煤巷突出预测敏感指标及临界值的实验室测定方法及应用

蒋承林，俞启香，张超杰

（中国矿业大学 安全工程学院，江苏 徐州 221008）

煤巷突出预测经常遇到的问题是突出预测指标的敏感性和临界值随着煤层及其条件的改变而改变。因此，在生产中，直接选用《防突细则》规定的指标很有可能碰上选用的指标不敏感，导致预测结果不准确的情况发生。目前确定预测敏感指标和临界值的方法为“三率法”，即在煤巷掘进期间预测50～100 次，每次同时测定多项预测指标，从测定结果中选出那些能够同时满足预测突出率低于30%、预测突出准确率超过60%、预测不突出的准确率为100%这3 个条件的指标作为该煤层的敏感指标[1-3]。此方法不足之处在于：一方面，突出率的大小与实际预测区域的突出危险程度有关，这已经被一些矿井的实际情况证实[4]，对此作出一个低于30%的限制依据不足；另一方面，在敏感指标的测定和比较期间，掘进工作面处于不设防状态，现场的工人容易遭受突出的威胁。尽管也有一些专家提出通过试验给出钻屑解吸指标K1值的参考临界值[5]，但判别突出的指标未经过科学检验，也未与其他指标进行敏感度对比。还有一些将工作面打钻喷孔等瓦斯动力现象定义为突出[6-7]，这与实际的突出是有差异的，容易将打钻本身造成的现象归类于突出。因此，研究实验室测定突出预测敏感指标新方法，不但能避开突出的威胁，还可以给出更为客观的敏感指标及临界值。

1 煤层突出预测敏感指标实验室测定的原理

敏感指标是指对矿井特定煤层进行预测时，能明显区分出突出危险的预测指标[1]，这是定性的描述。预测敏感指标也可以用敏感度来定量描述，如在同一煤体内充入高压瓦斯和低压瓦斯，2 种条件下分别测定各个预测指标，将高压和低压瓦斯条件下在煤体内测定的预测指标值相比，得到各自的敏感度，这个数值越高则表明该预测指标越敏感。

实验室测定煤层突出敏感指标的关键是在实验室模拟复制出原煤层的软分层，决定原煤层是否突出的主要因素是工作面前方集中应力带或原始应力带中的软分层，这里地应力和瓦斯压力变化不大。这些软分层实际上是经过地质构造搓揉后重新压制成型的煤体。如果采集原煤样，按照一定的要求压制成型，并保证每次压制的方法与步骤一致，再分别充入不同压力的甲烷，即可构成性质与原煤层相同但突出危险性不同的软煤层，由此获得的敏感指标及临界值就可以用于原煤层。

2 突出预测敏感指标及临界值的实验室测定

2.1 煤样的采集

新景煤矿位于阳泉市西部，3#煤层位于山西组中部，煤层厚度平均2.26 m。根据重庆煤科院2016年9 月提交的《阳泉矿区瓦斯赋存规律研究阶段验收报告》，新景煤矿3#煤层最大的瓦斯压力为2.1 MPa，矿井巷道施工进入煤层以来，3#煤层先后发生了3 次煤与瓦斯突出。

在3#煤层北九巷道新暴露的煤层中，剥去表面煤体，采集软分层原煤样200～300 g，密封处理后带回实验室。然后又在软分层中采集煤样400～600 kg，用普通的煤样袋装运回实验室。

2.2 原煤样的水分测定及视密度测定

煤的水分会对软分层的吸附性能有一定的影响，软煤层复制前必须对原煤样的水分进行测定。新景煤矿3#煤层原煤样的水分测定结果见表1。

表1 新景煤矿3#煤层原始煤样的水分测定结果Table 1 Moisture determination results of Xinjing No.3 original coal samples

原始煤样的视密度采用MDMDY-300 型全自动密度仪进行测试。在原煤样中选取1 块直径大于10 mm 的软煤，利用电子天平称其质量（精度0.001 g），采用液体石蜡密封煤样的孔隙后引入氦气测定煤样体积，用煤样质量除以煤样的体积，即得煤样的视密度。3 次实验结果分别为1.363、1.359、1.357 t/m3，平均值为1.360 t/m3。

2.3 软分层的成型压力的确定

将原煤样破碎成6 mm 以下，放入直径42 mm煤样罐中，利用液压千斤顶对煤样压制，成型压力分别设置为10、15、20、25、30、35、40、45、50 MPa。每次压制稳定30 min 后，从煤样罐侧面打开堵头，用橡胶开孔器采集煤样，放入全自动密度仪测定型煤的视密度。成型压力下煤样视密度的测定装置如图1。松弛后煤样视密度与成型压力的关系如图2。 当成型压力小于20 MPa 时，型煤视密度随着压力的增加快速增长；当成型压力大于25 MPa后，型煤视密度几乎不再增加。在成型压力为32 MPa 时，成型煤视密度为1.36 t/m3，与新景煤矿的原煤样的视密度相近，因此将新景煤矿3#煤层软分层模拟复制的成型压力确定为32 MPa[8]。

