羊东矿突出敏感指标考察研究

1、羊东矿2#煤层突出敏感指标及临界值考察研究景魁英、杨海生、董赛军、石德忠、郭金刚、张存江1、概述：羊东矿是一个多风井入风、多风井回风的高瓦斯矿井。羊东矿现有五个入风井和三个回风井，五个入风井为：一坑主井、一坑副井、二坑主井、二坑副井、羊二庄进风井，三个回风井分别为：崔庄风井、佐城风井、霍庄风井，其中崔庄风井安设了两台GAF26.6-16-1型主要通风机，配套电机功率1000KW，佐城风井安设了两台GAF26.6-17-1型主要通风机，配套电机功率900KW。霍庄风井安设了两台2K58NO28型主要通风机，配套电机功率330KW。矿井目前总入风量为20151m3/min，总回风量为20838 m

2、3/min，矿井需要风量19627m3/min，矿井有效风量率：94.25%，采掘有效风量率：75.44%，风量满足生产需要，矿井无风量不足的采掘工作面。2、2#煤层突出敏感指标及临界值考察研究的必要性：国内外的开采实践表明，突出呈区域性分布，突出煤层往往只在个别区域（约占开采面积的5-10%）才真正发生突出。突出敏感指标及临界值考察能够最准确地预测突出危险性，并最经济的采用防突措施的预测指标是敏感指标，因此对于我矿瓦斯治理有着举足轻重的意义。3、煤与瓦斯突出预测“三指标”的基本原理及临界值考察：3.1 煤与瓦斯突出预测“三指标”的基本原理：根据我矿2#煤的突出特点，其工作面突出危险性预测决定

3、选取钻屑瓦斯解吸指标h2、钻屑量S、钻孔瓦斯涌出初速度q三指标进行预测研究。1钻屑量S是一种综合反映煤体应力、瓦斯压力和煤的物理力学性质的指标。钻孔排出的钻屑一般分为两部分：一部分为钻孔直径相同的圆柱煤体形成的钻屑量；另一部分为成孔后，孔周围应力重新分布，孔内壁发生位移而产生的动态钻屑量。钻屑量随煤体强度的变化比较敏感，即煤越软，钻屑量越大。对于一定强度的煤体，随着瓦斯压力的增大，钻屑量将出现突变。即在一定的应力和单轴抗压强度条件下，煤层存在一个发生突出的最小瓦斯压力值，超过该值就会发生突出。煤体所受的应力越大钻屑量越高。在采深增大时，当有较小的应力波动时，可造成较大钻屑量的变化。该参数测定方

4、法简单易行，在我国得到了普遍应用。2钻屑瓦斯解吸指标h2是煤层瓦斯压力与煤的破坏程度的综合指标，它反映的是10g粒度为13mm的煤屑，在暴露3min后，从第3min到第5min向固定空间释放瓦斯所造成的压差，压差的大小即反映了该煤屑在该段时间内的放散瓦斯量。它的大小反映了工作面前方瓦斯压力的大小和煤本身的瓦斯放散特性。3钻孔瓦斯涌出初速度q也是一种反映煤的物理力学性质、地应力和瓦斯压力的综合指标。它的大小取决于煤层瓦斯压力、应力状态、煤层透气性、煤的瓦斯放散特性，也与煤层厚度、巷道推进速度等采矿技术条件有关。在上述诸因素中，以瓦斯压力为主，工作面前方瓦斯压力越大，q值也越大。3.2 敏感指标及

5、临界值确定方法羊东矿2#煤工作面突出危险性预测敏感指标及临界值确定方法采用实验室模拟实验，结合现场跟踪测定，利用三率法和灰色关联法确定突出煤层工作面突出危险性预测敏感指标及其临界值的技术方法。1现场采集煤样，实验室测定钻屑瓦斯解吸指标h2和瓦斯放散初速度指标p、坚固性系数f值；根据实验室测定和理论分析结果，初步确定钻屑瓦斯解吸指标h2的参考临界值。2现场跟踪掘进巷道，测定瓦斯解吸指标h2、钻屑量S和钻孔瓦斯涌出初速度q，并跟踪考察巷道掘进过程中地质构造、煤层产状变化以及突出预测、执行防突措施、措施效果检验过程中的喷孔、夹钻、顶钻、片帮、瓦斯异常涌出等瓦斯动力现象。3利用各指标实际预测结果对初步

