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突出煤层条带精细预测技术
一、 选题依据
煤炭是中国的主要能源, 分别占一次能源生产和消费总量的76%和69%, 在未来相当长的时期内, 中国仍将是以煤为主的能源结构。随着煤炭工业经济增长方式的转变、 煤炭用途的扩展, 煤炭的战略地位依然十分重要[1]。
中国也是世界上煤与瓦斯突出最为严重的国家, 每年因为煤与瓦斯突出的事故造成大量的人员伤亡, 带来巨大的经济损失。当前, 中国煤矿平均开采深度已达到670m, 且每年以10～20m的速度下延, 一部分矿井开采深度达到800m, 采深超过1000m的矿井己有三十多对, 随着矿井开采深度的增加和开采难度的加大, 地质条件、 开采条件越来越复杂, 煤层瓦斯压力和含量也逐渐增大, 原始应力、 构造应力、 开采扰动应力相互耦合, 从而使得煤与瓦斯突出灾害时有发生[2]。近年来该类事故也有很多: 据统计, 仅 , 煤矿事故起数和死亡人数分别为1403起、 死亡2433人 [3]。全国小煤矿发生事故970起、 死亡1700人, 小煤矿百万吨死亡率为1.417%。 第一季度, 全国煤矿共发生17起煤矿较大以上事故, 共造成113人死亡[4]。 10月到11月份, 在河南焦煤集团九里山矿16采区16031上风道掘进工作面、 湖南省衡阳市霞流冲煤矿-250m水平岩石上山掘进工作面、 云南省曲靖市私庄煤矿在1747掘进工作面相继发生煤与瓦斯突出事故, 共造成85人死亡。
不断发生的煤与瓦斯突出事故, 与党和国家所倡导的”以人为本”、 ”建立和谐社会”的发展战略格格不入, 直接妨碍了煤矿安全高效生产, 阻滞了煤炭工业的持续、 健康、 稳定发展。当前, 随着产量的提高, 开采深度和开采难度的增大, 煤层瓦斯含量越来越大, 突出的严重性也在增大, 由于受瓦斯灾害的制约, 多数矿井掘进速度很慢, 严重影响了矿井的正常采掘接替, 矿井采掘失调, 采、 掘、 抽不能协调发展, 由此可见瓦斯突出灾害严峻局面已经成为制约一些大型煤业集团安全高效生产最关键性因素[5,6]。
研究成果表明, 煤层中赋存瓦斯的多少不但对煤层瓦斯含量大小有影响, 而且直接影响到煤层中瓦斯流动及其发生灾害危险性的大小[7]。经过研究煤层瓦斯赋存和分布, 得出的影响瓦斯含量各种主控因素的相互关系, 这为矿井瓦斯突出防治提供了很好的切入点, 有助于提高矿井瓦斯突出防治工作。
当前, 平煤集团开采的一矿、 四矿、 六矿和十矿等已经进入采深大于800m的深部, 瓦斯压力越来越大, 煤层突出危险逐步增加, 突出动力现象越来越明显, 但瓦斯含量并不高。平煤一矿当前浅部及开采条件简单的区域基本开采结束, 采掘活动大多在埋深600m以深区域, 部分区域达到800m以深, 开采技术条件越来越复杂, 现在主采丁组、 戊组煤层, 丁组煤层标高范围-450~-800m, 其中丁6煤层为突出煤层, 具有突出危险性, 测定的煤层瓦斯压力最大1.75MPa, 但煤层瓦斯含量在6.0m3/t以下。与此同时, 丁6煤层局部构造软煤较发育, 在矿井三水平丁二采区采煤工作面机巷和回风巷掘进过程中局部区域预测指标频繁超限, 回采阶段曾出现过瓦斯突出动力现象。并发现超限次数向深部逐步增多, 突出危险性逐步增大 [8]。因此, 非常有必要对平煤一矿开展突出煤层条带精细预测技术的研究, 以使矿井瓦斯治理工作做到有的放矢, 保证矿井的高产高效。
二、 国内外研究现状
2.1煤与瓦斯突出机理及其预测技术研究现状
