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特厚煤层工作面突出危险性预测指标敏感性分析

2025-07-04 54 上传者：管理员

摘要：为了获得金河煤矿特厚煤层工作面突出危险性预测敏感指标，以该矿特厚煤层采掘工作面为研究对象，综合实验室试验、理论分析、现场考察等方法，对煤二层瓦斯基本参数、突出危险性预测指标敏感性进行了考察试验。结果表明：煤二层中二氧化碳气体的放散初速度大于甲烷气体，两种气体的K1值均随瓦斯压力增加呈不断增大趋势。现场考察工作面敏感性由大到小依次为钻屑瓦斯（二氧化碳）解吸指标K1值、钻屑量S、钻孔瓦斯（二氧化碳）涌出初速度q,并推荐采用钻屑瓦斯（二氧化碳）解吸指标K1值、钻屑量S.考察结果进行了工程应用，验证了预测指标S、K1值具有敏感性。

关键词：
;突出危险性
区域防突
敏感性
敏感指标
进风顺槽
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金河煤矿煤二层煤与二氧化碳突出,主要采用开采上覆近距离保护层结合卸压抽采进行区域治理｡以矿井16215工作面为例,该面上覆油岩层薄化不可采,该工作面采用底板巷上向穿层钻孔预抽煤巷条带区域煤层瓦斯､底板巷上向穿层钻孔及顺层钻孔预抽回采区煤层瓦斯作为区域防突措施,区域防突有效后采用综合机械化一次采全高综采放顶煤开采(采放比最大可达1∶15)｡16215工作面煤二层厚度16.8~45.4m､平均30.8m,该工作面煤层瓦斯(CH4)､二氧化碳(CO2)含量分别为0.17~1.45cm3/(g·r)､3.36~18.99cm3/(g·r),最大瓦斯､二氧化碳混合含量为20.44cm3/(g·r),约16.55m3/t,具有煤与瓦斯､二氧化碳突出危险｡16215工作面于2016—2021年期间实施穿层钻孔及顺层钻孔预抽煤层区域防突措施,2022年1月顺利完成进风顺槽､回风顺槽及切眼掘进,2022年1月30日开始回采｡

由于金河煤矿特厚煤二层煤与二氧化碳综合防治体系缺乏系统性研究,工作面突出参数指标测试主要参照《防治煤与瓦斯突出细则》执行,未根据矿井实际情况考察确定,需开展金河煤矿煤二层工作面突出危险性预测敏感指标考察研究｡

1、煤二层瓦斯基本参数测试

在六采区16215进风顺槽掘进期间､16215工作面回采期间分别取煤样,进行煤层坚固性系数f､甲烷及二氧化碳气体放散初速度Δp､K1-p关系测试,K1-p关系测试结果如图1､图2所示｡

16215采掘工作面煤二层煤样甲烷､二氧化碳气体的放散初速度Δp分别为2.58×10-3~2.58×10-2mL/s､0.0977~0.222mL/s,煤层坚固性系数f=0.78~0.91,煤层硬度中等,二氧化碳气体的放散能力大于甲烷气体｡根据图1､图2可知,甲烷､二氧化碳气体的K1值随瓦斯压力p增加均呈增大趋势,当p=0.74MPa时,甲烷､二氧化碳气体的K1值分别为0.19~0.22mL/(g·min1/2)､0.65~0.85mL/(g·min1/2),平均值分别为0.21mL/(g·min1/2)､0.75mL/(g·min1/2)｡

图116215进风顺槽煤样解吸特性K1-p曲线

图216215工作面煤样解吸特性K1-p曲线

2、突出预测指标敏感性考察方案

2.1预测指标敏感性确定方案

工作面突出预测是考虑煤层瓦斯(二氧化碳)地质､开采技术条件下的地应力及煤岩物理力学性质相互耦合作用状态等因素进行判定,井下地质条件千变万化[1],影响突出的因素随采掘工作面的推进在随机演变,同一煤层不同区域所发生的突出类别不一样,即使同一突出类型,影响突出的作用因素也存在差异,任何突出预测指标不可能对不同类型的突出都敏感[2],因此,工作面突出预测指标是有条件的､相对的｡

首先整理分析已有工作面突出危险性预测资料,然后选取代表性采掘工作面开展突出危险性预测指标考察测试,结合动力灾害属性的预测指标显现特征理论研究成果,初步确定工作面突出危险性预测敏感指标｡判断一种指标是否敏感,主要考虑两个方面,一是指标值大小是否会随着突出危险性的大小明显变化,二是影响指标值大小的突出危险因素是否大于测定误差等非突出危险因素｡方案主要从以下两个方面对比分析筛选指标的敏感性[3]:

1)指标值(或反映该指标的实验参数)大小随着突出危险性的大小明显变化,且预测有突出危险时指标值产生突变｡

2)指标值能够克服测定误差影响,一般认为每循环钻孔最大预测指标大部分小于该指标参考临界值的20%时其敏感性较差｡

2.2预测指标测试方案

根据开采经验及现有技术条件,对钻屑量S､钻屑瓦斯(二氧化碳)解吸指标K1､钻孔瓦斯(二氧化碳)涌出初速度q进行考察,并进一步对R值进行计算分析[4-5]｡

1)钻孔布置｡掘进工作面迎头布置9~13个预测孔,孔深10~13m,钻孔尽量布置在软分层,终孔位置位于巷道两帮轮廓线外侧8m､位于巷道顶板上方3.5~8m,若巷道底板存在底煤,则需要增加底煤预测钻孔;采煤工作面煤壁原则上每隔10~15m布置1组预测孔,每组包含3个钻孔,分别控制工作面底煤､工作面煤体及上部煤体(如无底煤,可不施工控制底煤预测钻孔),孔深10~12m,但在煤层节理紊乱､光泽暗淡､断层等地质构造附近5m内必须布置钻孔,钻孔应尽量布置在软分层｡

2)钻孔施工｡所有预测钻孔直径为42mm,采用风煤钻带动直径42mm钻头､麻花钻杆施工,施工速度尽量控制在1m/min.

3)指标测定｡钻孔从第2m开始,每进1m测定1次钻屑量S,每进2m测定1次钻屑瓦斯(二氧化碳)解吸指标K1值和钻孔瓦斯(二氧化碳)涌出初速度q,按式(1)计算R值｡

式中:Smax为每个钻孔沿孔长的最大钻屑量,L/m;qmax为每个钻孔的最大钻孔瓦斯(二氧化碳)涌出初速度,L/min

3、突出预测指标敏感性考察结果

本次煤二层工作面突出预测敏感指标现场考察地点为16215工作面､16219-1施工联巷及前期进风顺槽[6]｡在采掘过程中执行连续循环预测,其中回采工作面根据工作面宽度每15m布置2个(一般整个工作面预测钻孔超过10个)孔深10~12m预测钻孔,采用实测钻屑量S､钻屑瓦斯(二氧化碳)解吸指标K1值､q值进行工作面突出危险性预测;煤巷掘进工作面布置13个孔深10~13m的预测钻孔,采用钻屑量S､钻屑瓦斯(二氧化碳)解吸指标K1值预测工作面突出危险性｡现场考察期间,突出预测指标均参照《防治煤与瓦斯突出细则》提供的参考指标临界值进行安全生产管理,即S0=6.0kg/m､K10=0.5mL/(g·min1/2)､q0=5L/min､钻孔R0=6,进一步考察确定工作面突出危险性预测指标｡根据16215工作面回采及16219-1煤巷掘进情况,工作面突出预测指标S､K1､q指标现场考察预测资料现场考察统计｡2022年1月—2022年11月,煤二层采掘过程中共进行了74次､849个钻孔的预测,累计验证时间389d,累计回采工程量235.2m､掘进工程量203.7m.现场考察期间S､q预测指标未出现超标情况,K1值出现1次指标超标情况,钻孔施工过程中无夹钻､吸钻等异常现象｡

2022年1月30日—2022年11月21日进行了16215工作面突出预测指标现场测试工作,累计时间296d,累计安全回采235.2m,共进行了35次､342个钻孔预测,预测指标均未超过指标临界值,Smax=2.4kg/m､K1max=0.35mL/(g·min1/2)､qmax=1.89L/min,钻孔施工过程中均无夹钻､吸钻等异常现象,在未采取局部防突技术措施情况下实现了安全回采｡16215回采工作面预测指标最大值分布情况如图3､图4及图5所示｡

根据16215工作面地质资料及突出预测资料,工作面回采期间煤层赋存正常区域的突出预测指标S值为1.8~2.0kg/m､K1值为0.15~0.25mL/(g·min1/2)､q值为0.8~1.1L/min.以16215工作面切眼为起点,在工作面回采至40.8~50.4m范围时,根据煤二层动力灾害属性分析[7-8],综放工作面初采期随着采放比增加,煤层突出危险性增大,预测指标Smax由2.1kg/m增大至2.4kg/m､K1max由0.15mL/(g·min1/2)增大至0.32mL/(g·min1/2),而q值在此区域变化不大,预测指标均无超标现象,工作面回采过程中该轮预测较上一轮预测T1探头的甲烷及二氧化碳的最大混合体积分数由0.38%上升至1.04%.

