周边变形量综合反映了煤的强度、煤体承受的地应力和煤体中的瓦斯压力，钻屑量的变化也就在一定程度上反映了煤体突出危险性的大小。

研究表明，钻屑量由钻孔实体煤芯钻屑量S0，孔壁周围破碎带内煤体扩容所形成的附加煤屑量Sp，钻孔弹性变形所形成的附加煤屑量Se1，弹性区与破碎带交界处由于弹性卸载产生的附加煤屑Se2共4部分组成。

极限煤屑量是煤体－围岩力学系统达到极限平衡的条件，即突出钻屑量指标的临界值。而煤体力学性质对钻屑量的大小有显著影响。煤体具有一般弹塑性软化模型的力学特性，钻屑量随着地应力的增大而增大，该指标对以地应力为主导因素的突出预测较为敏感；但对异常松软煤层在坚硬顶底板夹持作用下出现整体静态疲劳破坏而产生屈服作用，呈现显著的流变力学性质，并且由于在钻孔施工过程中煤层几乎不产生弹性变形附加煤屑量，也就不存在上述弹性变形和扩容产生的附加钻屑量了，因而该指标在异常松软煤层为不敏感指标。进一步的研究表明：对煤的坚固性系数f＞0.3的突出煤层，地应力对钻屑量影响较小，此时钻屑量大小不能反映地应力大小，预测精度比较低；对f＜0.3的突出煤层，用钻屑量进行煤层突出危险性预测效果比较好；对f＝0.25的突出煤层，瓦斯压力对钻屑量的影响随地应力的增大而增大。因此，钻屑量对地应力作为主要动力的突出预测是一项比较敏感的指标，对煤体强度较小的突出危险煤层来说，地应力对钻屑量的影响非常明显，但对异常松软的煤层，该指标就不敏感。

1.2 钻屑解吸指标K1

钻屑瓦斯解吸指标K1系煤样瓦斯解吸特征系数。根据煤屑瓦斯解吸理论，K1的物理意义是煤样从煤体采落暴露最初1min时间内的瓦斯解吸量。K1值越大，表明煤的瓦斯含量大，破坏类型高，且瓦斯解吸速度快，因而煤的突出危险性就越大。K1值大小主要与钻屑的物理力学性质、钻屑瓦斯压力大小有关。因此，K1值预测突出的敏感性能主要取决于煤的物理力学性质和煤中的瓦斯压力。K1值对以瓦斯为主的突出危险煤层可进行较为有效的预测，但对以地应力为主的压出、倾出型动力现象预测敏感性则较差。

1.3 钻屑指标法

如前所述，钻屑量指标能综合反映煤层地应力、瓦斯和煤质3个因素的预测指标。对煤体强度较小的突出煤层来说，地应力对钻屑量的影响非常显著。而钻屑瓦斯解吸指标K1能够较好地反映煤的吸附瓦斯的能力和可解吸瓦斯含量的大小，同时也能反映煤的破坏程度，它与地应力无直接的联系，对以瓦斯为主的突出危险的煤层较为敏感。因此，钻屑解吸指标K1和钻屑量能够完全反映诱发矿井突出的主控因素，将上述两项指标相结合的钻屑指标法可以对以地应力和瓦斯为主的突出危险煤层进行准确的预测。

2 钻屑解吸指标K1及钻屑量变化规律分析

2.1 指标测定方法

为了解矿井突出的有关参数及其变化情况，并探寻钻屑瓦斯解吸指标K1和钻屑量S在钻孔中的变化规律，以对掘进工作面突出危险性进行全面研究。本文试验选取在某矿7607运输巷右16＃和右17＃右侧钻场附近布置专用测定钻孔，对钻孔钻屑瓦斯解吸指数K1以及每米钻屑量S进行了现场测定。该处距离七六架空人车巷大约1000～1100m，钻孔开口位置埋藏深度约为570m，钻孔长度在20 m左右。钻孔设备采用石家庄中煤装备制造有限公司生产的ZQS－65／2.5手持式气动钻机，干式钻进，螺旋钻杆自动排渣，钻孔直径ø42mm。该钻机额定转矩不小于65N·m，额定转速不小于380r／min，最大输出功率不小于2.5kW。钻屑瓦斯突出参数K1及S采用重庆煤炭科学院生产的WTC瓦斯突出参数测定仪进行测试。在测定过程中，每钻进1m钻孔收集全部钻屑并称重；每钻进1m测量1次K1值，用1～3mm的筛子筛煤粉，并保证在2min内将煤粉样装在煤样罐中进行测定。

2.2 钻屑指标K1随孔深的变化规律

本次测定钻孔布置在已经开掘好的巷道壁面上，钻孔所选位置无地质构造带，因此测得的K1和S不受构造应力的影响。在7607运输巷共施工钻孔4个，根据测定得到的有关数据，做出了钻屑瓦斯解吸指标K1随孔深的变化曲线，见图1。

图1 钻屑瓦斯解吸指标K1随钻孔深度变化规律

从4个钻孔的数值看出，在钻孔全长范围内，钻屑瓦斯解吸指标K1并非随钻孔深度的加深而增大，而是呈现出波浪式的起伏，具有较大的离散性。总体上看，从开孔到20m范围内，具有逐渐增大上升的趋势，从20m以后开始下降。在5～7 m、11～13m和19m附近出现3个不同的峰值。4个钻孔中K1最大值为0.63，最小值为0.01，数值分为3个区域：0.01～0.2、0.2～0.4和0.4～0.6，其中在0.4～0.6的数值范围内，其钻孔深度大多数在17m以上。

