大宁煤矿3号煤层局部突出预测指标敏感性研究

王向军

(山西华润大宁能源有限公司大宁煤矿，山西晋城048114)

大宁煤矿3号煤层局部突出预测指标敏感性研究

王向军

(山西华润大宁能源有限公司大宁煤矿，山西晋城048114)

煤与瓦斯突出局部预测对矿井的防突工作十分重要，本文根据大宁煤矿3号煤层的实际情况，进行实验室和现场考察相结合的研究，分析认为:相同压力下构造煤的实测K1值与原生煤之间的差距更显著，而两者实测Δh2值的差距并不是很明显;钻屑解吸指标K1值在地质异常区波动浮动很大，并且随构造煤厚度的变化K1值也会相应波动，而钻屑量S值则变化均不明显;因此，最终认为大宁煤矿3号煤层的突出预测指标K1值更敏感，确定在进行矿井突出局部预测时应首选K1值。本文所提出的局部突出预测指标敏感性分析的方法，可为类似矿井瓦斯突出预测和防治工作提供一定借鉴。

煤与瓦斯突出;原生煤;构造煤;钻屑瓦斯解吸指标;钻屑量

目前煤炭资源是我国最主要的能源储备，能源资源结构呈现出明显的“富煤、贫油、少气”的特点，使煤炭资源在相当长的一段时间内仍将作为最重要的主体能源，在经济和社会发展中起到其他资源无法替代的作用。我国煤矿的开采深度正在以每年10～20 m的速度向深部延深，开采煤层的地应力增大、瓦斯压力和瓦斯含量增加，再加上我国煤矿地质条件复杂，导致瓦斯灾害特别是煤与瓦斯突出灾害日趋严重［1］．煤与瓦斯突出是地应力、瓦斯压力和煤体物理力学性质等多因素综合作用的结果［2－3］．要准确地判断煤与瓦斯突出，就需要寻找合适的突出预测指标用于指导现场突出预测及防治工作。

突出预测指标就是指在矿井做突出危险性预测时，能够用来客观反映煤层突出危险性程度，并准确地预测指定范围内突出危险性的相关参数指标。国内目前局部突出危险性预测指标主要有综合指标K和D、钻屑瓦斯解吸指标K1和Δh2值、钻屑量指标S值以及钻孔瓦斯涌出初速度q值等。很多学者对于局部敏感指标的敏感性分析多采用聚模糊法、灰色关联法、隶属函数、迫近度等数学统计方法［4－5］，通过对现场实测数据的分析并结合现场瓦斯动力现象等，最终得出不同敏感指标对瓦斯突出的敏感程度。然而由于国家新规定的出台和实验室、现场考察等条件的限制，原有的局部突出预测指标敏感性分析方法有些已经不再适用。因此，本文结合大宁煤矿3号煤层的实际情况，提出了局部突出预测指标敏感性分析的新方法，为类似矿井瓦斯突出预测和防治工作提供了一定借鉴。

1 煤样与实验方法

大宁煤矿主采煤层山西组3号煤层，为煤与瓦斯突出煤层;煤层软硬分层现象明显，煤层厚度为4.5 m，在中下部分布着0.2～0.5的软分层，局部地点更厚;原生煤的坚固性系数1～2，构造煤仅为0.2～0.5．具体见图1．

由图1可以看出，原生煤光泽明亮，层理清晰，而构造软分层光泽暗淡，节理紊乱。为了能更好地获得钻屑解吸指标的规律，从现场2个地点分别获得了原生煤和构造煤煤样，并将煤样制成1～3 mm的颗粒。首先将制好的1～3 mm各煤样的颗粒分别装入煤样罐中，在恒温60℃的条件下真空抽气24 h;然后向煤样罐中充入99.9%CH4气体，并将煤样罐置于30℃恒温水浴中，吸附平衡2～3天，待压力表读数不再变化后记录瓦斯压力;取出煤样罐迅速打开，并记录时间，利用WTC钻屑瓦斯参数测定仪和MD－2型钻

屑瓦斯解吸仪分别测定K1值和Δh2值。

图1 现场原生煤与构造煤分层现象图

相同煤样均测定5个不同压力下的吸附平衡的钻屑解吸指标值，吸附平衡压力分别位于0～1 MPa、1～ 2MPa、2～3MPa、3～4 MPa、4～5 MPa区间内;同时为了保证测定结果的准确性，在进行指标测定时，对于K1值和Δh2值分别采取两套仪器进行平行实验，取2套仪器中测定结果的较大值为最终的实验结果。

