工作面突出危险性预测及效果检验是我国“四位一体”综合防突措施的重要内容,同时也是煤与瓦斯突出防治的最后一道“关卡”,国内煤矿多采用钻屑瓦斯解吸指标K1作为预测/效检指标,K1测试过程的便捷性在一定程度上提高了突出预测和效检效率,但在现场测试过程中也存在一些问题,最为引人关注的就是“低指标突出”现象[1],即进行工作面突出危险性预测或防突措施效果检验时,预测或检验指标虽处于临界值以下但在采掘作业过程中发生了煤与瓦斯突出的现象。阳泉矿区的寺家庄矿是“低指标突出”典型矿井,15号煤层构造煤广泛发育,且具有条带状分布的特点,构造煤特别是糜棱煤显著发育的南翼采区多次发生中型突出事故,突出发生地点的钻屑瓦斯解吸指标K1的测试结果多低于突出临界值,如2019年6月19日15203内错尾巷第4联络巷处因放炮诱发煤与瓦斯突出事故,突出煤量260 t,涌出瓦斯量为2.74 万m3,突出事故发生前K1值测试结果为0.33 cm3/(g·min1/2)。“低指标突出”现象引起了专家学者的注意,已有研究表明,钻孔布置、采样、操作和参数环境的改变是影响K1值测定误差的主要因素[2-4],但更深层次的技术原因并未厘清。构造煤是原生结构煤在构造作用下发生变形、破坏而形成的[5-9],国内外已有研究表明,绝大部分煤与瓦斯突出事故的发生与构造煤分布密切相关[10-14],构造煤发育区是煤与瓦斯突出防治的重点区域。笔者在对历史统计资料分析时发现,“低指标突出”现象的发生地点多为构造煤发育区,构造煤与原生煤瓦斯放散特征的显著差异已被诸多专家学者所证实[15-19],基于构造煤与原生煤的K1值测试及恒温瓦斯放散试验,从计算理论、钻屑混合、暴露时间3个方面对可能导致K1值测定问题的技术因素进行分析,尝试探索“低指标突出”现象的内在原因。
钻屑瓦斯解吸指标K1是预测煤层突出危险性的钻屑瓦斯解吸指标之一,综合反映煤层瓦斯含量及卸压初期瓦斯解吸速度的大小,将含瓦斯煤样暴露于大气环境下,用特定仪器测定钻屑试样在卸压初期一段时间(5 min)瓦斯解吸曲线的斜率表示,单位为cm3/(g·min1/2)。煤样的瓦斯解吸规律服从巴雷尔公式:
(1)
式中:t为煤样暴露时间,min;Q为单位质量煤样自暴露时刻起到t时刻的累积瓦斯解吸量,cm3/g。
煤样暴露时间ti按下式计算:
ti=t0+0.5i
(2)
式中:ti为煤样自放气开始至测量第i个数据时的暴露时间,min;t0为煤样自放气开始至开始测量解吸量的时间,min。
自煤样暴露t0时刻起的瓦斯解吸累积量与在t0时刻前煤样已解吸的瓦斯量符合下式:
(3)
式中:Qi为自煤样暴露t0时刻起至ti时刻的瓦斯解吸累积量,cm3/g;W为t0时刻前单位质量煤样的瓦斯解吸累积量,cm3/g。
令:
(4)
K1可按式(5)、式(6)、式(7)计算:
(5)
(6)
(7)
跟踪考察寺家庄矿4条掘进工作面的突出预测及构造煤发育情况,采用构造煤厚度这一指标来表征构造煤发育情况,并将单位长度内存在的构造数量定义为构造密度,其中所统计的构造包含断层、褶曲及陷落柱,以400 m巷道长度为一个研究区间,各区间内构造密度、构造煤厚度均值以及K1均值统计见表1,构造煤厚度及K1均值随构造密度变化情况如图1所示。
由图1可知,构造密度自0条/km增加至15条/km时,构造煤平均厚度自0.19~0.22 m增加至0.53 m,K1均值自0.32~0.37 cm3/(g·min1/2)增大至0.66 cm3/(g·min1/2),构造煤厚度及K1值与构造密度均呈正相关关系,即地质构造越发育,构造煤厚度越大,钻屑瓦斯解吸指标K1值亦越大。
为研究构造煤发育区钻屑瓦斯解吸指标K1值的测试结果,采集寺家庄矿15号煤层15106进风巷、15117回风巷构造煤与原生煤煤样,在实验室分别测定不同吸附平衡压力条件下的钻屑瓦斯解吸指标K1值,分析可知,随吸附平衡压力提高,构造煤与原生煤的K1值均呈增大趋势,相同吸附平衡压力条件下构造煤的K1值明显高于原生煤,为量化比较构造煤与原生煤在同一吸附平衡压力条件下的K1值差异,采用幂指数函数[20-21]对K1值与吸附平衡压力P进行拟合分析(图2)。
表1 寺家庄矿构造密度、构造煤平均厚度及K1平均值统计
Table 1 Statistical table of tectonic density,average thickness of tectonic coal and average K1 value of Sijiazhuang Mine