煤与瓦斯突出是一种复杂的矿井瓦斯动力现象, 而且突出预测是以煤与瓦斯突出机理的认识为基础的。当前, 根据煤与瓦斯突出机理的相关研究结论[9,10], 突出机理的假说主要可分为瓦斯主导学说( 认为瓦斯是突出的主要能量, 高压瓦斯突破煤壁, 携带碎煤猛烈喷出, 形成突出) 、 地应力主导学说( 认为突出的主要能量是地应力, 由于积聚在煤层周围岩石的弹性变形潜能所引起的煤与瓦斯突出) 、 化学本质作用( 认为突出是由于煤在变质作用时发生的化学反应而引起的) 和综合作用假说( 认为突出是由地应力、 包含在煤体中的瓦斯及煤体物理力学性质综合作用的结果) 。各种假说都只能解释突出机理的一部分, 并不能完全解释, 当前为多数学者们所接受的学说认为参与突出的煤( 岩) 体、 瓦斯、 和应力场是一个统一体系, 煤( 岩) 体所积存的弹性应变能和瓦斯内能是突出发生的能量, 地应力突变和采掘活动扰动是激发突出的因素[11]。
国内外突出事例的统计分析表明, 突出在井田内分布是不均匀的, 比较集中地分布在某些地质构造带, 称之为区域性分布[12]。煤与瓦斯突出预测技术就是为了确定和划分出这些区域, 为进一步的防突工作打下基础。突出预测从时间和范围上主要可分为两大类: 区域预测和局部预测[13]。前者是用来确定矿井、 煤层及采区等区域的危险性, 后者主要用来确定石门揭煤、 掘进和回采工作面的突出危险性。
国内外煤与瓦斯突出区域预测的方法有单项指标法、 综合指标法、 地质指标法、 地质统计资料法、 瓦斯地质的预测方法、 瓦斯含量预测法等。这些方法多属于静态非连续接触式预测方法, 是当前中国常见区域预测方法。
1) 单项指标法。该法是基于煤体力学性质及其赋存条件提出各种量化预测指标, 即瓦斯放散初速度ΔP、 瓦斯压力p、 煤的坚固性系数和煤的破坏类型。其突出临界值见表1-1
表1-1 单项预测指标及其临界值
煤的破坏类型
瓦斯放散初速度△P
坚固性系数f
煤层瓦斯压力p/MPa
煤层突出危险性
Ⅲ、 Ⅳ、 Ⅴ
≥10
≤0.5
≥0.74
突出危险
Ⅰ、 Ⅱ
＜10
＜0.5
＜0.74
无突出危险
2) 综合指标法。该法是由抚顺研究分院提出来的, 适用于煤层的区域预测和石门揭煤工作面的突出危险性预测, 包括D和K两个综合预测指标, 见公式1-1和1-2。
D=( 0.0075H/f-3) (p-0.74) ( 1-1)
K=ΔP/f ( 1-2)
式中: D—综合预测指标; K—综合预测指标; H—煤层开采深度, m;p—煤层瓦斯压力, MPa; f—软分层煤的平均坚固性系数; ΔP—瓦斯放散初速度。
3) 地质指标法。湖南煤研所提出用煤层围岩R5( 5m含砂岩率) , 地质构造指标K4、 煤质指标Kd( Kd=0.09ΔP-1.62f2) 和瓦斯压力p进行综合判断, 各指标的临界值见表1-2
表1-2 地质指标及其临界值
R5
Kf
Kd
p/MPa
突出危险性
＞0.7
≤0.25
1
≤0.4
无危险
0.75～0.45
0.25～0.75
1.0～1.5
0.4～1.0
过渡性
＜0.45
≥0.75
≥1.5
≥1.0
危险
4) 瓦斯地质统计法。该法是根据已开采区域确切掌握的煤层赋存和地质构造统计与突出分布的规律, 结合未采区域的地质构造条件推测出突出可能发生的范围。因此, 各矿区可根据已采区域的主要控制突出的地质构造因素来预测未采区域的突出危险性[14]。
5) 区域预测的瓦斯地质方法。90年代末, 杨力生、 张子敏等从板块构造运动学说入手, 分析地质构造演化历史, 研究构造演化对瓦斯的生储盖条件的影响, 划分出井田的瓦斯地质单元, 有效的预测了矿区、 矿井、 采区、 采面的瓦斯情况[15]。张玉贵教授提出根据构造煤化学结构的不同来预测煤与瓦斯突出[16]。郭德勇教授认为煤与瓦斯突出构造物理环境由构造组合特征、 构造应力场、 构造煤和煤层瓦斯四因素组成并探讨其对地质构造带煤与瓦斯的控制作用, 为地质构造突出危险性预测技术提供了理论依据[17]。另外, 张宏伟教授从地质动力学方面研究, 提出了运用地质动力区划方法预测煤与瓦斯突出[18]。
