寺河煤矿东井3 号煤层突出预测敏感性指标研究

郭鑫

（晋能控股装备制造集团有限公司 寺河煤矿，山西 晋城 048200）

0 引 言

目前，矿井深部开采已成趋势，高地应力、高瓦斯压力造成的煤与瓦斯突出危险对工作面安全开采造成巨大的隐患。如何去进行煤与瓦斯突出危险的预测显得尤为重要，确定煤与瓦斯突出预测指标临界值是预测的核心和定量指标[1-3]。矿井依托现场的实际情形初步确定煤与瓦斯突出危险的临界值，但在安全、经济的原则下，需要进一步实验和研究，得到能准确指导现场工作的结果。因此，本文开展煤层突出预测敏感性指标的研究，以期为煤与瓦斯突出矿井提供理论支持，从而保证矿井的安全开采。

1 瓦斯赋存规律

1.1 矿井基本概况

晋城矿区现主采3 号煤层，煤层平均厚度为6.6 m，倾角为6°，属于近水平煤层。主要采用综采开采，直接顶板为泥砂互层，随采随冒，基本顶为细砂岩，煤层底板为砂质泥岩与炭质泥岩互层。目前，寺河东井区南部区块3 号煤层已大面积开采，采空范围较大，现主采北部区块东五盘区煤层。以井底标高+350 m 作为水平标高，2022 年现场实施煤层取样进行瓦斯参数基本测定，测定结果为东井区矿井绝对瓦斯涌出量为1 117.06 m3/min，相对瓦斯涌出量为95.82 m3/t，回采工作面最大瓦斯涌出量为58.29 m3/min，掘进面最大瓦斯涌出量为9.43 m3/min，属于突出矿井。

1.2 3 号煤层瓦斯基本参数测定

选取了东五中部瓦斯抽采措施二巷、东五东翼回风三巷、东六瓦斯抽采模块一巷共3 个测试点开展软硬煤工业分析、密度大小和孔隙率测试，以下简称东五二巷、东五一巷及东六一巷，见表1，煤样吸附常数及突出指标测定见表2。

表1 3 号煤层煤工业分析、真假密度和孔隙率Table 1 Coal industrial analysis,true and false density and porosity of No.3 coal seam

表2 3 号吸附常数及突出指标测定结果Table 2 No.3 adsorption constant and prominent index determination results

寺河煤矿东井3 号煤层原生硬煤所测煤样水分为2.48% ～3.06%，灰分为5.36% ～15.36%，挥发分为9.73% ～13.14%，孔隙率为5.59% ～5.92%；软分层煤所测煤样水分为2.04%～2.59%，灰分为12.26% ～16.56%，挥发分为11.39% ～17.25%，孔隙率为5.43%～5.72%。

寺河煤矿东井区3 号煤层原生硬煤所测煤样瓦斯放散初速度ΔP 为36 ～50 mmHg，构造软煤瓦斯放散初速度P 为47 ～50mmHg，两者均超过临界值10 mmHg，属于易发生煤与瓦斯突出煤层。

寺河煤矿东井区3 号煤层原生硬煤所测煤样坚固性系数f 为1.15 ～1.99，坚固性指标超过0.5；而软分层煤的硬度低坚固性系数f 为0.21 ～0.42，坚固性系数小于临界值0.5，说明瓦斯突出更容易发生在软分层。

2 煤岩解吸实验

为了获取3 号煤层的解吸规律，实验室开展了钻屑解吸指标测定实验，分别在0.74、1、2、3、4 MPa 吸附平衡压力下开展实验。同时，为了保证测试结果的无关联，当K1值和Δh2值测试时采取两套仪器进行平行实验，取最大值作为最终的实验结果。

在相同的吸附平衡压力下开展煤样解吸实验，考察煤样在120 min 内的瓦斯解吸规律，结合K1值和Δh2值的意义，考察在第1 min 和第4 ～5 min的瓦斯解吸量，从而与K1值和Δh2值相互验证。