由于巷道煤壁已经暴露了一段时间，煤壁瓦斯释放了较长时间，因此靠近壁面附近大约3～4m的K1值偏小，超过该深度以后K1值呈现增大的趋势。当钻孔深度超过17m以后，K1大多在0.4～0.6，其后的大多数超过了《防治煤与瓦斯突出规定》建议的临界值0.5。

采掘工作面煤层开挖以后，靠近工作面煤壁的瓦斯压力从原始瓦斯压力降至大气压力，在瓦斯压力梯度的作用下，煤层所含瓦斯由近及远涌向工作面自由空间，通常认为在工作面暴露的初期，瓦斯的这种渗流是非稳定流动。从煤壁到其深部，瓦斯压力及其含量将随着时间降低。经过一定时间以后，煤体中的瓦斯压力和瓦斯含量将趋于一个相对的稳定值，此时煤层内的瓦斯渗流处于稳定流状态。图2给出了某矿的实测曲线，从中可以看出：在煤壁暴露初期，瓦斯流动参数变化比较剧烈，随后逐渐趋于稳定，当煤壁暴露150d后，瓦斯流场基本上趋于稳定流场。对于具体的煤层，其稳定时间和离煤壁的距离与所采煤层的煤质和巷道尺寸等因素有关，但其总的变化趋势则是一致的，通常距离煤壁20m左右的瓦斯参数基本能够反映其原始值。

图2 煤层瓦斯含量随时间变化规律

由于该矿尚未发生过煤与瓦斯突出，掘进中动力现象也不明显，根据上述瓦斯流动的理论分析，并结合实际测定数据整理结果，综合分析认为：该煤层钻屑瓦斯解吸指数K1在埋藏深度约为570m的原始值在0.4～0.6之间，大部分值超过了《防治煤与瓦斯突出规定》建议的0.5的规定；考虑到在正常掘进的工作面，还有超前支撑压力的叠加影响，其K1值应该比原始值更高。因此，在该处及其以下深度进行采掘工作时，有发生突出的可能性，须引起高度重视。

2.3 钻屑量S随孔深的变化规律

在7607运输巷共打了4个钻孔，根据测定得到的有关数据，做出了每米钻屑量S随孔深的变化曲线，如图3所示。

图3 每米钻屑量随钻孔深度变化规律

钻屑量的大小实质上综合反映了煤体在地应力、瓦斯压力作用下的破碎程度，在一定程度上反映了煤层突出危险性的大小。由图3可以看出，每米钻孔钻屑量S呈现无规律的波动，大部分数值在2～3kg之间。说明这4个试验钻孔周边变形量变化不大，并且没有随深度增加而明显增大。由于钻屑量的称取与钻孔技术有着密切的关系，特别是深长钻孔在钻进中，可能将前面钻孔壁面上的煤一并带出来，所以钻孔越深其数值的可靠性越差，对于15m以后的钻屑量只能作为参考数值。

在进行工作面突出预测时，要综合考虑钻屑量S和钻屑解吸指标K1。只有这两个指标都在临界值以下，才能认为没有突出危险。在预测有突出危险的地方，必须采取防突措施，然后再进行防突效果检验，当钻屑量S和钻屑解吸指标K1都在临界值以下，方可进行施工。

3 结论

某矿掘进工作面实测结果表明，钻屑瓦斯解吸指数K1在钻孔全长范围内呈现波浪式的起伏，具有较大的离散性。总体看， 从开孔到20m范围内，具有逐渐增大上升的趋势；钻屑量S呈现无规律的波动，钻孔越深其数值的可靠性越差。根据瓦斯流动理论，通常距离煤壁20m左右的瓦斯参数基本能够反映其原始值。因此，当受矿井现场条件限制，需要将测定钻孔布置在已开掘好的巷道壁面上时，可采用20m附近的K1值。

[1] 孟贤正.综采工作面煤的突然压出危险性预测[D].重庆大学，2002

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[3] 刘春阳，赵长闯，陈奇伟等.钻屑瓦斯解吸指标K1值测定影响因素分析[J].煤炭科技，2009（3）

[4] 俞启香.矿井瓦斯防治[M].徐州：中国矿业大学出版社，1992

[5] 赵旭生，刘胜.钻屑瓦斯解吸指标K1值测定误差的影响因素[J].矿业安全与环保，2002（4）

Variation of desorption index for drill cuttings and its application in predicting risk of coal and gas outburst

Qu Fang1，Zhang Long1，Li Yingye2，Li Zhongqun2

（1.College of Quality and Safety Engineering，China Jiliang University，Hangzhou，Zhejiang 310018，China；2.Wuyang Coal Mine，Shanxi Lu＇an Environmental Protection and Energy Development Corporation Ltd.，Changzhi，Shanxi 046025，China）

The principle of drill cuttings index was briefly analyzed.The drilling cuttings weight and gas absorption index of drill cuttings were investigated as an emphasis in practical application to predict the risk of coal and gas outburst.The variation of desorption index for drill cuttings was discussed.The measures were proposed to reduce the errors during the measurement.

coal and gas outburst，drilling cuttings weight，desorption index for drill cuttings

TD713

A

曲方（1964－），男，陕西凤县人，博士，教授。曾先后在美国亚利桑那大学和西弗吉尼亚大学作访问学者和副研究员。主要从事矿山通风与安全、煤矿瓦斯治理、火灾防治以及公共安全方面的科研与教学工作。

（责任编辑 梁子荣）