中岭煤矿煤与瓦斯突出局部预测指标敏感性确定方法研究

章 飞

(中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400039)

随着矿井开采向深部延伸，煤与瓦斯突出动力灾害成为矿井开采的主要灾害之一，严重威胁着矿井的安全生产。针对煤与瓦斯突出灾害的防治，学者开展了大量的研究工作，归纳起来主要有以下几个方面：一是煤与瓦斯突出机制研究[1-2]；二是煤与瓦斯突出危险性预测方面的研究工作[3-4]；三是煤与瓦斯突出防治措施[5-6]；四是安全防护措施[7]。其中，煤与瓦斯突出危险性预测是防治煤与瓦斯突出灾害的关键环节，突出危险性预测的准确性直接决定了煤与瓦斯突出灾害发生的概率。对于煤层突出危险性预测存在大量指标，官方规定的指标就有多种，如煤与瓦斯突出危险性鉴定的4个单项指标：瓦斯压力、瓦斯放散初速度、坚固性系数、煤层破坏类型；区域预测指标包括瓦斯压力、瓦斯含量；局部预测指标包括钻屑解吸指标、钻屑量指标、钻孔瓦斯涌出初速度指标[8]；除此之外还有大量学者提出的其他指标，如声发射指标[9-10]、电磁辐射预测指标[11-12]等。生产实践表明，同一预测指标对于不同地质条件、不同瓦斯条件下的煤层其突出危险性预测的敏感性可能不同，甚至对于同一工作面在不同的采掘工艺条件下其突出危险性预测的敏感性也可能会不同；反之，不同的预测指标对地质、瓦斯和开采工艺相同条件的工作面也会存在不同的突出危险性预测敏感程度。因此，根据矿井的实际情况确定出适合于矿井的突出危险性预测指标，对煤与瓦斯突出灾害的防治至关重要。

目前针对预测指标敏感性的分析，学者开展了大量的研究。张锐等[13]仅开展了钻屑指标K1值和Δh2的敏感性对比分析，对于其他局部预测指标的敏感性未进行研究；李跃华等[14]采用干湿煤样，以实验的方法研究了局部预测指标K1值和Δh2的敏感性；解鹏雁[15]基于现场实测预测指标数据，采用三率法确定了煤层突出预测敏感指标；王云刚等[16]采用模糊类聚和灰色关联的理论分析的方法研究了突出预测指标的敏感性；魏远等[17]采用理论分析与实验室研究相结合的方式开展平沟煤矿预测指标敏感性的研究。上述研究取得了丰富的成果，但也存在两方面问题：一是对预测指标敏感性的研究方法以实验室和理论分析为主，与现场实际的情况结合较少，更没有建立系统、全面的指标敏感性分析方法；二是所选择的预测指标不够全面、系统。本文以中国严重突出区域织纳煤田中岭煤矿3#煤层为研究对象，对防治煤与瓦斯突出细则中所规定的局部预测指标的敏感性进行了研究，基于3#煤层现场的实际情况，以实际突出规律和特征为基础，建立了系统、全面的突出危险性局部预测指标敏感性分析方法，并通过现场实际考察确定出了局部预测指标的敏感性程度，以让读者了解突出危险性局部预测指标敏感性现场研究方法。

1 敏感指标考察标准建立

1.1 中岭煤矿煤与瓦斯突出特征

中岭煤矿一井从建矿至今共发生了9次煤与瓦斯突出事故，基于对其突出资料的统计和分析，中岭煤矿的突出具有如下特征：①所有突出均是发生在断层附近，通过在现场对断层附近煤层的观察，煤层层理紊乱，呈鳞片状，其煤体受搓揉之后重新被压实，煤体较软，同时经过对断层带附近3#煤层瓦斯基本参数的测定，其瓦斯含量较大，达到了14 m3/t，煤体放散初速度较大，坚固性系数较小；②突出过程中瓦斯涌出量较大，所以3#煤层的突出是以瓦斯为主导作用的突出；③发生突出区域，有一定的应力集中现象。

基于上述中岭煤矿煤与瓦斯突出的特征可得出中岭煤矿煤与瓦斯突出具有如下规律：①存在有构造的地方(断层、煤层厚度变化较大处)其突出危险性较非构造带要大；②3#煤层的突出危险性会随煤层内瓦斯含量的增加而增加；③3#煤层应力集中带内，所发生突出的危险性较原始应力带及卸压带内要大。