6、确定的指标临界值进行验证和修改，采用“三率”法和灰色关联分析方法对现场实际预测结果进行分析，比较各指标对突出危险性预测的敏感性，从而确定敏感指标；同时用钻屑瓦斯解吸指标h2实际预测结果对实验室确定的该指标临界值进行验证和修改，最终确定该煤层的突出预测敏感指标及临界值。4煤样解吸规律的实验室考察及临界值确定4.1 现场煤样采集和实验室考察工作人员从下41溜子道和下45运料巷掘进工作面采集2#煤新鲜煤样各一份，在实验室对每份煤样测定p、f值，同时对各份煤样分别充以0.21.5MPa之间不同的瓦斯压力，吸附平衡48h以上，考察瓦斯解吸量h2同瓦斯压力P之间的变化关系。从而分析确定钻孔瓦斯解吸指标h2

7、同瓦斯压力P、瓦斯放散初速度p、煤坚固性系数f之间的关系。4.2 实验结果分析不同充气瓦斯压力下煤样的钻屑瓦斯解吸指标h2和煤的坚固性系数f、瓦斯放散初速度指标p参数的测定结果见表3-1。表中K为突出区域预测综合指标，其值可由下式得出：K=p/f 表4-1 煤样实验结果煤样名称煤层平衡瓦斯压力(Mpa)h2(Pa)Kpf下41溜子道掘进工作面1#煤样2#0.26023.85 12.40.520.361200.61600.82001.05220下45运料巷掘进工作面2#煤样0.38027.13 13.020.480.521500.782001.253001.6360由表4-1中可以看出，p值及综

8、合指标K值均超过规定给定的临界值（p=10、f=0.5、K=15），只有一个f值没有超过。2#煤层煤样钻屑瓦斯解吸指标h2同充气瓦斯压力P的关系见图3-1所示。图4-1 2#煤层钻屑解吸指标h2同充瓦斯压力关系曲线对表4-1中的2#煤层煤样瓦斯解吸指标h2与瓦斯压力P进行线性拟合，其符合指数关系式为：式中：P充气瓦斯压力，MPa；h2钻屑瓦斯解吸指标，Pa。线性回归常数k为231.47、244.46；n为0.7660、0.8948。复相关系数分别为0.9651和0.9962，用F值检验法检验，对于显著水平0.01的置信度，曲线拟合非常显著，说明对羊东矿2#煤层可以用上述关系来描述解吸指标h2与

9、瓦斯压力P之间的关系。钻屑解吸指标h2同吸附平衡压力及突出危险性综合指标K之间存在以下关系： 式中，A、B、C为依赖于煤种的实验常数，由表3-1中两组实验数据进行多元线性回归得出。A主要同煤种有关，表达式（3-2）2#煤层取231.47和244.46的平均值237.97；B、C为正值，表明煤样随着解吸瓦斯压力P和突出危险性综合指标K的增加，钻屑解吸指标h2也增加，同时B、C还反映了瓦斯压力与煤质指标同钻屑解吸指标h2的密切程度。将表3-1中2#煤煤样实验数据进行多元数据拟合，即可得出钻屑解吸指标h2同吸附平衡压力及突出危险性区域预测综合指标K之间较好地符合以下关系： 表达式(3-3)说明如果能

10、够确定羊东矿突出预测指标瓦斯压力P和综合指标K的突出危险临界值，就能得出钻屑解吸指标h2的临界值。根据防治煤与瓦斯突出规定第13条预测煤层突出危险性单项指标煤层瓦斯压力P和第72条综合指标K的临界值，即突出危险煤层 P0.74MPa、K15，代入(3-3)式得2#煤层钻屑解吸指标参考临界值为：初步确定取钻屑解吸指标h2=190Pa（湿煤h2=150Pa）作为2#煤层采掘工作面突出预测参考临界值。5工作面突出危险性预测及防突效果检验方法5.1 工作面突出预测1突出预测采用钻屑解吸指标法和钻孔瓦斯涌出初速度法，测定指标为钻屑解吸指标h2（或K1)、钻孔钻屑量S、瓦斯涌出初速度q。预测时，选择在工作

11、面断面内煤质硬度相对较软的分层中水平布置3个直径42mm、深度10m的预测孔，无较软的分层则钻孔布置在工作面中央。预测钻孔采用风动手持式钻机和配套麻花钻杆施工。2预测钻孔布置：1个钻孔位于工作面中部，平行巷道掘进方向；2个钻孔布置在巷帮，开孔距巷帮0.5m，终孔控制巷道轮廓线外4m，如图5-1所示。3打钻时，每打1m钻孔测定一次钻屑量指标S，每间隔2m，即2、4、6、8、10m深处采集煤钻屑测定钻屑瓦斯解吸指标h2，并迅速退出钻杆，插入JN-2型胶囊封孔器留0.5m深测量室进行封孔，在2min内测定完钻孔的瓦斯涌出初速度q。图5-1 预测钻孔布置图42#煤层突出预测临界值在未实测之前，S值和q