根据图1、图2 所示，无论硬煤与软煤瓦斯解吸量都随着时间推进而递增，但是斜率变化即为瓦斯解吸速率在0 ～10 min 最大，随后降低直至不变；同时，同一时刻，随着吸附平衡压力的增大，煤样的解吸量增大，说明了此时解吸速率也更大。在相同时间、地点的条件下，软煤的解吸量大于硬煤，说明了软煤的解吸速率高于硬煤；一段时间后，软分层煤的解吸曲线趋更加趋于平缓，软分层煤的解吸速度会比原生煤变慢。

图1 硬煤解吸实验结果Fig.1 Desorption experimental results of hard coal

图2 软煤解吸实验结果Fig.2 Soft coal desorption experimental results

为了进一步研究3 号煤层初始解吸量与累积量的关系，在吸附平衡压力为0.74、1、2、3 及4 MPa 作用下，开展第1、4 及5 min 的解吸量及120 min 内累积量统计，并计算出对应的占比（表3）。

表3 3 号煤初始解吸量与累计量的关系Table 3 Relationship between initial desorption amount and cumulative amount of No.3 coal

东五二巷硬煤第1 min 初始瓦斯解吸量为第4～5 min 的2.42 ～7.35 倍，东五二巷软煤第1 min初始瓦斯解吸量为第4 ～5 min 的12.25 ～24.50倍，东六一巷硬煤第1 min 初始瓦斯解吸量为第4～5 min 的0.55 ～3.43 倍，东六一巷软煤第1 min的瓦斯解吸量为第4 ～5 min 的13.37 ～25.65 倍。

综合可知，原生硬煤和软分层煤第1 min 解吸量占120 min 累计量的平均比例分为16.06%和37.22%，相差很大；原生硬煤和软分层煤第4 ～5 min 解吸量占120 min 累计量的平均比例分为5.13%和2.21%，相差并不大。

国内外很多学者研究已经证明煤样第1 min 和第4 ～5 min 的瓦斯解吸量与平衡压力之间存在着幂函数关系，将各煤样拟合关系作于图3 中，并将拟合函数列于表4。

图3 煤样不同时间瓦斯解吸量与压力曲线Fig.3 Gas desorption and pressure curves of coal samples at different time

表4 不同时间解吸量与压力的拟合关系Table 4 Fitting relationship between desorption amount and pressure at different time

本文取粒径在1 ～3 mm 的原生煤和构造煤的钻屑在实验室进行了不同压力下的实验，最终得到了钻屑解吸K1指、Δh2标与压力的拟合关系见表5。

表5 钻屑解吸K1 指、Δh2 标与压力的拟合关系Table 5 Fitting relationship between desorption K1,Δh2 and pressure

4 东井区3 号煤层瓦斯突出预测指标敏感性与临界值

4.1 3 号煤层瓦斯突出区域预测指标敏感性分析

根据软分层煤样的工业分析和吸附常数的测定结果，取其平均值后带入式（1） 中做出绝对瓦斯压力与瓦斯含量关系如图4 所示。

图4 软煤绝对瓦斯压力与瓦斯含量曲线Fig.4 Curve of absolute gas pressure and gas content of soft coal

式中：V 为单位质量煤的孔隙容积，m3/t；p 为煤层瓦斯压力，MPa；T0, p0为标准状态下的绝对温度，℃和压力，MPa；ζ 为瓦斯压缩系数；a 为煤的极限瓦斯吸附量，m3/t；b 为吸附常数，MPa-1；t0为实验室测定煤吸附常数时的实验温度，℃；t 为煤层温度，℃；A、W 分别为煤的灰分和水分，%。

由此可知，3 号煤层瓦斯含量、绝对瓦斯压力及相对瓦斯压力分别为8.00、0.43 及0.33 MPa，考虑3 号煤层为高变质程度的无烟煤，最终确定寺河煤矿东井区3 号煤层的瓦斯含量指标对突出敏感性大于瓦斯压力。