图1 成型压力下煤样视密度的测定装置Fig.1 The device for measuring the apparent density of a coal sample under the forming pressure

图2 松弛后煤样视密度与成型压力的关系Fig.2 Relationship between apparent density of coal sample

2.4 软分层的压制

将400～600 kg 煤样筛分到6 mm 以下，以保留煤的原微结构。加入适量水将煤样的水分补充至与原煤样一致，在搅拌机中搅拌均匀后装桶密封。预测敏感指标测试平台示意图如图3，软分层在平台左边的长圆形缸体中进行压制。缸体内腔长1 120 mm，高330 mm，宽为220 mm，当采用直径42 mm的钻杆打钻后，在不发生喷孔的情况下，两边的煤体厚度约89 mm，大于破裂带的半径，打钻后短时间内瓦斯卸压圈不至于扩散到缸体边缘[9]。

图3 预测敏感指标测试平台示意图Fig.3 Schematic diagram of test platform for predictive sensitive indicators

为保证每次压制的煤样均匀一致，将试验煤样分5 次加入长圆形缸体，再推到压力机下压制，成型压力为32 MPa，稳定时长为30 min。长圆形缸体的端头用预制的水泥堵头进行密封。在第5 次压制时，压柱的下端加上密封圈，以保证测定过程不漏气。压制结束后用真空泵对软分层抽真空12 h，然后用压力机在煤体上施加围压（新景矿采样点埋深为470 m，对应的围压为11.75 MPa），向煤体内充入低压甲烷，吸附甲烷平衡时间为48 h，得到1 个突出危险性较小的软分层。重复压制步骤，充入高压瓦斯，则得到突出危险性较大的软分层。

2.5 煤层突出预测敏感指标的测定

在缸体的堵头处连接上预测煤巷突出的“线预测”装置（图3 右侧），在打钻过程中1 次可测定4 项预测指标。打钻开始后，漏斗中的煤屑向下流出与钻孔中出来的煤屑混合，充满整个煤屑排出管，迫使瓦斯气流沿着装有流量传感器的流量管排出，通过流量传感器与数据采集器记录钻孔中涌出的瓦斯流量，从而计算出单位长度钻孔瓦斯涌出量Q；在流量管下方的取样口定点采集煤样，用于测定钻屑解吸指标K1值和△h2；打钻过程中钻杆进入软煤的深度为1 m，收集打钻前后漏斗中和煤屑出口管处落下的煤屑，称重后得到钻屑量S。

钻孔打完后，清除缸体内的残余煤样，再重新压制一次煤样，按同样的要求抽真空12 h 并施加上与待测煤层同样的围压，但第2 次充入瓦斯的瓦斯压力较高，吸附平衡48 h 后按同样的方法和顺序测定这4 项预测指标。新景煤矿3#煤层突出预测指标敏感度测定结果见表2。

表2 新景煤矿3#煤层突出预测指标敏感度测定结果Table 2 Measurement results of relative sensitivity of outburst prediction index of No.3 coal seam in Xinjing Coal Mine

2 次测定的同一指标的比值即为该指标的敏感度。从表2 可以看出，2 次模拟软分层充入的瓦斯压力分别为0.263、0.811 MPa，突出危险性相差较大。但测定的煤屑解吸指标△h2分别为162.56 Pa 和259.45 Pa，△h2指标的敏感度为1.60；K1值的敏感度为1.72；最差的是钻屑量S，敏感度仅为1.20，属于非常不敏感的指标。单位长度钻孔瓦斯涌出量Q的敏感度达到3.26，说明单位长度钻孔瓦斯涌出量是最敏感的预测指标。

2.6 煤层突出预测敏感指标临界值的测定

最敏感的预测指标确定后，有2 种获得敏感指标临界值的方法：

1）通过突出模拟试验。专用的突出模拟装置缸体内径528 mm，内高390 mm，突出口直径达200 mm，突出模拟装置如图4。按同样的方法压制1 个厚度大于200 mm 的软分层，抽真空并充入瓦斯，然后突然打开横梁，造成突然暴露的条件。判断煤体发生突出的标准是横梁打开后，堵头自行推出，垮落的煤量占总煤量的5%以上[10]。通过调整充入瓦斯的压力，找到1 个最逼近突出的临界瓦斯压力值，再通过测试平台向模拟煤体充入同样高压力的瓦斯，即可测出该敏感指标的临界值。