12、值临界值暂时采用规定提供的参考值，S6Kg/m，q4.5 l/min，钻屑解吸指标h2值采用实验室参考临界值190Pa。当测定的预测指标：h2190Pa、Smax6kg/m且q4.5L/min该煤层工作面预测为无突出危险工作面，留2m预测超前距采用远距离放炮安全防护措施进行掘进作业，即允许进尺深度为预测孔深减2m； 5当预测指标符合下列条件之一：h2190Pa、s6kg/m、q4.5L/min时，该煤层工作面预测为突出危险工作面。且当有下列情况之一者，预测工作面亦确定为突出危险工作面：工作面前方有断层、褶曲等构造破坏带；工作面前方煤层赋存条件急剧变化；在进行突出预测过程中，预测钻孔出现喷孔、夹

13、钻、顶钻等动力现象；工作面出现响煤炮、煤壁掉碴、片帮、瓦斯忽大忽小等瓦斯动力现象。6突出预测仪器测定钻屑解吸指标h2、钻屑量S、瓦斯涌出初速度q所用仪器见表4-1。表5-1 突出预测仪器一览表序号仪表名称型号用途1胶囊封孔器JN-2测定钻孔瓦斯涌出初速度q2多级流量计ZLD-13钻屑瓦斯解吸仪MD-2测定钻屑瓦斯解吸指标h24瓦斯突出参数仪WTC测定钻屑瓦斯解吸指标K15弹簧秤测定钻屑量S6风动电钻及配套麻花钻杆施工预测钻孔5.2 局部防突技术措施1掘进工作面预测有突出危险时，必须采取超前钻孔局部防突措施。设计防突措施钻孔孔径为89mm，钻孔深度11.0m，钻孔数40个，有效排放半径按实测值计

14、算，为0.8m，钻孔控制到巷道轮廓线外8m。2掘进工作面需采取防突措施时，必须每次由抽防区编制超前钻孔设计，内容包括钻孔孔径、孔深、孔数、有效排放半径、开孔和终孔位置，报矿总工程师批准，并抄送安全副总、抽防区、调度室、安检科、施工单位。3施工方法：用ZQSJ90/25型风动钻机、直径为89 mm钻头和螺旋钻杆，按设计钻孔参数先下排后上排，由下帮往上帮逐列施工。4当防突措施经效果检验后，如无突出危险，则采取安全防护措施进行正常掘进；如仍有突出危险，必须采取补充防突措施，并经措施效果检验有效后，掘进工作面方可施工。5补充防突措施为在上下两排钻孔之间增打防突措施钻孔，孔深同措施孔。6切眼及溜子道掘进

15、期间，生产技术部必须加强瓦斯地质工作，要根据野青保护层工作面断层和该工作面煤层厚度、底板等变化情况，要超前分析工作面的地质构造（断层），经过分析该工作面有地质构造，要坚持“有疑必探”的原则，在距断层30m时必须停止掘进，用大钻机探明断层的赋存状态。5.3 防突措施效果检验方法1每次施工完超前钻孔，即进行措施效果检验，检验仪器与突出预测相同；2措施效果检验方法同突出预测，测定指标为测定钻屑解吸指标h2、钻屑量S、瓦斯涌出初速度q；3措施效果检验钻孔孔数3个、孔深10m，两帮孔终孔控制巷道轮廊线外4m，钻孔布置与突出预测钻孔布置相同，但检验钻孔应布置在上下左右措施孔之间，且距措施孔孔间距不小于30

16、0mm；4措施效果检验指标突出危险临界值为h2=190Pa、S=6kg/m、q=4.5L/min。当测定指标都小于突出危险临界值时，措施效果检验有效，工作面检验为无突出危险工作面；当效检指标h2、Smax、q有一项大于或等于其临界值，即为检验措施无效，工作面仍然为突出危险工作面。5措施效果检验无效时，必须继续采取补充防突措施，在每排措施孔之间增打措施孔，然后再进行措施效果检验，检验有效后方可进行掘进。6当防突措施孔深度为11m，效检钻孔深度为8m，且测定的指标小于突出危险临界值时，工作面允许进尺6m。6突出预测敏感指标的跟踪考察及结果分析6.1 突出预测敏感指标的跟踪考察跟踪苗庄条采区下41溜