4.2 3 号煤层瓦斯突出区域预测指标临界值确定

目前，针对于瓦斯突出区域预测指标临界值的确定，主要有采用经验公式确定最小的瓦斯压力临界值[6-7]，依据《防治煤与瓦斯突出细则》中瓦斯压力和瓦斯含量突出临界值确定及依据矿井区域突出预测指标临界值确定。

综合确定东井区3 号煤层区域突出预测和效果检验指标值为8 m3/t，包括构造带内瓦斯含量临界值为6 m3/t。

4.3 3 号煤层局部预测指标敏感性分析

在前节中发现实验室测定得到的原生硬煤和软分层煤相同压力下K1值差距很大，而两者相同压力下的Δh2值则差距不明显。为了能更好的对比软分层煤与原生硬煤突出预测指标的敏感性，特将实验室实测构造煤K1、Δh2与根据敏感指标与压力的函数关系推算得到相同压力下原生煤K1[8-9]、Δh2进行对比[10-11]，具体情况见表6、表7。

表6 软分层煤和原生硬煤K1 值指标差值Table 6 K1 value index difference between soft layered coal and primary hard coal

表7 软分层煤和原生硬煤Δh2 值指标差值Table 7 Difference of Δh2 value index between soft stratified coal and primary hard coal

综上所述，认为东井区3 号煤层的局部钻屑解吸指标K1值更加敏感，Δh2值指标次之。

4.4 3 号煤层局部预测敏感指标临界值确定

将煤层发生瓦斯突出的临界瓦斯压力代入构造煤钻屑解吸指标与压力的关系式中即可得出钻屑瓦斯解吸指标的临界值，具体情况见表8。

表8 钻屑解吸指标临界值确定Table 8 Determination of critical value of drilling cuttings desorption index

因此最终得到东井区3 号煤层局部突出危险性预测敏感指标为钻屑解吸指标K1值，临界值为0.50 mL/(g·min0.5)；指标Δh2值作为辅助指标，临界值为200 Pa。

5 东井区3 号煤层预测指标的现场验证

根据矿井现在瓦斯抽采和巷道掘进现状，矿井现在可供考察的区域已经均是经过瓦斯抽采的区域，主要的现场考察6 个地点，如图5所示。

图5 现场考察地点Fig.5 Site investigation site

东五区中部瓦斯抽放措施二巷主要是在1 号横川以里0 前方351 m 范围，东五区东翼瓦斯抽放二巷8 号横川以里5 m 前方310 m 范围，东六区瓦斯抽放模块一/ 二巷主要在瓦斯抽放模块一巷7 号横川以里56 m 处前方120 m 范围、瓦斯抽放模块一巷7 号横川以里0 前方120 m 范围、瓦斯抽放模块二巷7 号横川以里0 前方120 m 范围。瓦斯含量现场考察数据如图6 ～图8 所示。

图6 东五二巷瓦斯含量现场考察数据Fig.6 Field investigation data of gas content in East 52 roadway

图7 东五一巷瓦斯含量现场考察数据Fig.7 Field investigation data of gas content in East Wuyi Lane

图8 东六一/二巷瓦斯含量现场考察数据Fig.8 Field investigation data of gas content in East 61/2 roadway

3 个考察地点的瓦斯含量主要在6.54 ～7.85 m3/t 波动，因此瓦斯含量作为区域指标具有敏感性；在考察过程中测得瓦斯含量值均低于此次确定的临界值8 m3/t，在此过程中也未出现瓦斯动力现象，说明将瓦斯含量8 m3/t 作为临界值是合理的。

6 结 论

（1） 通过理论分析、实验测试和现场考察等确定了寺河煤矿东井3 号煤层区域敏感指标为煤层瓦斯含量，局部敏感指标为钻屑指标K1值。

（2） 寺河煤矿东井区域预测指标3 号煤层的瓦斯含量指标对突出更加敏感，瓦斯压力指标次之；综合确定东井区3 号煤层区域突出预测和效果检验指标值为8 m3/t，涵盖构造带煤层瓦斯含量临界值为6 m3/t。