1、doi:10.13301/ki.ct.2023.02.028第42卷第02期2023年02月煤炭技术Coal TechnologyVol.42 No.02Feb.20230引言根据防治煤与瓦斯突出细则要求，突出矿井需按照“双四位一体”的原则严格执行。掘进工作面突出危险性预测作为“局部四位一体”的重要一环，应根据矿井各煤层自身特点和条件对其工作面突出预测敏感指标及其临界值进行科学考察。方山新井二1煤层掘进工作面采用多个指标（q值、h2值、S值）来进行突出危险性预测，虽然在减少煤与瓦斯突出次数和人员伤亡事故方面取得了一定效果，但也大大增加了矿井防突成本和工作面掘进周期，严重制约矿井生产效益。因此，
2、从现有工作面预测指标中考察确定出适合方山新井二1煤层工作面突出预测敏感指标及临界值，对保障矿井安全高效生产具有重大意义。1矿井及试验工作面概况方山新井位于河南省禹州市方山镇境内，为煤与瓦斯突出矿井，主采二1煤层。矿井总体轮廓以秦岭构造带北亚带为基本格架，新华夏复合迭加其上，以北东向构造体系先后穿插在秦岭构造带北亚带之方山新井二1煤层掘进工作面煤与瓦斯突出预测敏感指标及临界值确定*肖乔1，2（1.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆400037；2.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆400037）摘要：为了确定出方山新井二1煤层掘进工作面突出危险性预测敏感指标及临界值，通过分析煤样突出参
3、数，初步确定出可诱导二1煤层发生突出的主导因素，再依据工作面指标与瓦斯指标（瓦斯含量）的相关性，对比分析其敏感程度，从而确定出二1煤层掘进工作面敏感指标为钻屑瓦斯解吸指标h2值（主要指标）和钻屑量指标S值（辅助指标）。采用实验室测定、历史异常情况分析、现场跟踪考察相结合的研究方法，并通过扩大试验进行验证，确定出了其临界值为h2=180 Pa、S=4.8 kg/m。结果表明，所确定的掘进工作面突出预测敏感指标及临界值符合矿井实际情况，能够有效保证煤巷安全高效地掘进。关键词：掘进工作面；突出预测；敏感指标；临界值；防突中图分类号：TD713文献标志码：A文章编号：1008 8725（2023）02
4、 122 04Sensitive Index and Critical Value Determination for Forecasting Coaland Gas Outburst of Heading Face in No.21Coal Seam in FangshanNew MineXIAO Qiao1，2（1.State Key Laboratory of Gas Disaster Monitoring and Emergency Technology,Chongqing 400037,China;2.China CoalTechnology and Engineering Grou
5、p Chongqing Research Institute,Chongqing 400037,China）Abstract:In order to determine the sensitive index and critical value of outburst risk prediction ofheading face in No.21coal seam in Fangshan new mine,by analyzing the outburst parameters of coalsamples,the leading factors inducing outburst in N
6、o.21coal seam can be preliminarily determined,thenaccording to the correlation between working face index and gas index（gas content）,compare andanalyze its sensitivity,the sensitive indexes of No.21coal seam heading face are determined:the criticalvalue of analytical index of cuttings gas h2（main in
7、dex）and the critical value of index of drillingvolume S（auxiliary index）.The research method involved a range of methods including laboratorydetermination,analysis of historical anomalies,on site follow-up inspection and verified by expandedtest,the critical value is determined:h2=180 Pa,S=4.8 kg/m.
8、The results show that the determinedsensitive index and critical value of outburst prediction in heading face accord with the actual situationof the mine,it can ensure safe and efficient excavation of coal roadway.Key words:heading face;prediction of outburst;sensitive index;critical value;outburst