6) 瓦斯含量预测法。国内外学者从未停止过对突出预测的新技术探索研究, 澳大利亚采用直接测定瓦斯含量的方法预测煤层突出危险性, 根据现场采取的煤样瓦斯解吸规律等特征快速推算煤层瓦斯含量, 利用煤层瓦斯含量指标预测煤层的突出危险性[19]。煤炭科学研究总院运用此法在淮南煤业集团潘一矿进行现场试验, 其结果与日常预测结果有很好的相关性[20]。
国内外煤与瓦斯突出局部预测的方法有瓦斯涌出速度法、 钻屑指标法、 R指标法、 V30特征值预测法、 煤体温度预测法、 地球物探法等, 多用于矿井工作面的日常预测。
1) 瓦斯涌出初速度法。前苏联马凯耶夫煤矿安全研究所在斯巴顿各个区不同的地质和采矿技术条件下进行实践研究, 采用钻孔瓦斯涌出初速度法预测煤巷突出危险性[21]。其临界值应根据实测数据确定, 若无实测值, 可参照表1-3。
表1-3 钻孔瓦斯涌出初速度临界值( qm)
煤质的分析Vdaf
5～15
15～20
20～30
＞30
qm(l/m)
5.0
4.5
4.0
4.5
2) 钻屑指标法。此法是根据每个钻孔沿钻深每米的最大钻屑量Smax和钻屑瓦斯解吸指标K1或Δh2, 来预测掘进、 回采工作面突出危险性。各项指标临界值见表1-4。
表1-4 各项钻屑指标及其临界值
Smax
K1
Δh2
突出危险性
kg/m
L/m
mL/(g·mm1/2)
Pa
≥6
≥5.4
≥0.5
≥200
突出危险
＜6
＜5.4
＜0.5
＜200
无突出危险
3) R指标法。它是前苏联东方煤研所于1969年提出的, 经过在库兹巴斯、 卡拉干达、 顿巴斯等煤田进行试验研究得出其临界值为6[22], 当R≥6时就有突出危险, 反之亦然。
R=( Smax-1.8) (qmax-4) ( 1-3)
式中Smax—每个钻孔沿钻深最大钻屑量, L/m; qmax—每个钻孔沿钻深最大瓦斯涌出初速度, L/min·m。
4) V30特征值预测法。德国在打眼爆破掘进煤巷时, 采用V30特征值预测瓦斯突出危险性。即爆破后前30min内的瓦斯涌出量与崩落煤量的比值。V30特征值的临界值为40%的可解吸瓦斯含量, 超过该值, 即存在突出危险。
5) 煤体温度预测法。该法的原理是工作面前方的煤体温度的变化特征决定于煤体应力变形状态和瓦斯动力状态[23]。乌克兰科学院工程物理研究所采用钻孔内距工作面1、 2、 3m的煤体温度梯度作为评价突出危险性的指标, 其临界值范围: 当Δt2-1、 Δt3-2＜2℃时, 则为无危险; 当Δt2-1＞2℃、 Δt3-2＜2℃时, 则为有威胁; 当Δt2-1、 Δt3-2＜2.5℃时, 则为有突出危险。
另外, 波兰学者经过工作面突出前后煤层瓦斯中氧浓度急剧变化的研究, 提出了煤层瓦斯氧浓度的预测法。
6) 地球物探法。该法的原理是根据煤层密度、 传播速度等物理参数研究与地应力、 煤质的物理性质、 瓦斯压力的关系, 阐述煤层区域发生突出的条件。该方法主要有声发射法、 无线电波透视探测法、 电磁辐射法、 瓦斯涌出动态指标法等, 属于非接触式动态连续性预测方法。