17、子道掘进工作面、8252回采工作面、8253回采工作面过程中，测定了每米钻屑量S、钻屑解吸指标h2和钻孔瓦斯涌出初速度指标q，同时考察了巷道掘进过程中煤层地质构造及产状变化及采取防突措施过程中喷孔、夹钻、片帮、瓦斯异常、响煤炮等煤与瓦斯突出动力现象。表6-1 41溜子道掘进工作面跟踪考察结果表巷道名称序号日期钻屑解吸指标h2（Pa）最大钻屑量Smax(kg/m)动力现象下41溜子道19-15401.829-16401.839-17401.649-18401.859-19401.869-20401.679-21401.689-22401.699-23401.6109-24401.8119-264

18、01.8129-27401.8139-28401.8149-29401.8159-29401.61611-1401.81711-2401.61811-3401.61911-3401.62011-4401.82111-5401.62211-5401.62311-5401.82411-6401.62511-6401.82611-7401.62711-7401.42811-8401.62911-9401.63011-10401.63111-11401.4表5-2 8252回采工作面跟踪考察结果表巷道名称序号日期钻屑解吸指标h2（Pa）最大钻屑量Smax(kg/m)动力现象8252回采工作面11-11

19、002.421-61401.831-101202.441-151202.251-191202.061-301202.472-31202.283-71602.293-171002.0103-301202.2由于羊东矿现开采、掘进区域均已采取保护层开采或瓦斯抽放等防突措施，考察指标均未出现超限情况，为此决定采用下8252设备眼、下8252运料巷掘进期间预测数据。具体考察测定情况如表6-4、表6-5；表6-4 下8252设备眼掘进工作面跟踪考察结果表巷道名称序号日期钻屑解吸指标h2（Pa）最大钻屑量Smax(kg/m)动力现象下8252设备眼15-26403.5喷孔25-3603.435-41803

20、.245-54002.455-71603.665-84303.2夹钻75-93204.2夹钻85-103605.4夹钻95-112606.2夹钻105-123003.0115-131604.2125-141103.8135-153405.8夹钻145-163407.0顶钻、喷孔155-172802.8165-198607.6夹钻、响煤炮175-201902.8响煤炮185-222503.6夹钻195-2358016.8顶钻、喷孔205-243403.4喷孔215-253004.0225-261203.6235-285504.5喷孔245-291803.2255-312503.2夹钻266-11

21、902.8夹钻276-21803.8286-3402.8296-6402.6306-83203.6316-114804.3响煤炮326-123502.6响煤炮336-137004.2顶钻、响煤炮346-1542015.0响煤炮、喷孔356-164808.0夹钻、喷孔366-172402.4顶钻376-182302.8顶钻386-213702.8396-222602.4406-233308.6喷孔416-241202.2426-261903.6夹钻、喷孔436-261403.2446-282605.4456-305002.4467-12805.8477-2804.5487-46405.6夹钻49

22、7-54205.0夹钻507-64509.2喷孔、响煤炮517-75207.8层理紊乱、喷孔527-84004.6喷孔537-936010.0夹钻、喷孔547-1019019.2喷孔、响煤炮557-115203.8夹钻、喷孔567-123805.2夹钻577-131907.5喷孔587-14802.8597-154206.6层理紊乱、喷孔607-176209.6夹钻617-183608.4夹钻627-192505.5喷孔637-2030015.0夹钻647-2111009.6喷孔657-222406.2夹钻667-234603.0夹钻677-242004.0喷孔687-253606.4喷孔69

23、7-262504.0喷孔707-278022喷孔727-292406.4喷孔737-304207.0喷孔747-311804.2758-146015.0夹钻768-22008.2夹钻778-51203.2788-112802.4喷孔798-3046010.6断层、喷孔808-312007.0喷孔819-220010.8喷孔829-532016.4断层、喷孔839-525010.0断层849-61906.8断层859-72206.0断层869-95805.6喷孔879-104005.2喷孔889-1160011.0喷孔899-122402.2夹钻909-141802.