9、prevention*“十三五”国家重点研发计划重点专项（2018YFC0808001）122中。地层大致由奥陶系、二叠系（主要煤层）、三叠系、第四系组成，走向NNE，倾向SEE，倾角1018，北部缓于南部，地质条件相对简单。试验工作面选定为二1采区11061机巷，如图1所示。11061机巷位于方山新井下山采区北翼，此处二1煤层厚度611 m，倾角1316，直接顶为砂质泥岩、泥岩为主，基本顶为中粒砂岩；直接底板为泥岩、砂质泥岩，基本底为粉砂岩，局部砂质泥岩或细粒砂岩。该工作面未揭露出断层等地质构造，但有小的褶曲，构造较为简单，煤层赋存基本稳定。试验区域最大原始瓦斯压力1.22 MPa，最大原始
10、瓦斯含量11.78 m3/t。图1试验工作面平面布置图2工作面突出预测敏感指标确定2.1初步分析通过在试验区采取的具有代表性的2份煤样进行突出参数（瓦斯放散初速度p、坚固性系数f、煤的破坏类型）分析，其结果如表1所示。表1瓦斯突出参数测定结果从所测定的突出参数可以看出二1煤层具有较强的瓦斯放散能力，但煤的硬度较低，抵抗外力破坏的能力差，则容易发生瓦斯主导的动力灾害。通过调研，目前矿井开采埋深已达680 m，随着开采埋深的增加，地应力灾害也会逐步增大，则极可能转变为瓦斯、地应力共同主导的复合型动力灾害。在现有工作面预测指标中，钻孔瓦斯涌出初速度q值、钻屑瓦斯解吸指标h2值对以瓦斯作为主导的动力灾
11、害敏感性较好，钻屑量S值对于地应力为主导的动力灾害敏感性较好。因此，初步认定方山新井二1煤层在目前开拓开采条件下工作面突出危险性预测指标以q值、h2值为主要敏感指标；为了对矿井地应力灾害情况进行了解把控，同时需以S值作为辅助指标进行测定。2.2预测指标随瓦斯含量变化情况分析研究表明，煤层瓦斯较大的区域发生动力灾害的概率更高，且与工作面突出预测指标存在着一定关系，即工作面突出预测指标与瓦斯指标符合一定的变化趋势，变化趋势越接近，则预测指标越敏感。煤层瓦斯赋存情况主要以瓦斯含量与瓦斯压力2个指标进行反映，考虑到瓦斯压力测定工艺复杂、周期长、误差大等问题，则采用瓦斯含量与各工作面预测指标进行敏感性对
12、比分析。通过对11061机巷进行现场跟踪考察，统计了70个循环的工作面预测指标数据，并与该工作面区域效果检验所测定的瓦斯含量进行对比分析，q值、h2值、S值的最大值随瓦斯含量变化关系曲线分别如图2图4所示。图2qmax与瓦斯含量趋势对比图图3h2max与瓦斯含量趋势对比图图4Smax与瓦斯含量趋势对比图通过图2、图3、图4可以看出，钻屑瓦斯解吸指标h2值与瓦斯含量保持了一致性，随之发生相应的增减，其变化关系较明显；q值随瓦斯含量的变化趋势大致相似，但变化关系并不太明显，局部区域甚至未发生变化（无测值）；S值完全不随瓦斯含量发生变化。因此，可以得出h2值敏感性较好，q值敏感性一般，S值敏感性较差
13、。2.3综合分析通过以上分析，可以得出掘进工作面突出预测指标敏感性依次为h2值q值S值。相比较于q值、S值，h2值能更好地反映出由于不同地质单元煤样1#2#p/mmHg2722f值0.210.14煤的破坏类型第42卷第02期Vol.42 No.02方山新井二1煤层掘进工作面煤与瓦斯突出预测敏感指标及临界值确定肖乔11051机巷11051机巷底抽巷11061机巷底抽巷11061机巷试验巷道11061机巷运输巷-60 m-80 mNq值瓦斯含量64.83.62.41.20钻孔瓦斯涌出初速度q值/Lmin-150100 150250350450 500400300200掘进里程/m86420瓦斯含量
14、/m3t-1240180120600瓦斯解吸指标h2值/Pa86420瓦斯含量/m3t-1h2值瓦斯含量50100 150250350450 500400300200掘进里程/m64.83.62.41.20钻屑量S值/kgm-186420瓦斯含量/m3t-150 100 150250350450 500400300200掘进里程/m瓦斯含量S值123瓦斯赋存异常所造成煤层突出危险性变化趋势，随着工作面瓦斯赋存的变化而变化，并与区域指标瓦斯含量的的变化关系更为吻合，可以较真实地反映突出危险。矿井在开展二1煤层掘进作业过程中，还应预防大埋深条件下由高放散性软煤诱发的瓦斯与地应力共同主导的动力灾害，
15、在目前所有的工作面突出危险预测指标中，有且仅有钻屑量S值能够对地应力情况以及煤体结构情况进行反映。虽然S值敏感性较差，但从保证矿井安全生产长远性考虑，仍需要对钻屑量指标S值进行测定。综合考虑，确定出二1煤层掘进工作面预测敏感指标为钻屑瓦斯解吸指标h2值（主要指标）和钻屑量指标S值（辅助指标）。3工作面突出预测指标临界值初值确定3.1h2值临界值初值的确定（1）实验室分析研究结果表明，煤层瓦斯压力p与钻屑瓦斯解吸指标K1值之间存在函数相关性，即K1-p关系，则可以通过实验室测定的K1-p关系模型及瓦斯压力p的临界值推算出K1值的临界值。K1值与h2值同为钻屑瓦斯解吸指标，因此，可根据其线性关系换
16、算出h2值的临界值。根据上述分析，对试验区二1煤层不同地点3个煤样进行了实验室K1-p关系测定，其关系模型如表2所示。表2K1-p关系模型考虑到河南省区域预测指标按“双六标准”进行实施，当瓦斯压力p=0.6 MPa时，计算出K1=0.360.41 mL/（gmin1/2），由经验公式可推得K1-h2关系。K1=0.008 3h210（5-3）=0.001 6h2（1）将K1值代入式（1），进而得出当p=0.6 MPa时，h2=225256 Pa，取其最小值225 Pa暂定为临界初值。（2）历史情况分析历史瓦斯异常赋存带测值分析从历史资料可知，在矿井11041风巷掘进过程中，工作面掘进至里程450 m处出现软分层，由于软分层处煤层的结构和瓦斯赋存特征不同于正常区域，造成该预测循环突出预测指标h2值测值明显升高，h2值达到180 Pa（正常情况下h2=60140 Pa），一方面可以体现出h2值的敏感性较好，另一方面也说明了当h2=180 Pa时能够反映出二1煤层瓦斯赋存异常情况。因此，可将180 Pa暂定为临界初值。历史发生突出情况分析方山新井二1煤层历史上共发生过3次煤与瓦斯突出事故，均