煤巷掘进突出预测敏感指标及临界值研究

孙娈娈，王中华

(1.重庆能源工业技师学院, 重庆 400037； 2.中煤科工集团 重庆研究院有限公司, 重庆 400037；3.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室, 重庆 400037)

随着矿井开采深度的增加，煤与瓦斯突出危险性越来越严重[1-3]，突出灾害已成为严重威胁矿区安全生产的主要问题之一。确定煤巷掘进工作面突出危险预测敏感指标及临界值是煤巷局部防突的重要环节。但现有确定方法主要根据现场考察确定[4-7]，其临界值的合理性和精准性有待商榷。基于此，本文采用多种方法综合确定煤巷掘进工作面突出危险预测敏感指标及临界值，保证敏感指标及临界值的准确性。

1 试验区概况

试验地点为陕西某煤矿3#煤层21301工作面，3#煤层为煤与瓦斯突出煤层，该工作面采用走向长壁采煤法，综采工艺，全部垮落法管理顶板。21301回风顺槽设计长度1 111 m，运输顺槽设计长度1 088 m. 3#煤层位于山西组下部，煤层厚度0.35～2.5 m，一般厚度为1.6～1.8 m，平均厚度1.6 m，工作面煤层呈北东东—南西西走向，倾角倾向北西，煤层倾角7°～10°，平均8.5°，单斜构造，地质构造简单。3#煤层顶板为2.5～2.7 m砂质泥岩，底板为砂质泥岩及中粒砂岩。

试验区3#煤层实测最大瓦斯压力为1.26 MPa，实测最大瓦斯含量为9.8 m3/t，现场勘查煤的破坏类型为Ⅳ～Ⅴ类，实验室测试煤的瓦斯放散初速度ΔP=14～24、煤的坚固性系数f=0.11～0.22.

2 研究方案

1) 总体方案。首先现场考察初步确定3#煤层煤巷掘进工作面突出预测敏感指标及临界值，然后采用实验室验证和工程扩大验证的方法，综合确定3#煤层区域预测瓦斯含量临界值。

2) 现场考察方案。每次循环进尺前在掘进工作面迎头布置3个预测孔，孔深8～10 m，其中一个钻孔位于巷道中部与掘进方向一致，另外两个钻孔终孔控制巷道两帮轮廓线外2～4 m，钻孔尽量布置在软分层。指标临界值确定前暂按国家煤矿安监局印发的《防治煤与瓦斯突出细则》执行：钻屑量S0=6 kg/m、钻屑瓦斯解吸指标K10=0.5 mL/(g·min1/2)、钻孔瓦斯涌出初速度q0=5 L/min.

3 敏感指标及临界值研究

3.1 现场考察确定

经统计3#煤层21301回风顺槽掘进工作面钻屑量S值、钻屑瓦斯解吸指标K1值、钻孔瓦斯涌出初速度q值，均考察了115次循环，巷道累计掘进进尺381 m，各参数考察结果分别见图1，2，3.

图1 钻屑量Smax图

由图1可知，钻屑量S值考察期间均大于参考临界值的20%，指标值能够克服测定误差影响，钻屑量S具有敏感性。钻屑量最大值Smax分布范围为1.0～4.8 kg/m，主要集中在3～4 kg/m，经计算占预测次数的80%. 现场考察期间发现，21301回风顺槽发生了1次喷孔现象，喷孔时钻屑量最大值Smax为4.8 kg/m.

由图2可知，钻屑瓦斯解吸指标K1值考察期间均大于参考临界值的20%，指标值能够克服测定误差影响，钻屑瓦斯解吸指标K1值具有敏感性。钻屑瓦斯解吸指标最大值K1 max分布范围为0～0.48 mL/(g·min1/2)，指标主要集中在0.3～0.4 mL/(g·min1/2)，经计算占预测总次数的76%. 现场发现21301回风顺槽发生了1次喷孔现象，喷孔时钻屑瓦斯解吸指标K1 max为0.48 mL/(g·min1/2).

图2 钻屑瓦斯解吸指标K1max图

由图3可知，钻孔瓦斯涌出初速度q值波动范围较小，其数值主要集中1～2 L/mim，大多数明显小于临界值，指标值不能够克服测定误差影响。钻孔瓦斯涌出初速度qmax分布为0～4.0 L/mim，无超标现象，指标主要集中在1.0～2.0 L/mim，占预测总次数的90%.

