K1预测值准确性分析及应用考察研究

郑广义

(湖南省株洲市桃水煤矿，湖南 株洲 412300)

煤与瓦斯突出是煤矿中的一种动力现象，因发生机理复杂，且突出的要素之间相互制约，预测突出地点及强度难度极大。煤与瓦斯突出具有突发性，随着矿井开采深度增大导致地应力、瓦斯压力及含量迅速增大，突出发生的频率及强度不容忽视，为了能够保障工作面的安全，全国各大型生产矿井已逐步引入了重庆煤科院生产的WTC测定仪，采取局部综合防突措施的“四位一体”，保障掘进工作面的作业安全。

1 K1指标的理论基础研究

工作面预测指标分为两类，一是以钻屑量为代表的应力指标，二是瓦斯指标。瓦斯指标分为两类，一类是钻孔瓦斯涌出初速度(q)，另一类是钻屑瓦斯解吸量指标(K1和h2)。预测效果的好坏取决于应力的集中程度、位置和煤的瓦斯解吸特征和突出危险临界值的确定。而K1是一种瓦斯解析特征指标，是由煤炭科学研究总院重庆研究院多年研究确定的。其原理是取煤样后，在5 min或10 min内，测定10个点的每克煤的瓦斯解吸量，以及测定前煤样暴露到大气中的时间，根据巴雷尔(R．M．Barrer)公式计算，得出每克煤样自暴露后第1 min内的瓦斯解吸量。K1是反映煤体瓦斯含量和瓦斯解吸特征的综合指标。

1．1 K1值稳定性考察

煤样暴露于大气中所解吸损失的瓦斯量同其解吸时间平方根成正比，这一巴雷尔(R．M．Barrer)实验理论起初用于测量煤层原始瓦斯含量时确定测前损失量。根据巴雷尔公式的理论基础，考察煤样在暴露大气中第1 min中的每克煤的瓦斯解吸量，即为K1值。

其模型表达式：

式中：

Q—煤样在 T测定时间内累计解吸的瓦斯量，ml;

K—比例常数。

其后，重庆煤科分院用此应用于煤与瓦斯突出危险性预测预报中，并把比例常数K作为标志所测定煤体突出危险性大小的特征指标。其模型表达式：

式中：

Qi—每克煤样在Ti测定时间内累计解吸的瓦斯量，mL/g;

W—每克煤样在测前暴露时间T0内解吸的损失量，mL/g;

K1—拟合系数，mL/g·min1/2。

式中：

T0—测前煤样暴露时间;

Qi—ti时刻仪器测定的每克煤钻屑瓦斯放散量，ml/g。

式(3)中，煤样测前暴露时间T0是可变化的，它包括煤样在钻孔中逗留时间和取样时间，取样一般控制在3 min之内，而钻屑在钻孔内被运输的时间(用钻杆的转速，钻杆的螺距和输送效率计算出钻屑，每输送1 m所需要的时间，再乘以长度L加以校正，用42 mm电煤钻打钻时通常采用0．1×L也必须校正)。

理论上，K1值是不受测定时间影响的。实际上，上述数学式是近似描述煤钻屑瓦斯解吸规律的拟合式，实验室和现场测定中均反应出K1测定值随测量时间的改变有不同程度的变化，即K1指标具有一定程度的不稳定性。

1．2 K1值的计算方法

根据式(2)可知，Qi、Ti和T0可以通过实测得到，而Q0为未知数，根据所取煤样在测定时间为Ti时间内每0．5 min所测定的解吸量，运用最小二乘法回归得出取样暴露时间T0时的损失量Q0。

依据Q与W是和■t成正比的基本规律，以Q为纵坐标，■t为横坐标，绘制煤样瓦斯解吸曲线图见图1。

图1 瓦斯解吸曲线图

解吸开始时：t1=0，t=t1+t2，Q=0

式中：

G—煤样重量，g。

1．3 K1值的实验室模拟方法

钻屑瓦斯解吸指标K1表示平衡压力卸除后，单位重量煤样在第1 min内的瓦斯解吸量。实验室测定钻屑瓦斯解吸指标计算方法如下，其中煤样暴露ti时间按式(5)计算：

式中：

ti—煤样自放气始至测量第i个数据的暴露时间，min;

t0—煤样自放气始至启动解吸仪时的暴露时间，min。

煤样的瓦斯解吸规律可认为服从关系式(6)：

式中：

Q—单位质量煤样从暴露时刻起到t时刻的瓦斯解吸量，mL/g;

t—煤样暴露时间，min。

因为Qi是从煤样暴露t0时刻起的瓦斯解吸累积量，而在t0时刻前煤样已经解吸的瓦斯量为W0，显然有式(7)成立：

式中：

w0—t0时刻前单位质量煤样的瓦斯解吸损失量，mL/g;

令Xi=t■i，则有如下钻屑瓦斯解吸指标K1值计算公式：

解吸1 min 后：t3=1，t=t1+t2+1，Q=Q1

解吸2 min 后：t3=2，t=t1+t2+2，Q=Q2依此类推，

解吸 3 min 后：t3=3，t=t1+t2+1，Q=Q1

根据在井下实测的t1和Q1可在坐标图上绘出直线AB延长AB交纵坐标于0点，可得煤样总的瓦斯损失量W值。

将各组实验数据代入式(8)，从而得到相应的瓦斯解吸指标K1值。

2 K1值影响因素分析

K1值作为一种瓦斯解吸特征指标，采取粒度为1～3 mm的钻屑煤样后，在5 min(WTC仪器)或10 min(ATY仪器)内，分别每隔0．5 min或1 min测量一次每克钻屑的瓦斯解吸量，共10次，再根据估算出测定前的煤样暴露到大气中的时间，用巴雷尔公式推算出每克煤样自暴露后第1 min内的瓦斯解吸量，即为K1指标。

