影响掘进工作面突出影响因素分析

张晓忠张有贵

关键词：工作面初速度钻屑量瓦斯解吸

0引言

近年来，随着我国煤矿采掘强度和深度加大，矿井瓦斯问题，尤其是煤与瓦斯突击现象日益严重。我国在1995年颁布的《防治煤与瓦斯突出细则》中规定，煤巷掘进工作面突出危险性预测，可采用钻孔瓦斯涌出初速度法、R值指标法和钻屑指标法。但是由于目前煤矿采掘深度加大，突出煤层赋存条件复杂，煤层的瓦斯压力和瓦斯含量较高，地应力较大，煤层的透气性较差，煤质较软，使得在工作面突出预测预报时经常出现低指标突出，高指标不突出的现象。在进行工作面突出危险性预测时还发现，在不同突出矿井，甚至在同一矿井的不同煤层或不同区域，应采取不同的突出预测指标和临界值。

1工作面突出影响因素分析

1.1煤层钻屑量影响钻屑量主要用于反映煤层中应力的大小以及煤层强度的大小。影响钻屑量主要因素有：煤体强度、煤体承受的地应力和瓦斯压力。钻屑量对地应力为主要动力的突出是一项较为敏感的指标，对煤体强度较小的突出煤层而言，地应力对钻屑量的影响非常显著。对坚固性系数f＞0.3的突出煤层，地应力对钻屑量的影响很小，这时钻屑量的大小不能反映地应力的大小，预测精度很低。对f＜0.3的突出煤层，用钻屑量进行预测煤层突出危险性效果较好。对坚固性系数f＝0.25的突出煤层，瓦斯压力对钻屑量的影响随着地应力的增加而增加。

1.2瓦斯涌出初速度分析钻孔瓦斯涌出初速度的定义是在煤层中按规定的技术要求施工钻孔，在达到预定深度后2min时，在规定长度钻孔内涌出的瓦斯流量。我国《防治煤与瓦斯突出细则》规定用钻孔瓦斯涌出初速度法预测煤巷掘进工作面突出危险性。钻孔瓦斯涌出初速度全面地反映了决定煤层突出危险性的全部因素，如煤层的应力状态、自然瓦斯含量、透气性和煤的力学性质的变化，该指标值反映了煤与瓦斯突出的危险程度。在某些煤层开采条件下使用钻孔瓦斯涌出初速度指标进行预测时还存在某些弊端。对于透气性较大的突出危险煤层，该指标敏感性较差，但是在被保护煤层掘进中发现实测的钻孔瓦斯涌出初速度比未采取开采保护层防突措施前的钻孔瓦斯涌出初速度要大，在很多情况下超过突出临界值，这种现象在我国许多突出矿井中经常出现。

透气性系数对于钻孔瓦斯涌出初速度指标的影响很大，通常煤层透气性系数的大小并不能反映煤层突出危险性的大小。当透气性系数变化一个数量级时，钻孔瓦斯涌出初速度指标变化4倍以上。因此钻孔瓦斯涌出初速度对透气性系数变化较大的煤层预测突出敏感性较差，这也就说明了突出煤层经过开采保护层防突措施后用钻孔瓦斯涌出初速度进行预测经常出现误报的原因。

对于透气性较小的煤层，钻孔瓦斯涌出初速度指标所测得的瓦斯主要来源于钻孔周围应力所造成的卸压区煤的解吸瓦斯，煤层越软，应力越大时，其值越大。它能够直接反映出突出煤层的破坏程度、煤层中瓦斯及煤的受力情况的综合作用。对于透气性较小的煤层来讲，应用钻孔瓦斯涌出初速度指标来预测煤层突出危险性是可以的。当煤层透气性系数很小时，即使煤层瓦斯压力、地应力足够大，煤坚固性系数足够小，钻孔瓦斯涌出初速度指标仍然很小，而此时煤层突出危险性却很大，所以在工作面突出预测时经常出现测得的钻孔瓦斯涌出初速度很小而发生突出的现象。