2 突出预测指标敏感性实验室分析

实验室发现，对于同一组煤样的钻屑瓦斯解吸指标K1、Δh2均是随着平衡压力的提高而增大。为了更好地分析钻屑瓦斯解吸指标K1、Δh2的敏感性，将同一组煤样的钻屑瓦斯解吸指标K1、Δh2与压力的关系作图并拟合关系，见图2．

图2 煤样实验室钻屑解吸指标值与压力的关系曲线图

通过拟合得出，各煤样实测K1值、Δh2值分别与压力具有较好的幂函数关系，相关指数也比较高。由图2可知，相同压力下构造煤的实测K1值与原生煤之间的差距更显著;而相同压力下构造煤实测Δh2值与原生煤之间的差距并不是很明显。

针对大宁煤矿原生煤与构造煤共生的地质条件采取了新的方法，综上可以发现实验室测定得到的原生煤和构造煤相同压力下K1值差距很大，而两者相同压力下的Δh2值则差距不明显。

为了能更好地对比相同地点构造煤与原生煤突出预测指标的敏感性，将实验室实测构造煤K1、Δh2值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、Δh2值进行对比，具体情况见表1，2．

表1 相同地点原生煤与构造煤K1值指标差值表

表2 相同地点原生煤与构造煤Δh2值指标差值表

根据表1可知，对比实验室K1值构造煤与原生煤之间的差距很大，绝对差平均值两者差距达52.85%和51.22%;根据表2可知，对比实验室Δh2值构造煤与原生煤之间的差距不大，绝对差平均值两者差距达13.80%和8.38%．而与原生煤相比构造煤更容易发生突出，这说明K1值指标对突出具有很高的敏感性;而两者之间Δh2值的差距却不是很敏感。

3 突出预测指标敏感性现场考察

由于大宁煤矿在巷道掘进前，已经布置了大量的水平定向长钻孔对计划进行掘进的煤层进行1～1.5年的瓦斯预抽。因此，在对瓦斯突出危险区域进行预测验证时，无法对原始煤体的瓦斯突出危险性进行验证，仅能对经过预抽后的煤体进行突出危险性的验证。对于现场钻屑解吸指标K1值和钻屑量S值的敏感性，原计划通过结合现场瓦斯动力现象和参数测定结果，利用“三率法”进行指标敏感性的考察，但是在指标考察的过程中，仅在个别地点有动力现象，因此，并不能利用“三率法”进行大量的数据分析。

通过对比所有考察地点的情况，认为在以下两种情况下经过预抽后的煤层的突出危险性会更大一些: a)地质构造存在的地方。这些地方由于地质构造对钻孔的阻碍作用，会使钻孔对该区域瓦斯的预抽不够充分。b)构造软分层存在的地方。矿井主要施工的顺层长钻孔，由于软分层的透气性较差，软分层的存在会使瓦斯的预抽相对较弱。

1)2采区(22－31区段)的4号横贯、5号横贯、6号横贯。该区域构造煤最少，仅在地质构造附近存在少量构造煤;在巷道的一段距离内存在着2条平行的断层(F9和F9－1断层)，并与3条横贯相互垂直。本次统计了6号横贯的首次区域验证时测定的钻屑解吸指标K1值、实施局部措施后的最终测定的K1值、钻屑量S值巷道与空间位置的关系，具体关系见图3．

图3 6号横贯K1值、S值与巷道空间位置的关系图

由图3可知，钻屑解吸指标K1值在地质异常区波动浮动很大，范围在0.3～1.6 mL/(g·min0.5);而在地质正常带内K1值相对较平稳，范围在0.2～ 0.4 mL/(g·min0.5)，仅在个别地点存在较大值为0.72 mL/(g·min0.5)，从统计学的角度来说这也是没问题的。而钻屑量S值在地质异常区和正常区变化均不大，而且分布稳定在2～3 kg/m．在地质异常带煤层局部具有突出危险性更大，可以得出K1值能够更好地反应煤与瓦斯突出的危险性。因此，对比钻屑解吸指标K1值和钻屑量S值，K1值对突出危险的敏感性更高，S值次之。