图3 钻孔瓦斯涌出初速度qmax图

经上述分析，并考虑一定安全系数，21301回风顺槽掘进工作面钻屑量S值、钻屑瓦斯解吸指标K1值具有敏感性，初步确定临界值为4.5 kg/m、0.45 mL/(g·min1/2)，钻孔瓦斯涌出初速度q值不具有敏感性。

3.2 实验室验证

为了确定K1值的敏感性及临界值大小的准确性，在3#煤层取2个煤样进行瓦斯解吸特性K1-P关系测试，测试结果见图4.

图4 3#煤层煤样解吸特性K1-P曲线图

由图4可知，3#煤层瓦斯解吸指标K1随瓦斯压力P增加而增大，表明瓦斯解吸指标K1具有一定的敏感性。根据《防治煤与瓦斯突出细则》，当瓦斯压力≥0.74 MPa时，预测煤层具有突出危险性。因此，根据实验室测试的K1-P曲线，计算瓦斯压力P=0.74 MPa时，钻屑瓦斯解吸指标K1的大小，并与现场测试的钻屑瓦斯解吸指标K1的临界值进行比较，验证钻屑瓦斯解吸指标K1的临界值的准确性。

由图4可知，当瓦斯压力P=0.74 MPa时，带入钻屑瓦斯解吸指标K1的计算公式K1=0.440 0P0.653 5、K1=0.662 3P0.611 9可得，K1=0.36 mL/(g·min1/2)、K1=0.55 (mL/g·min1/2)，平均值为0.45 mL/(g·min1/2)，现场实测初步确定的钻屑瓦斯解吸指标临界值K1=0.45 mL/(g·min1/2). 由此表明，现场实测与实验室测试的钻屑瓦斯解吸指标K1临界值大小基本一致。

3.3 现场扩大验证

经统计3#煤层302运输顺槽掘进工作面钻屑量S值、钻屑瓦斯解吸指标K1值、钻孔瓦斯涌出初速度q值，均考察了149次循环，巷道累计掘进距离547 m，考察结果分别见图5，6，7.

图5 钻屑量Smax(扩大验证)图

由图5可知，钻屑量S考察期间均大于参考临界值的20%，指标值能够克服测定误差影响，钻屑量S具有敏感性。钻屑量最大值Smax分布范围为1.0～5.2 kg/m，主要集中在3～4 kg/m，经计算占预测次数的87%. 经现场发现302运输顺槽发生了2次喷孔现象，喷孔时屑量最大值Smax分别为4.6 kg/m、5.2 kg/m.

由图6可知，钻屑瓦斯解吸指标K1值考察期间均大于参考临界值的20%，指标值能够克服测定误差影响，钻屑瓦斯解吸指标K1值具有敏感性。钻屑瓦斯解吸指标最大值K1 max分布为0～0.48 mL/(g·min1/2)，指标主要集中在0.3～0.4 mL/(g·min1/2)，经计算占预测总次数的53%. 经现场发现302运输顺槽发生了1次喷孔、夹钻等瓦斯动力现象，喷孔时钻屑瓦斯解吸指标K1max均为0.48 mL/(g·min1/2).

图6 钻屑瓦斯解吸指标K1max(扩大验证)图

由图7可知，钻孔瓦斯涌出初速度q值波动范围较小，其数值主要集中1～2 L/mim，大多数明显小于临界值，指标值不能够克服测定误差影响，钻孔瓦斯涌出初速度q值不具有敏感性。钻孔瓦斯涌出初速度qmax分布范围为0～2.4 L/mim，无超标现象，指标主要集中在1.0～2.0 L/mim，占预测总次数的86%.

图7 钻孔瓦斯涌出初速度qmax(扩大验证)图

经实验室验证和工程扩大验证，21301回风顺槽掘进工作面钻屑量S值、钻屑瓦斯解吸指标K1值具有敏感性，其临界值为4.5 kg/m、0.45 mL/(g·min1/2)，钻孔瓦斯涌出初速度q值不具有敏感性，是合理可靠的。

4 结 论

本文采用实验室实验、现场考察和工程扩大验证的方法综合确定了21301回风顺槽掘进工作面敏感指标及临界值，得出钻屑量S值、钻屑瓦斯解吸指标K1值具有敏感性，其临界值分别为4.5 kg、0.45 mL/(g·min1/2)，钻孔瓦斯涌出初速度q值不具有敏感性，是合理可靠的。采用多种方法确定煤巷掘进工作面敏感指标及临界值对突出煤层煤巷掘进工作面预测具有一定的借鉴意义。