因为WTC瓦斯突出参数仪的内部参数的设定基础，是用于钻孔长度为10 m、孔径为d42 mm的麻花钻排粉，若用其他孔径与排粉方式，则需要重新设定仪器的参数。而使用WTC进行K1值的测定已在我国绝大多数突出矿井中应用，《防治煤与瓦斯突出规定》也对钻屑瓦斯解吸指标K1值的测定过程进行了详细的规定。钻屑瓦斯解吸指标K1值理论上是稳定的，即不受煤样暴露时间的影响，但实际上，由于仪器本身、人工测定等多种因素会导致K1值测定值的可靠性与实际情况存在差异。

1)采样方式。由于工作面煤体内的瓦斯含量和瓦斯压力随煤体暴露时间而变化，从煤壁深部到煤壁逐渐减小，实测表明，在煤体结构无明显变化的情况下，煤体中瓦斯含量的钻屑解吸指标随钻孔深度增加呈增大的趋势，且存在钻屑解吸指标值随钻孔深度加深不是单一上升的线性增长趋势，在孔深4～6 m处指标值最大的客观事实。《防治煤与瓦斯突出规定》中规定，预测工作面8～10 m处的突出危险性应每隔2 m采样测定一次钻屑解吸瓦斯指标，根据所测数值的最大值进行判断。但现所采用的都为孔口接取煤样的方式，该方法存在的主要问题是煤样在测定前暴露时间难以确定以及所取煤样的深度无法保证，当煤体松软、钻杆弯曲、长度较深时，麻花钻杆磨削孔壁的情况愈加严重，所取的煤样为孔底、孔壁及暴露时间不同的混样，由于每次测定的K1值需要5 min时间，所取的混样代表性较差，导致所测定的K1值比真实值偏小。通过采用定点取样器与孔口取样的测定值进行对比，定点取样测定的K1值明显高于孔口取样。不同采样方式的K1值对比示意图见图2。

图2 不同采样方式的K1值对比示意图

2)人为因素。由于在测定过程中打钻速度过快或过慢，都将影响K1值测定过程中的准确性，在进行钻孔施工时，应用的d42 mm钻头应按照1 m/min的速度匀速钻进，如果钻进速度过快(过慢)，WTC测定过程的5 min将不能同步，导致钻孔内煤壁暴露时候过长，煤样暴露初始阶段的解吸速度过快，将导致测定值与实际值偏小;防突技术人员应严格按照规定的步骤进行，如取样时t0值的准确测定、拧紧罐盖以防漏气等工序都将影响K1测定的准确性。

3)煤样水分的影响。水分对瓦斯含量的影响较为明显，煤层中水分含量越高，煤的吸附性能越低。未含水分条件下取样时，煤样暴露后吸附瓦斯向游离瓦斯转化，初始阶段的解吸速度较快，解吸量较大;当含有吸附水外在水分时，处于微孔隙呈吸附状态的结合水对煤吸附性减低，毛细水和游离水充塞在大孔隙和毛细管中占据了吸附瓦斯向游离瓦斯转化的通道，使测定时瓦斯扩撒和渗透的通道受阻，此条件下所测定的数值将对初始解吸速度及解吸量造成极大影响，测定值将比真实值要小40%左右。

4)仪器本身的原因。由于WTC仪器内设定了固定的程序，防突员在测定K1值过程中，如取样时间段内对取样段时间t0测定不准，将影响测值的准确性。如在测试现场中发现，防突员在取样开始时，未进行时间的准确测定，不论取样开始至结束这段时间用时多少，在仪器提示输入取样时间t0时，都输入的为1 min或2 min，这就使得仪器在计算K1值开始段出现误差，使的测试值比真实值偏差10%左右;在测定过程中，如未检查仪器的密闭性，未检查乳胶管与煤样罐、泄气阀与煤样罐未拧紧等都将导致测试过程中存在漏气，导致测定数值比实际值偏低。

3 准确测定K1值的措施

通过对上述K1值测定过程中各个环节易出现错误的因素进行分析，可以得出，测定中如果存在失误，测定值与真实值偏小的现象普遍存在，如果不更，将会给安全生产带来极大隐患。为了能提高工作面突出危险性预测的准确性和可靠性，应做到以下几点，减少K1值测定过程中的误差。

1)应采用定点取样器设备取样，能够避免钻粉混合、暴露时间不一等因素的干扰，同时，能够保证所取煤样的特定深度，使取样时间相对固定。

2)应指定特定的钻孔施工人员，对钻孔施工人员进行必要的指导和培训，同时各个矿井应配备专职突出预测人员，对防突技术人员进行钻屑瓦斯解吸指标的理论知识和操作技能培训，应严格按照《WTC瓦斯突出参数仪说明书》进行规范操作，加强防突员的仪器熟练性操作。下井前，应严格检查仪器的电量、密封性等情况。

3)应使用风压钻进钻取煤粉，在应用水力化工作面消突措施后，布置的预测钻孔应避开湿润煤体进行突出危险性效果检验。在采用孔口取样的前提下时，应避免钻杆跟煤壁的摩擦，在钻杆打到预定深度时，不应立即接粉，应来回打动钻杆，排一会钻杆内的煤粉后再取样，在测定过程中遇到漏气等问题时，应立即检查、处理，同时对此深度的测定值应重新进行测定。

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