20世纪七十年代，在顿巴斯、库兹巴斯、沃尔库特、卡拉干达等地区，用钻孔瓦斯涌出初速度法进行工作面预测共350万次，证实了在99.6％的场合下，煤层不会发生突出。上述预测方法是根据开采深度为400～800ｍ的试验结果确定的。但是当开采深度在800ｍ以下时，地应力与瓦斯压力都显著增大，仍用钻孔瓦斯涌出初速度来预测突出，将出现钻孔瓦斯涌出初速度值偏低的现象，使预测准确度降低。所以，在深部开采时使用钻孔瓦斯涌出初速度预测工作面突出危险性时应考虑煤层开采深度这一影响因素。

钻孔瓦斯涌出初速度的临界值随着开采深度的增大而减小。随着煤矿开采深度的增加，煤层瓦斯压力变大，瓦斯含量变高，煤层透气性变差，钻孔瓦斯涌出初速度变小，但是煤层的突出危险性是增大的。如果突出煤层在深部开采时仍采用现在《防治煤与瓦斯突出细则》中规定的临界值进行突出危险性预测和效果检验，可能会发生煤与瓦斯突出危险。

煤层瓦斯压力是影响突出危险程度的一个重要因素。在煤与瓦斯突出区域，瓦斯压力增大，说明煤层的突出危险性变大，但是有时测得的钻孔瓦斯涌出初速度很小，其原因是因为煤层的透气性太差而造成的。所以钻孔瓦斯涌出初速度不能够真实的反映煤层瓦斯压力的变化情况，对于瓦斯压力高而透气性低，破坏程度高的煤层，即使所测定的钻孔瓦斯涌出初速度值很小，其突出危险性也是很大的。但是突出煤层的钻孔瓦斯涌出初速度的衰减速度很快，可以根据钻孔瓦斯涌出初速度和其衰减速度指标综合进行预测，这时候钻孔瓦斯涌出初速度能反映瓦斯压力的影响。当瓦斯压力很小时，煤层可能发生以地应力为主导作用的压出或者以重力为主导作用的倾出动力现象，这时候测得的钻孔瓦斯涌出初速度指标很小，钻孔瓦斯涌出初速度衰减速度指标误差很大，因此对预测以地应力为主导因素的动力现象敏感性较差。

1.3钻屑瓦斯解吸预测用钻屑瓦斯解吸指标预测煤与瓦斯突出，我国应用普遍的是K1和△h2。K1值愈大，表征煤的瓦斯含量大，破坏类型高，瓦斯解吸速度快，则愈易突出。从理论上分析可知：K1值预测突出的敏感性能主要与煤中的瓦斯压力、煤的物理力学性质有关，对以瓦斯为主的突出危险煤层进行预测是有效的，而对以地应力为主的压出、倾出型动力现象预测敏感性较差。K1值主要取决于钻屑中瓦斯压力大小、钻屑的物理力学性质。而煤与瓦斯突出主要取决于煤体中的地应力、瓦斯压力的大小以及煤的物理力学性质等因素。△h2是从钻孔揭开某一采样段起，在煤样平衡压力卸除后的第4～5min的时间段瓦斯解吸量，体现为解吸仪U型水柱计的压差高度。△h2愈大，表征煤体的瓦斯含量高、煤的破坏类型高、愈易突出。

2结论

根据煤与瓦斯突出预测机理，对掘进工作面突出预测指标影响的主要因素进行分析，得到了突出预测指标随主要影响因素的变化规律。在掘进工作面进行突出危险性预测时，要根据煤层的具体情况，并根据突出预测指标的大小和变化规律，综合判断工作面突出危险性大小。

参考文献：

[1]中华人民共和国煤炭行业标准.钻孔瓦斯涌出初速度的测定方法［M］.北京：煤炭工业出版社.1996．

[2]刘国泉.关于应用钻屑量与钻屑瓦斯解吸指标判定突出危险性若干问题的讨论［J］.煤矿安全.1993（2）.