图4 突出模拟装置Fig.4 The device of simulating outburst

2）测定反映煤层突出危险性的指标。在预测敏感指标测试平台中测定各个突出预测指标后，采集煤样后在同样的瓦斯压力和温度下测定其初始释放瓦斯膨胀能指标。初始释放瓦斯膨胀能是一项准确反映煤层突出危险性的指标，试验证明，当初始释放瓦斯膨胀能大于等于42.98 mJ/g 时，煤层可能发生瓦斯动力现象[11]。确定新景煤矿3#煤层突出临界值时，发现钻进速度会影响单位长度钻孔瓦斯涌出量的测定值，因此先按快速钻进的方式打钻测了8次，测点图标为正方形，后面又按慢速钻进的方式测定了4 次，单位长度钻孔瓦斯涌出量与膨胀能之间的关系如图5。

依据2 种钻速测定的结果，推导出把任一钻速时测得的单位长度钻孔瓦斯涌出量换算成快速钻进时对应数据的计算公式：

式中：Lz为快速钻进时对应的单位长度钻孔瓦斯涌出量，L/m；L 为任一钻速时测定的单位长度钻孔瓦斯涌出量，L/m；t 为任一钻速钻进1 m 钻孔用的时长，min。

快速钻进时测定的曲线与膨胀能42.98 mJ/g 的交点是47.60 L/m，表明在快速打钻时单位长度钻孔瓦斯涌出量的突出临界值就是47.60 L/m。将式（1）及快速钻进时的突出临界值输入到预测煤巷突出的“线预测”装置的数据采集器，由采集器内置的计算程序进行换算和判断后，即可以在新景煤矿的3#煤层进行突出预测。

3 突出预测敏感指标及临界值的现场验证与应用

现场测试工作在新景煤矿3#煤层北九煤层巷道进行，每个循环测定3 个钻孔的瓦斯涌出量，每个钻孔钻进深度10～12 m，可以获得9～11 个单位长度钻孔瓦斯涌出量数据，分别与47.60 L/m 对比。同时，每个循环还测定了3 个钻屑解吸指标值K1值和1 个钻屑量指标S，分别与规定的突出临界值（0.5 mL/（g·min0.5）和6 kg）进行比较。总共测定了50 个掘进循环，每次预测结果中只要有1 个位置的指标超标，就预测为有突出危险。但50 个预测结果中所有数据都低于临界值，预报无突出危险50 次，事后的掘进中均未见到任何瓦斯动力现象，共安全推进巷道约500 m，实际无突出危险50 次，预测无突出危险的准确率100%，这一结果说明预测的结果符合该煤层的实际情况。新景煤矿北九巷道煤层突出预测指标数据分布图如图6。

图6 新景煤矿北九巷道煤层突出预测指标数据分布图Fig.6 Distribution diagram of coal seam outburst prediction index in north ninth roadway of Xinjing Coal Mine

将这段预测巷道中各项预测指标的最大测定值与最小值比较，可以看出，K1值的敏感度为1.63，钻屑量为1.96。而单位长度钻孔瓦斯涌出量敏感度最大，达到5.81。现场测定的情况说明，单位长度钻孔瓦斯涌出量指标在新景煤矿3#煤层是最敏感的，其测定的临界值也是合适的。即经实验室模拟试验得到的最敏感指标及临界值在现场得到了验证，证明这种方法是有效的。

单位长度钻孔瓦斯涌出量预测指标可以区分有突出危险煤与无突出危险煤的关键在于其反映了地应力、瓦斯和煤体结构3 大突出的主要因素，即在钻孔过程中煤体暴露初期的涌出瓦斯量。钻屑指标法测量的瓦斯脱离了地应力作用，测量时已暴露几分钟，钻孔瓦斯涌出初速度测定的是停钻后在地应力作用下的瓦斯涌出，测定开始前煤层已暴露一段时间。无论钻屑还是钻孔瓦斯涌出初速度，瓦斯涌出的特征是煤暴露初期最大，以后急剧减小。钻屑解吸指标和钻孔瓦斯涌出初速度测定的瓦斯信息均是在煤体暴露几分钟以后的静态数据，故其敏感度钝化、测值降低。而单位长度钻孔的瓦斯涌出量是测定钻孔过程中地应力作用下暴露初期的钻屑和钻孔释放的瓦斯量之和，故其敏感度要比其它预测指标高得多。至于钻屑量指标，反映的主要是地应力和煤体强度，反映瓦斯压力的影响较少，故敏感度较差。

4 结 语

1）通过压制原煤层的软分层煤样，可以形成视密度和水分与原煤层软分层一致的模拟软分层，为突出预测敏感指标的实验室测定打下了基础。

2）在充入低压瓦斯和高压瓦斯的模拟软分层中打钻测定各项突出预测指标，得到各项预测指标的敏感度，通过比较可以优选出原煤层的最敏感指标。

3）在实验室通过突出模拟或测定煤样的初始释放瓦斯膨胀能，可以确定最敏感指标的突出临界值。

4）实验室测定的模拟软分层的敏感指标及临界值的方法，经现场验证证明是可行的，可以直接用于煤巷突出预测，避开了现场探测敏感指标过程中突出的威胁。