1.2 预测指标敏感性分析标准

预测指标所反映出煤层的真实煤与瓦斯突出危险性程度，直接决定了煤与瓦斯突出危险性预测的敏感程度，因此，根据岭煤矿煤层煤与瓦斯突出规律，可建立如下中岭煤矿煤层煤与瓦斯突出危险性局部预测指标敏感性分析标准：①考察各预测指标随煤层瓦斯赋存变化而变化的情况，如果指标测定值随瓦斯的增大而增大，证明该指标是敏感的，否则不敏感；②考察各指标随煤层赋存变化而变化的情况，如果指标测定值在煤层赋存异常区域较正常区域明显增大，证明该指标是敏感的，否则不敏感；③考察各指标随地应力的变化情况，如果指标测定值在应力集中区域内较正常区域或卸压区域内明显增大，证明该指标是敏感的，否则不敏感。

2 预测指标敏感性现场考察研究

根据防治煤与瓦斯突出细则[6]规定其工作面预测的方法主要有钻屑指标法、复合指标法、R值指标法，其所涉及的预测指标主要有K1(钻屑解吸指标)或Δh2、q(钻孔瓦斯涌出初速度)、S(钻屑量)，因此本次在对局部预测指标敏感性考察时，所考察的指标为K1、q、S。同时，根据建立的局部预测指标敏感性分析标准，在现场开展预测指标敏感性实验时，选择了三处实验地点：一是构造区域，在该区域内考察各指标在煤层构造区域与正常区域测定值的变化情况；二是指标随瓦斯赋存变化考察区域，在该区域内考察各指标随瓦斯变化而变化的情况；三是应力集中区域，在该区域内考察各指标随地应力变化而变化的情况。通过现场的实际考察，以确定出各指标对煤层突出危险性预测的敏感性。

2.1 局部预测指标随地质构造变化情况考察

根据所施工的前探钻孔，在12033运输巷发现有一断层，通过对施钻返回的钻屑情况分析，靠近断层处钻屑颗粒明显变小，并伴有大量粉末状煤体，并且其钻屑颗粒强度明显较低，可断定断层对其附近的煤层有明显的破坏作用，因此各指标随地质构造的变化情况的考察选择在该区域进行，其考察结果如图1～图3所示。

图1 q在构造区域与正常区域测定值变化曲线Fig.1 Change curve of measured value of qin structural area and normal area

图2 K1构造区域与正常区域测定值变化曲线Fig.2 Change curve of measured value of K1in structural area and normal area

图3 S构造区域与正常区域测定值变化曲线Fig.3 Change curve of measured value of Sin structural area and normal area

本文从两个方面对现场测试数据曲线进行分析，一方面是从测试数据变化趋势来看，钻孔瓦斯涌出初速度指标q在构造区域与正常区域的测定值没有明显的变化，钻屑量指标S在构造区域的值大于正常区域，而钻屑解吸指标K1在构造区域与正常区域的测定值变化明显；另一方面是从预测结果来看，钻屑解吸指标K1在构造区域的预测结果为具有突出危险性，这与在施工预测钻孔期间，第9循环(构造区域)出现了轻微的顶钻动力现象相一致，在正常区域预测为无突出危险性，这也与施工钻孔期间在正常区域无明显异常现象相一致，预测的结果代表了煤层的真实突出危险性。 而钻屑量指标S、钻孔瓦斯涌出初速度指标q的测定值均未超过其临界值6 kg/m、6 L/(m·min)，在构造区域、正常区域的预测结果均为无突出危险性，显然这与实际情况是不相符合的，这两项指标的预测结果未能代表煤层的真实突出危险性；但钻屑量S可反映出构造破坏区域与正常区域的区别，通过对钻屑量S的分析可提前预知煤层受构造破坏区域，并且受构造破坏区域为煤层煤与瓦斯突出高发区域。

2.2 局部预测指标随瓦斯赋存变化情况考察

瓦斯含量是反映煤层瓦斯赋存情况的重要指标，因此在考察各预测指标测定值随煤层瓦斯赋存情况变化时，以瓦斯含量作为基础对比分析指标。在12033运输巷选择了一段200 m长度的区域，开展了局部预测指标测定值随瓦斯含量的变化情况的考察工作，在每预测循环取3组煤样测试瓦斯含量数据，并选择最大值作为本循环的代表性的数据。在该实验区域内开展了各指标现场实验数据的测试，选取每一循环的各个指标的所测得的最大值作为本循环该指标的代表值，并将各指标的实验数据与瓦斯含量实验数据进行了作图对比，其结果如图4～图6所示。