24、4919-161802.4929-171402.4注：有下列情况之一即视为突出：实际发生的突出；预测指标超标较大，预报有危险但采取措施（超前排放钻孔、慢速掘进甚至停掘等）后未发生突出；在施工防突排放钻孔过程中，有动力现象（喷孔、夹钻、顶钻、响煤炮等现象）。图6-1 下8252设备眼掘进工作面突出预测指标h2变化曲线图5-2 下8252设备眼掘进工作面突出预测指标Smax变化曲线图6-3 下8252运料巷掘进工作面突出预测指标h2变化曲线图6-4 下8252运料巷掘进工作面突出预测指标Smax变化曲线6.2 突出预测敏感指标及临界值分析突出预测敏感指标是指对某一矿井突出煤层工作面进行预测时，能够

25、明显区分出突出危险和非突出危险的突出预测指标，即在突出危险和非危险工作面实测该指标的值无交叉或交叉区域较少。标志突出危险的指标最小值即为突出预测敏感指标临界值。根据羊东矿2#煤层掘进工作面的实际预测结果，用“三率”法和灰色关联分析法，对该矿的突出预测敏感指标及临界值进行分析研究，确定适用于该煤层的突出预测敏感指标及其临界值。6.2.1 “三率”法分析突出预测敏感指标“三率”法即是根据预测突出率、预测突出准确率和预测不突出准确率对突出预测数据进行分析，从而确定突出敏感指标。防突措施效果检验是在防突措施执行后再一次进行突出危险性预测，故效果检验所用的敏感指标及其临界值与突出预测是相同的。针对羊东矿

26、下8252设备眼、下8252运料巷掘进工作面突出预测与效果检验两种情况，可按以下“三率”法来确定敏感指标及临界值。预测过程中有突出发生的情况下，敏感指标及其临界值，应按以下“三率”来确定：（1）预测突出率式中 1预测突出率，%；nt预测有突出危险次数，次；N预测总次数，次。预测突出率1代表着预测有突出危险区段所占总预测区段的比例大小，当然1越小，需采取防突措施的范围越小，防突投入少，进度快，但其取决于突出预测的准确率。（2） 预测突出准确率式中 2预测突出准确率，%；nk预测有突出危险次数中，真正有突出危险的次数；预测突出准确率2越高越好，但在目前技术条件下，能够达到60%左右。在试验中发现，

27、如果以实际突出的发生确定指标临界值和敏感性，一是生产中不允许，二是不安全。为此，国内众多学者提出凡符合下列条件之一时即为属突出危险：实际发生的突出；预测指标超标较大，预报有危险但采取措施（超前排放钻孔、慢速掘进甚至停掘等）后未发生突出；在施工防突排放钻孔过程中，有动力现象（喷孔、夹钻、顶钻等现象）。 （3） 预测不突出准确率 式中 3预测不突出准确率，%；nB预测无突出危险次数，次；nA预测无突出危险次数中果真无突出危险的次数，次。预测不突出准确率3应该达到100%，但一般达到95%以上即可。6.2.1.1 掘进工作面预测敏感指标分析表5-4所列数据中，下8252设备眼掘进工作面92组跟踪预测

28、数据中，单项指标h2超限72次，Smax值超限32次，发生煤炮、瓦斯异常、夹钻、吸钻等瓦斯动力现象62次。表5-5所列数据中，下8252运料巷掘进工作面117组跟踪预测数据中，单项指标h2超限70次，Smax值超限17次，发生煤炮、瓦斯异常、夹钻、吸钻等瓦斯动力现象55次。应用“三率”法对下8252设备眼、下8252运料巷掘进工作面的突出预测及效果检验结果分析成果见表5-6、表5-7。从表5-6中可以看出，预测指标h2和Smax两突出率分别为78.3%和34.8%；预测突出准确率分别为86.1%和100%；预测突出率Smax低于h2，并且Smax的预测突出准确率高于h2，达到了100%；但Sm

29、ax存在严重的漏报现象，其预测不突出准确率仅为33.3%，而h2预测不突出准确率高达100%。综上所述h2更适合做为敏感指标。从表5-7中可以看出，预测指标h2和Smax两突出率分别为59.8%和14.5%；预测突出准确率分别为78.6%和100%；预测突出率Smax低于h2，并且Smax的预测突出准确率高于h2，达到了100%；但Smax存在严重的漏报现象，其预测不突出准确率仅为47.0 %，而h2测不突出准确率高达100%。综上所述h2更适合做为敏感指标。表6-6 下8252设备眼掘进工作面预测及效检“三率”法分析结果考察项目单位预测单项指标h2Smax预测效检总次数次9292实际突出次数次62预测效检有突出危险次数次7232预测突出率%78.334.8预测有危险次数中真正有危险次数次6232预测突出准确率%86.1100预测无突出危险次数次2060预测无突出危险次数中确实无突出危险次数次2020预测不突出准确率%10033.3表6-7 下8252运料巷掘进工作面预测及效检“三率”法分析结果考察项目单位预测单项指标h2Smax预测效检总次数次117117实际突出次数次55预测效检有突出危险次数次7017预测突出率%59.814.5预测有危险次数中真正有危险次数次5517预测突出准确率%78.610