巷道区间编号区间长度/m构造数量/个构造密度/(条·km-1)构造煤平均厚度/mK1均值/(cm3·g-1·min-1/2)15106进风巷1400615.00.530.66240037.50.320.5015106回风巷140012.50.250.31240025.00.350.3815117进风巷140025.00.250.502400000.190.32340012.50.220.2815117回风巷1400000.220.37240012.50.260.25340012.50.300.25
图1 寺家庄矿构造煤厚度、K1值随构造密度变化情况
Fig.1 Variation of tectonic coal thickness and K1 value with structural density in Sijiazhuang Mine
图2 寺家庄矿不同煤样K1指标测试值与瓦斯压力P的关系
Fig.2 Relationship between K1 test value and gas pressure of different coal samples in Sijiazhuang Mine
吸附平衡压力均为0.74 MPa条件下,构造煤的K1值是原生煤的1.66倍。现场及实验室测试结果表明构造煤发育区的K1值明显高于非构造煤发育区,这与AQ 1065—2008《钻屑瓦斯解吸指标测定方法》中“局部预测钻孔和效果检验孔宜布置在软分层中”的要求相一致,笔者开展了构造煤与原生煤的恒温瓦斯放散试验,试图从构造煤与原生煤的瓦斯放散特征的差异中找到答案。
于寺家庄矿15号煤层15106进风巷、15117回风巷采集构造煤及原生煤煤样,编号并测试各煤样基本信息(表2),按照GB 474—2008《煤样的制备方法》规定,筛分出粒度为1~3 mm的煤样,干燥备用。
构造煤和原生煤的恒温瓦斯放散试验采用煤科院自主搭建的恒温瓦斯放散试验装置完成,装置由充气单元、脱气单元、温度控制单元和吸附-解吸单元组成(图3),煤样质量为50 g,气密性检测合格后在恒温水浴中充入CH4,吸附平衡至目标压力后(≥24 h)进行放散试验,记录自初始时刻起每分钟的瓦斯解吸量,并按照式(8)将瓦斯解吸量换算成标准状况下的体积。
(8)
式中:Qt为瓦斯解吸总量换算成标准状态下的解吸量,为解吸仪测得单位质量煤样的瓦斯解吸总量,cm3/g;tw为试验进行时的室温,℃;Patm为进行试验时的室内大气压力,Pa;hw为解吸仪内液柱高度,mm;P0为温度tw下的饱和水蒸气压力,Pa。
表2 煤样基本信息
Table 2 Basic information of coal samples
编号取样地点煤体结构类型工业分析灰分Aad/%水分Mad/%挥发分Vdaf/%真密度/(t·m-3)视密度/(t·m-3)孔隙率/%瓦斯放散初速度坚固性系数f1-D15117回风巷27测点以里111 m碎粒煤6.883.097.011.461.394.5528.90.381-N15117回风巷27测点以里111 m原生煤11.042.227.681.531.464.8029.10.612-D15106进风巷31测点以里110 m糜棱煤6.923.077.081.471.404.7529.20.342-N15106进风巷31测点以里110 m原生煤11.062.247.721.531.455.0031.60.63
图3 恒温瓦斯放散试验装置示意
Fig.3 Schematic diagram of constant temperature gas emission experiment device
恒温瓦斯放散试验能够得到煤样的瓦斯解吸量随时间的变化关系,可依据试验结果得到瓦斯放散曲线,钻屑瓦斯解吸指标K1值是采用巴雷尔公式对瓦斯放散初期数据进行最小二乘法拟合分析得到,自煤样暴露至测量结束这一时间间隔是研究重点,不妨取10 min的瓦斯放散过程为研究对象,为更直观反映巴雷尔公式对于瓦斯放散初期的适用程度,以t0.5为横坐标,以累积瓦斯解吸量为纵坐标,并进行线性拟合,结果如图4所示,拟合参数见表3。
寺家庄矿构造煤与原生煤的瓦斯放散初期曲线存在很大差异,采用巴雷尔公式对构造煤及原生煤煤样的瓦斯放散过程进行拟合,平均拟合度分别为0.737 5与0.993 7,由此可知,巴雷尔公式在构造煤的瓦斯放散初期适用性有限,这与部分学者的研究结论相一致[15-16],利用巴雷尔公式计算构造煤的钻屑瓦斯解吸指标K1值是有待商榷的。
表3 煤样恒温瓦斯放散试验数据拟合参数
Table 3 Fitting parameters of constant temperature gas emission test parameters
