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摘 要： 为了确定突出煤层工作面突出危险性预测敏感指标，确保工作面突出危险性的精准预测， 以营城煤矿突出煤层工作面为对象，通过实验室研究及现场实测相结合的方法，根据历史资料统计分析和实验室理论计算确定 3 号煤层钻屑瓦斯解吸指标 K 1 的合理临界初值，总结得出适合该矿特点的敏感指标和临界值，提高突出预测准确率，确保煤矿安全生产。
关键词：煤与瓦斯突出；突出预测； 敏感指标； 临界值
0 引言
《防治煤与瓦斯突出细则》规定突出矿井应当针对各煤层的特点和条件试验确定工作面突出预测的敏感指标 ［１］。针对不同矿井，其生产工艺和工作面预测条件不同，再者对于不同煤层，其煤与瓦斯突出特征及其解吸规律不同，造成不同矿井不同煤层其工作面预测敏感指标不同 ［2-3］ 。
营城煤矿属于突出矿井。在采掘过程中采用的主要局部预测指标为钻屑瓦斯解吸指标Δh2值和钻屑量S（以下简称钻屑解吸指标Δh2、S），其临界值由营城煤矿按照《防治煤与瓦斯突出规定》所指导的临界值，为Δh2=200Pa、S=6.0kg/m，执行该指标及临界值以来，矿井在减少煤与瓦斯突出和人员伤亡事故方面取得了一定效果。但由于未对3号煤层的突出预测敏感指标及其临界值进行综合研究，因而缺乏适合本矿3号煤层突出预测敏感指标的临界值，可能导致防突工程量大大增加，掘进速度相当缓慢，采掘接替相当紧张。因此，考察出适合营城煤矿3号煤层突出预测的敏感指标及其临界值，对保障矿井安全生产，提高安全掘进速度有重大的针对性指导意义。
1 研究方法和技术路线
理论研究认为，煤与瓦斯突出主要受煤层瓦斯、地应力、煤体结构等因素的共同影响 ［4-5］根据营城煤矿的实际情况，本项目采用历史资料统计、实验室研究及现场实测相结合的方法进行。本项研究拟分三个阶段进行，第一阶段主要进行资料分析和实验室研究，主要是分别了解和掌握营城煤矿3号煤层的煤的物理力学性质、煤岩瓦斯赋存特征及发生煤与瓦斯突出等动力现象的特点规律等参数；第二阶段在现场进行试验考察，以了解各个指标的敏感性，并确定指标的临界初值；最后为扩大应用阶段，对确定的临界值在现场应用，并根据资料分析、实验室实验、现场应用的结果综合分析确定营城煤矿3号煤层的突出危险性指标及临界值初值。
2 基本参数测定情况
为了准确掌握营城煤矿3号煤层瓦斯赋存及煤层突出危险性情况，本次在营城煤矿3号煤层区域和工作面突出危险性预测敏感指标及临界值研究过程中，应用实验室和现场测定相结合的方法，测定了营城煤矿3号煤层的瓦斯基本参数。
2.1 实验室数据分析
（1）煤层瓦斯吸附常数、工业分析等参数测定
在营城煤矿现场测试期间，在井下选取了7个煤样检测3号煤层煤的瓦斯吸附常数、工业分析等参数，具体参数测定情况如表01所示。
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（2）煤的瓦斯放散初速度和坚固性系数测定
瓦斯放散初速度（△P）是反映煤在常压下吸附瓦斯的能力和含瓦斯煤体暴露瓦斯性能的一个指标。在瓦斯含量相同的情况下，煤的放散初速度越大越有利于突出的发生和发展。而煤的坚固性系数（f）反映煤的力学破坏性质，它实质上反映的是破坏单位质量的煤所消耗能量的大小，是标志煤体抵抗破坏能力的一个指标。
依据煤的瓦斯放散初速度和坚固性系数测定对煤样的相关要求，本次在营城煤矿井下选择了7个3号煤层煤样进行实验室测定，具体测定参数如表02所示。
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（3）煤层K1-P关系测定
根据国家“八五”科技攻关课题的研究成果，煤层瓦斯压力P与K1值之间存在一定的相关关系，而根据大量的破碎试验和测试结果，煤层的最小突出瓦斯压力与煤的坚固性系数等煤质指标存在一定的函数关系，所以通过煤质指标可确定出煤层的突出临界瓦斯压力值，既而通过实验室测定的K1-P关系模型便可初步定出煤层的K1指标临界值[8-10]。
K1-P关系模型实验过程为：取粒径1～3mm的煤样，先用真空泵脱气2h，然后再对煤样充气，达到预定吸附瓦斯压力后，使煤样吸附瓦斯24h，记录平衡瓦斯压力，再使煤样暴露于大气中1～2min，开始测定K1值。每个煤样的实验不少于6次，根据营城煤矿3号煤层这些数据进行数据拟合，就可以得到K1-P关系模型，其实验的结果如表03所示，不同地点煤样的K1-P关系模型实验结果图如图01~04所示。