a) 声发射法。该法原理是采掘过程中煤层和围岩噪声率的大小反映了煤的围岩开裂的程度, 与具有低噪声率的相邻地带相比, 煤与瓦斯突出均发生在高噪声率地带, 划分高噪声率地带等效于划分突出危险带。早在1974年, 前苏联的斯巴顿煤田对声发射预测技术有较为深入的实践研究, 在其突出矿井的近400个工作面采用记录噪声脉冲数的方法预测突出危险性[24]。80年代初, 澳大利亚研究出了双声道声发射突出预测系统, 其它国家如美国、 德国、 加拿大等在这方面都有着不同程度的研究[25]。今年来中国煤科总院重庆分院、 西安分院相继开发出了KJ-54型矿井安全系统和MJY-1型声发射实时监测系统。并在平顶山矿区部分矿井进行了现场试验, 虽然该法能够有效预测煤层突出危险性, 但其预测结果的准确性与实际生产要求存在一定差距。
b) 电磁辐射法。相关研究表明[26-28]: 煤岩层在受力破坏过程中会发生电磁辐射, 电磁辐射强弱和脉冲数取决于煤体应力状态和瓦斯压力的大小。因此, 可采用采掘工作面前方煤层受力破坏产生的电磁辐射强度和电磁辐射脉冲数两项指标来预测突出危险。中国和前苏联是较早开展这方面研究的, 中国矿业大学经过十多年的实践研究开发出KDB5型电磁辐射监测系统, 并在全国二十多个矿井推广应用。结果表明采用电磁辐射特征监测工作面突出危险性是可行的。另外, 俄罗斯学者Frid研究了不同煤体物理力学性质、 受力状态下瓦斯对工作面电磁辐射的影响, 提出了依靠岩石破裂产生的电磁辐射方法进行岩石与瓦斯突出预测方法[29]。
随着计算机科学和数学模型理论的飞速发展, 一些先进的理论方法如计算机模拟、 模糊数学理论、 灰色系统理论、 神经网络、 专家系统、 分形几何理论等开始应用于煤与瓦斯突出的定量分析中, 并取得一定研究成果。
唐春安、 芮勇勤等运用岩石破裂过程分RFPA2D系统[30], 对含瓦斯煤岩突出问题进行了初步探索, 该系统的显著特点是能够在模型中考虑材料的非均匀性。模糊数学理论有美国控制论专家L.A.Zadeh首先提出, 国内外不少学者采用模糊评判理论结合统计学方法定量评价瓦斯突出危险性。近年来, 以BP神经网络模型为代表的模糊神经网络技术在煤与瓦斯突出预测领域取得了令人关注的成效。中国科学院地质研究所正在研制预测突出的专家系统GAS-BURST, 它根据用户提供矿区的地质构造、 瓦斯、 钻孔粉尘、 地应力和已突区域的资料, 划分出突出危险区[31]。分形几何理论最近几年在突出预测中也有广泛应用。如吕绍林等进行了突出煤体的粒度分形研究[32], 傅雪海等进行了煤储层孔隙、 裂隙系统分形研究, 分析了分形维数与煤层的孔隙、 裂隙发育程度及煤层变质程度的关系, 为煤与瓦斯突出预测提供了较为精确的理论方法[33]。
平煤一矿二水平丁二采区丁6-22160工作面在风巷掘进过程中发生过一次煤与瓦斯突出现象, 压出煤量2.2t, 涌出瓦斯量420m3。 5月经煤科总院抚顺分院鉴定, 平煤一矿直接由低瓦斯矿井升级为煤与瓦斯突出矿井, 丁6煤层属于突出煤层。 中国矿业大学对丁6煤层的区域突出危险性预测研究, 结论表明: 三水平丁二采区西翼-517m以下为突出危险区; 东翼-570m以下为突出危险区, 其它区域为无突出危险区域。
2.2 存在问题
( 1) 当前矿井采用的预测技术多为静态非连续预测, 而井下采掘活动是持续进行的, 即煤体及其周围岩体都是动态变化, 故测定结果并不能完全代表处于动态变化的煤体在某一时刻的突出危险性, 延时突出就是例证。另外, 现场实测数据是局部的, 不能完全反映出预测范围内的突出危险性。
( 2) 在进行突出预测过程中, 直接选用防突规定中通用的预测指标及其临界值往往不符合本矿井的实际情况, 易造成”低指标突出”现象发生。因此, 在突出预测之前, 各矿井需要经过科学试验考察确定符合矿井的突出预测敏感指标及其临界值。
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