煤样编号吸附平衡压力/MPa拟合K1值/(cm3·g-1·min-1/2)拟合度平均拟合度1-D0.550.838 40.714 11.051.128 00.699 81.931.659 20.727 00.713 61-N0.710.650 00.994 01.050.793 70.991 91.561.003 40.995 80.993 92-D0.500.871 40.734 11.001.335 40.779 22.202.123 40.770 50.761 32-N0.420.510 60.988 21.050.687 40.993 32.070.850 90.998 80.993 4
造成“低指标突出”现象的原因既包含人员操作、仪器精度、钻孔布置等非技术方面因素,同时也包含理论误差、钻屑混合、暴露时间、临界值不合理等技术方面因素,对于前者,可采用加强管理、提高人员素质等手段予以消除,而对于后者,只能通过技术手段进行修正,“低指标突出”的技术原因亦是煤矿生产技术人员最为关心的问题。构造煤发育区是煤与瓦斯突出重点区域,亦是“低指标突出”现象频发区域,这一现象的发生既有偶然性,也有必然性,临界值不合理这一因素可通过现场考察确定,暂不讨论,现从计算理论、钻屑混合、暴露时间3个方面的技术因素进行分析。
1)计算理论。煤粒恒温瓦斯放散试验结果表明,钻屑瓦斯解吸指标K1值的理论计算方法对于构造煤存在局限性,巴雷尔公式并不能很好地描述构造煤瓦斯放散初期特征,拟合度最高仅为0.761 3,构造煤发育区的钻屑以构造煤为主,依据巴雷尔公式计算K1值则存在较大误差。
图4 寺家庄煤样恒温瓦斯放散试验结果
Fig.4 Constant temperature gas emission experiment result of coal samples in Sijiazhuang Coal Mine
2)钻屑混合。测定钻屑瓦斯解吸指标K1值所需的煤样通常取自ø42 mm预测钻孔孔口处的钻屑,但由于钻孔内部构造的隐蔽性和煤层赋存条件的复杂性,常导致钻屑混合现象的出现,钻屑混合形式分2种:不同钻孔深度处的钻屑混合以及不同结构类型煤体的钻屑混合。不同钻孔深度处的钻屑具有不同的暴露时间,利用混合后的钻屑无法准确评价指定深度处的突出危险性,由于钻孔施工过程中钻杆晃动等因素导致钻孔剖面不规则(图8),钻进、传输过程的钻屑及孔壁剥离的钻屑易于混合,这些具有不同暴露时间的钻屑混合将对预测位置处的K1值测试结果产生不同程度的影响。构造煤与原生煤的瓦斯放散初期特征存在显著差异,2种钻屑的混合会改变预测位置处的瓦斯放散特征,由于构造煤发育区钻孔施工过程中的塌孔、构造煤赋存的不规律性,常导致不同结构类型煤体的钻屑混合现象,这也是钻屑瓦斯解吸指标测试结果偏离真实值的原因之一。
图5 突出预测钻孔剖面
Fig.5 Coal and gas outburst prediction drilling profile
3)暴露时间。钻屑瓦斯解吸指标K1值测试煤样的暴露时间包含2个部分——自放气开始至开始测量的时间以及自开始测量至结束测量的时间,第1部分时间由钻进速度、操作熟练程度等方面决定,一般在1~3 min,第2部分时间为固定值,设定为5 min。由煤粒恒温瓦斯放散试验结果可知,巴雷尔公式能够精确描述原生煤在瓦斯放散初期特征,煤样暴露时间对测试结果影响不大,但对于构造煤煤样,煤样暴露时间越长,测试结果与实际偏差越大,同一吸附平衡压力条件的构造煤初始1 min的瓦斯解吸量是原生煤的2.31~4.06倍。构造煤发育区钻孔施工更为困难,煤样暴露时间也更长,K1值测试结果偏低,这是造成“低指标突出”现象的重要原因。
1)寺家庄矿钻屑瓦斯解吸指标K1的实验室及现场测试结果表明,相同吸附平衡压力条件下构造煤的K1值高于原生煤,突出预测指标K1值与构造煤发育程度关系密切,构造煤越发育,K1值越大。
2)构造煤与原生煤的瓦斯放散初期特征存在很大差异,采用巴雷尔公式对煤的瓦斯放散初期数据进行最小二乘法拟合的平均拟合度分别为0.737 5与0.993 7,巴雷尔公式在构造煤的瓦斯放散初期适用性有限。
3)计算理论、钻屑混合、暴露时间是造成构造煤发育区“低指标突出”问题的3个主要技术因素——钻屑瓦斯解吸指标K1值的计算理论存在局限性;不同钻孔深度及不同结构类型煤体的钻屑混合是K1值测试结果偏离真实值的原因之一;煤样暴露时间越长,K1值测试结果与实际偏离越大。
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