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2.2瓦斯压力和含量测定
（1）瓦斯压力测定
煤层原始瓦斯压力的测定主要在井下巷道内施工钻孔直接测定。本次对营城3号煤层瓦斯压力的测定严格按照《测压方法》的规定进行，采用注浆封孔、被动式测压法。按照《测压方法》中有关测压钻孔的要求，在具体选择测压孔位置时，应避开地质构造带、裂隙带、采动影响等范围，测压孔见煤点与地质构造带、裂隙带、采动影响范围的距离至少为50m[11-12]。
瓦斯压力测点布置和测压力情况如表04所示。
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（2）瓦斯含量测定
煤层瓦斯含量是指单位质量或体积的煤中所含有的瓦斯量，以m3/m3或m3/t表示。它是矿井瓦斯涌出量预测和煤与瓦斯突出预测的重要依据参数之一，煤层瓦斯含量的测定方法可分为直接方法和间接方法。本次对营城煤矿瓦斯含量的测定采用直接法测定3号煤层瓦斯含量。其中取样方法采用钻孔定点取样，具体测定情况如表05所示。
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2.3 煤的破坏类型
煤的破坏类型主要对煤矿井下煤的赋存情况进行现场勘察，直接观察煤体受力破坏情况，通过煤的光泽、构造、节理、断口、手试强度等特征来进行判断。可以得出营城煤矿3号煤层煤的破坏类型为Ⅱ类（破坏煤）~Ⅲ类（强烈破坏煤）。
3现场实测数据分析
3.1确定瓦斯含量临界值
根据表01测定的数据，结合朗格缪尔公式，当瓦斯压力取临界值0.74MPa时，瓦斯压力为临界值0.74MPa时对应的最小瓦斯含量为8.2279m3/t，最大瓦斯含量为9.3869m3/t。综合分析营城煤矿目前的开拓开采区域未见较大的地质构造，且在打钻过程中未见喷孔、顶钻等动力现象，因此，考虑到地质构造对煤层突出危险性的影响，为了更安全可靠，本次对实验室测定的测算的瓦斯含量采用多因素综合考虑分析的方法并考虑一定的安全系数，最终确定营城煤矿3号煤层瓦斯含量临界值为6.5823m3/t（取整为6m3/t）。
3.2工作面预测指标敏感性分析及确定
本次在营城煤矿现场实测过程中，在8306工作面回风顺槽和运输顺槽进行了现场实测跟踪了423m，进行了141个预测循环，收集到数据的141次预测循环中，均未出现超标现象。
钻屑解吸指标K1值分布在0~0.5mL/g.min1/2之间，其中大部分分布在0.3~0.4mL/g.min1/2之间范围内。钻屑瓦斯解吸指标△h2值分布在0~50Pa之间，其中大部分分布在10~20Pa之间范围内。钻屑量S绝大部分分布在4~5kg/m之间，仅有极少部分分布在3~4kg/m和5~6kg/m之间。
试验期间K1临界值初值，主要根据K1临界值的历史数据统计分析结果、实验室确定结果和现场试验数据的统计分析三个方面的分析综合确定的，最终认定营城煤矿3号煤层工作面预测指标K1值的临界值为0.4mL/g.min1/2。
4结语
本项目的试验与研究从方案制定、历史数据统计、实验室研究、现场试验到数据分析做了大量而细致的工作，通过6个月的现场试验，在8306工作面回风顺槽和运输顺槽跟踪试验423m，对3号煤层的大量的历史数据进行了统计分析，项目实施期间在试验巷道不同位置共取7个煤样在实验室测试了工业分析、瓦斯放散初速度、坚固性系数和K1-P关系等参数。通过分析与研究可得出以下结论：
（1）营城煤矿3号煤层区域预测敏感指标确定为瓦斯含量W，其临界值确定为6m3/t；
（2）营城煤矿3号工作面预测敏感指标确定为采用钻屑解吸指标K1值，其临界值确定为0.4mL/g.min1/2；
（3）在营城煤矿3号煤层出现喷孔、顶钻和其它明显突出预兆时，应判定为突出危险工作面并实施相关措施；
（4）矿井在进行工作面预测的同时，可以根据实际条件测定一些辅助指标来辅助（如瓦斯含量、工作面瓦斯涌出量动态变化、声发射、电磁辐射、钻屑温度、煤体温度等），采用物探、钻探等手段探测前方地质构造，观察分析工作面突出危险性的多元信息综合预测和判断。
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中图分类号： TD713 文献标志码： A