2)220区(01－07横贯)的2201巷、2202巷和2203巷。该区域内2201巷、2202巷和2203巷3条巷道均在局部地点存在构造软分层，2201巷的构造煤分布较多，厚度为0.1～0.5 m．本次统计2201巷道从01横贯4.7 m至06横贯41 m所有巷道掘进首次测定(即不包括施工局部措施后再次校检的结果)的钻屑解吸指标K1值、钻屑量S值和构造煤厚度分布的情况，共计82组数据，具体关系见图4．

图4 2201巷K1值、S值和构造煤厚度的关系图

由图4可知，随构造煤厚度的变化，钻屑解吸指标K1值也会相应波动，而钻屑量S值却保持稳定。当构造煤厚度＜0.3 m，钻屑解吸指标K1值主要分布在＜0.4 m L/(g·min0.5)的范围内;在30～40号测定范围内，当构造煤厚度在0.3～0.5 m变化时，K1主要变化范围在0.6～1.0 mL/(g·min0.5)．而在整个考察范围内，不论构造煤厚度是否变化，钻屑量S值均在2～3 kg/m范围内波动。构造软分层增厚的地方是煤与瓦斯突出的高发地点，可以得出K1值能够更好地反应煤与瓦斯突出的危险性。因此，对比钻屑解吸指标K1值和钻屑量S值，K1值对突出危险的敏感性更高，S值次之。

因此，综合实验室和现场的结果认为，大宁煤矿3号煤层的突出预测指标K1值更敏感，而Δh2和S值次之，在进行矿井突出局部预测时应首选K1值。

4 结论

本文结合大宁煤矿3号煤层的实际情况，提出局部突出预测指标敏感性分析的新方法，并得到如下结论:

1)实验室发现，相同压力下构造煤的实测K1值与原生煤之间的差距更显著，而两者实测Δh2值的差距并不是很明显;K1值构造煤与原生煤之间的绝对差平均值两者差距达52.85%和51.22%，而两者的Δh2值的绝对差平均值两者差距为13.80%和8.38%;因此，K1值指标对煤与瓦斯突出具有很高的敏感性，Δh2值指标次之。

2)现场统计发现，钻屑解吸指标K1值在地质异常区波动浮动很大，而在地质正常带内K1值相对较平稳，钻屑量S值在地质异常区和正常区变化均不大;随构造煤厚度的变化，钻屑解吸指标K1值也会相应波动，而钻屑量S值却保持稳定。

3)综合实验室和现场的结果认为，大宁煤矿3号煤层的突出预测指标K1值更敏感，而Δh2和S值次之，在进行矿井突出局部预测时应首选K1值。

［1］程远平．煤矿瓦斯防治理论与工程应用［M］．徐州:中国矿业大学出版社，2010:6－20.

［2］胡殿明，林柏泉．煤层瓦斯赋存规律及防治技术［M］．徐州:中国矿业大学出版社，2006:11.

［3］俞启香，程远平．矿井瓦斯防治［M］．徐州:中国矿业大学出版社，2012:16－18.

［4］陈建忠，王兆丰，尹建国，等．潘三矿C13－1煤层突出预测指标敏感性分析［J］．煤矿安全，2010(9):112－115.

［5］翟清伟，程远平，王亮，等．祁南煤矿7－2煤层钻屑瓦斯解吸指标敏感性分析［J］．中国煤炭，2012(1):88－91.

Research on Partial Outburst Prediction Index Sensibility of No．3 Coal Seam in Da＇ning Coal Mine

W ANG Xiangjun

It is very important of partial prediction of coal and gas outburst for outburst control．Bases on the actual situation of No．3 coal seam，conducts integrated research on laboratory experiments and field investigation．The analysis points out that the measured values of K1between deformed coal and raw coal are more different under the same pressure，and the difference of themeasured values ofΔh2is notobvious．The values of K1obviously changes in geologic anomaly zone，and also changing with the change of deformed coal thickness．However the change of drilling cuttings weight values S is not obviously．Therefore the index K1ismore sensitive for coal and gas outburst，and it is ensured to the first chioce on coalmine outburst partial risk prediction．Themethod of partial outburstprediction index sensibility provides a reference for similar coalmine on gas outburst prediction and prevention andtreatment．

Coal and gas outburst;Raw coal;Tectonic coal;Drilling cuttings gas desorption index;Drilling cuttingsweight

TD713

A

1672－0652(2015)09－0034－04

2015－07－06

王向军(1973—)，男，山西阳城人，2013年毕业于太原理工大学，助理工程师，主要从事煤矿瓦斯突出防治工作(E－mail)wangxiangjun2016@163．com