图4 q测定值随瓦斯含量变化曲线Fig.4 Change curve of q with gas content

图5 K1测定值随瓦斯含量变化曲线Fig.5 Change curve of K1 with gas content

图6 S测定值随瓦斯含量变化曲线Fig.6 Change curve of S with gas content

在本节采用了相同的方法对指标的敏感性进行了分析。从测试数据变化趋势来看，钻屑量指标S、钻孔瓦斯涌出初速度指标q测定值随瓦斯含量W变化没有明显的变化，而钻屑解吸指标K1测定值与瓦斯含量W存在着较为一致的变化趋势。从预测结果来看，根据瓦斯含量W的预测结果(其临界值为8 m3/t)，前4循环均预测为存在有突出危险性，其他循环均为无突出危险性，这与钻屑解吸指标K1预测结果相一致，而与钻屑量指标S、钻孔瓦斯涌出初速度指标q所有循环预测结果均为无突出危险性不相符合。这也说明了钻屑解吸指标K1较好地反映了煤层的真实突出危险性，而钻屑量指标S、钻孔瓦斯涌出初速度指标q未能代表了煤层的真实突出危险性。

2.3 局部预测指标随地应力变化情况考察

在12033运输巷的部分区域，由于受到上部12013采空区的影响，在采空区边缘处以外会形成一个应力集中区域，在该区域内地应力会明显增大，各预测指标随地应力的变化情况，选择在了该区域进行考察，考察巷道长度100 m，根据以往生产经验，应力集中区域的长度大约为30 m。其测试结果如图7～图9所示。

图7 q测定值随地应力变化曲线Fig.7 Change curve of q with ground stress

图8 K1测定值随地应力变化曲线Fig.8 Change curve of K1 with ground stress

图9 S测定值随地应力变化曲线Fig.9 Change curve of S with ground stress

从测试数据变化趋势来看，钻孔瓦斯涌出初速度指标q在应力集中区域与正常应力区域的测定值没有明显的变化；钻屑量指标S在应力集中区域的测定值略大于正常区域；而钻屑解吸指标K1在应力集中区域与正常应力区域的测定值变化明显。从预测结果来看，钻屑解吸指标K1在应力集中区域的预测结果为具有突出危险性，这与在施工预测钻孔期间，第3循环(应力集中区域)出现了卡钻动力现象相一致，在正常区域预测为无突出危险性，这也与施工预测钻孔期间在正常区域无明显异常现象相一致，预测的结果代表了煤层的真实突出危险性。而钻屑量指标S、钻孔瓦斯涌出初速度指标q对应力集中区域、正常应力区域的预测结果均为无突出危险性，显然这与实际情况是不相符合的，这两项指标的预测结果未能代表煤层的真实突出危险性；但钻屑量S可反映应力集中区域与应力正常区域的区别，通过对钻屑量S的分析可提前预知煤层地应力异常区域，并且应力异常区域也是煤与瓦斯突出高发区域。

2.4 预测指标敏感性分析

通过上述对预测指标敏感性的现场实验、分析，发现q测定值随地质构造、瓦斯含量、地应力均未出现明显的变化，这也就意味着该指标随煤层的突出危险性未出现明显的变化，同时其预测的结果与煤层实际突出危险性不相符，其对煤层的突出危险性预测敏感性最差；钻屑量指标S在构造破坏区域、应力集中区域测定值均会增加，虽然其测定值未超过临界值，但通过钻屑量S测定值仍可提前预知煤层内受构造破坏区域，以及地应力异常区域，而这些区域均是煤与瓦斯突出高发区域，所以钻屑量S对煤层的突出危险性预测具有一定的敏感性；K1测定值与煤层的突出危险性趋势保持一致，同时其预测结果与煤层实际的煤与瓦斯突出危险性相符合，反映了煤层的真实突出危险性，对于煤层进行煤与瓦斯突出危险性预测时是敏感的，可作为日常预测指标使用。 因此，综合上述分析，选择K1作为中岭煤矿3#煤层的主要预测指标，S值作为辅助预测指标。

3 结 论

1) 基于现场煤与瓦斯突出的客观规律，提出了一套局部预测指标敏感性现场实际考察的方法，以矿井所发生的实际煤与瓦斯突出特征为基础，分析得出煤层实际发生煤与瓦斯突出的规律，揭示控制煤层煤与瓦斯突出的关键因素，以此为基础建立煤与瓦斯突出的局部预测指标敏感性分析标准。

2) 以中国严重突出区域织纳煤田中岭煤矿为例，现场实际考察了钻屑量指标S、钻孔瓦斯涌出初速度指标q、钻屑解吸指标K1与煤层地质构造、地应力、瓦斯赋存情况的相关关系。从各指标测定值随煤层实际突出危险性的变化趋势，以及各指标预测的煤与瓦斯突出危险性结果两个方面进行了分析，结果表明，q对煤层突出危险性预测敏感性最差，S可反映出潜在的突出危险区域，对煤层突出危险性预测具有一定敏感性。K1对煤层的突出危险性预测最为敏感；选择K1作为中岭煤矿3#煤层的主要预测指标，S作为辅助预测指标。