图316215回采工作面现场考察期间钻屑量Smax变化趋势

图416215回采工作面现场考察期间钻屑瓦斯(二氧化碳)解吸指标K1max变化趋势

图516215回采工作面现场考察期间钻孔瓦斯(二氧化碳)涌出初速度qmax变化趋势

在工作面回采至129.6~135m范围时,工作面靠近进风顺槽部分区域受构造影响,预测指标K1max由0.26mL/(g·min1/2)增大至0.35mL/(g·min1/2),指标无超标现象,预测指标K1max与正常区域相比变化幅度较大,且有一定程度的增加,而q值在此区域变化不大｡

考虑到现场指标测试存在不可避免的误差,结合实验室测试资料､现场无突出危险采掘验证及矿井指标应用情况,综合分析认为,煤二层采掘工作面突出危险性预测指标的敏感性由大到小依次为钻屑瓦斯(二氧化碳)解吸指标K1值､钻屑量S､钻孔瓦斯(二氧化碳)涌出初速度q,推荐采用钻屑瓦斯(二氧化碳)解吸指标K1值､钻屑量S.

4、突出预测指标应用

2022年11月26日—2023年5月8日,在16219-1进风顺槽对突出预测指标敏感性进行了扩大验证及应用,共进行了62次､558个钻孔循环预测,累计掘进工程量362.4m,根据16219-1进风顺槽地质资料及突出预测资料,巷道掘进期间煤层赋存､措施执行正常区域的突出预测指标S值为1.8~2.0kg/m､K1值为0.15~0.25mL/(g·min1/2)｡16219-1进风顺槽煤巷条带采用“上保护层开采､结合16219瓦斯抽放巷顺层钻孔卸压瓦斯抽采及八采区皮带巷定向钻孔抽采”作为区域防突措施,以16219-1进风顺槽29-13点前18m为起点,当巷道掘进至起点前方80m左右时遇正断层,预测指标K1max由0.21mL/(g·min1/2)增大至0.39mL/(g·min1/2),Smax值由1.9kg/m增大至2.0kg/m.虽然指标未超出临界值,为了进一步降低工作面K1指标,矿方采取施工顺层钻孔迈步式对掘进前方煤体瓦斯进行排放､抽采,钻孔控制掘进前方100m､巷道轮廓线外侧15m范围,允掘进尺7m,采取局部措施后,指标值得到进一步控制

工作面掘进至区域措施薄弱区域､构造区域附近时,突出危险性相对增加,预测指标值与正常区域相比有增大趋势,未超过指标临界值,验证了预测指标S､K1值具有敏感性｡

5、结语

通过对试验区煤二层采掘工作面突出危险性预测敏感指标历史数据及现场测试数据的分析,结合煤层赋存及地质构造等地质条件研究确定试验区煤二层采掘工作面突出危险性预测敏感指标为钻屑量S､钻屑瓦斯(二氧化碳)解吸指标K1值､钻孔瓦斯(二氧化碳)涌出初速度q,推荐采用钻屑量S､钻屑瓦斯(二氧化碳)解吸指标K1值作为工作面突出危险性预测敏感指标,该考察结果适用于矿井试验区煤二层及瓦斯(二氧化碳)地质､开采技术条件类似的煤二层工作面突出危险性预测｡

参考文献:

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[2]吴彦,胡林涛,田畅,等.煤巷掘进工作面突出预测敏感指标及临界值确定[J].煤炭技术,2023,42(1):171-174.

[3]聂百胜,何学秋,王恩元,等.煤与瓦斯突出预测技术研究现状及发展趋势[J].中国安全科学学报,2003(6):43-46,83.

[4]孙肖琦,郑欣.工作面煤与瓦斯突出预测方法综述[J].煤炭技术,2019,38(10):111-114.

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[6]王超杰,杨胜强,蒋承林,等.煤巷工作面突出预测钻孔动力现象演化机制及关联性探讨[J].煤炭学报,2017,42(9):2327-2336.

[7]刘永茜,邓志刚,张浪.钻屑复合指标预测工作面突出危险性[J].煤矿安全,2014,45(8):175-178.

[8]辛海会,徐超,杜欣.煤与瓦斯突出工作面预测技术发展现状分析[J].山东煤炭科技,2010(1):200-202.

基金资助:庆阳市科技计划项目-青年科技(QY-STK-2023A-014);

文章来源:鲁存德,黄旭.特厚煤层工作面突出危险性预测指标敏感性分析[J].煤,2025,34(07):10-12+42.