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(登封市煤炭管理局 河南 登封 452471)
摘 要:煤与瓦斯突出预测指标值是突出矿井预测预报煤与瓦斯突出的重要指标,同时也是制定防治煤与瓦斯突出措施的重要依据,其可靠性和准确性直接影响到突出矿井的生产安全。突出预测指标直接反映了煤层地应力、瓦斯压力、煤的力学性质三者综合作用的结果,是分析突出主导因素的主要依据。针对煤巷掘进工作面煤与瓦斯突出预测指标值现场测定操作过程中存在的问题,指出了影响突出预测指标值的关键因素,分析了影响其准确性和可靠性的原因,指出了减小其影响因素的方法,为今后现场测定预测指标值提供了参考。
关键词:预测指标;影响因素;瓦斯;煤与瓦斯突出
中图分类号:TD712 文献标识码:A
0 引言
煤与瓦斯突出是煤层地应力、瓦斯压力、煤的力学性质三者综合作用的结果,只有用可靠而准确的指标来反映并且标定这些作用力才能有效地预测煤与瓦斯突出。不论是矿井日常生产中的突出预测与效果检验,还是确定突出敏感性指标及其临界值,还是制定防突措施都要有准确的预测指标。在井下现场测定过程中,由于作业环境恶劣,人员素质参差不齐,加上仪器设备和工具的原因,容易造成测定数据不可靠、不准确,这直接影响了后续工作的开展。指标偏大,则可能加大防突措施的工作量,浪费人力物力,影响掘进速度;指标偏小则可能漏报、误报突出危险,引起突出。所以,分析预测指标值的影响因素,指出其影响原因,并采取相应的方法减小或者消除其影响是很有必要的。
1 测定方式
当前,国内外普遍采用钻孔法预测突出危险性,作为预测参数主要有钻屑量、钻屑瓦斯解吸指标、钻孔瓦斯涌出初速度等。煤矿常采用中、小直径(ф42mm,煤电钻、麻花钻杆打钻)钻孔超前排放防突措施,效果检验采用钻屑解吸指标Δh2,辅以钻孔瓦斯涌出初速度q值法(试用阶段)。考察煤层煤巷掘进工作面瓦斯突出危险性预测敏感指标及临界值的时候,三项指标均同时测定。
2 预测指标影响因素分析
2.1 钻屑瓦斯解吸指标的影响因素
2.1.1 煤钻屑解吸时间的影响
随着预测钻孔深度的增加,煤钻屑自煤壁脱落到流出钻孔孔口的时间也随之延长,事实上,煤钻屑自煤壁脱落的那一时刻起,已经开始在大气中暴露。因而,预测钻孔越深,钻屑暴露在大气中的时间越长。但是在现场的测定过程中,是从孔口接取煤钻屑时才开始计时的,这样上述测定过程中所采取的3min的解吸时间并不是煤钻屑实际的解吸时间,即煤钻屑在大气中的解吸时间要大于3min。由于忽略了煤钻屑自煤壁切削排至钻孔孔口的这段时间(这段时间随着钻孔深度的增加而增大),使瓦斯解吸的时间延长,致使实际的K1(Δh2)测定值偏小。实际上,忽略的这段时间很难计算是多少,只能尽可能的缩短这段时间。按照《细则》规定,在测定钻孔瓦斯解吸指标K1(Δh2)时,应每隔2m取煤样测定一次解吸值。为尽量准确测定K1(Δh2),笔者认为,应当在打钻过程中标定计时时刻和取煤钻屑时刻。假设测定8m钻孔的钻屑解吸指标,每隔2m取钻屑一次,8m预测钻孔共分为0~2m、2~4m、4~6m、6~8m四个2m测量段,在测定第一个2m段时,为准确掌握计时时刻,可在钻杆打到1m处即启动秒表开始计时。此时,认为1~2m处的钻屑脱落煤壁,瓦斯开始解吸,并在钻孔打到2m时开始接取煤钻屑。在测定第二个2m段时,可在3m处启动秒表计时,在4m处接取煤钻屑。第三个2m段在5m处开始计时,6m处接取煤钻屑。依此类推,测定8m以上的预测钻孔同此法。在多次的测定过程中,打钻正常的情况下,我们发现钻杆每向前推进1m约为0.5min。这样就大大缩短了在钻孔孔口处接取煤样时才开始启动秒表计时的瓦斯解吸时间损失。使得所测的K1(Δh2)较为接近真实值。
2.1.2 煤钻屑取样对预测指标值的影响
用钻屑瓦斯解吸指标预测突出时,在工作面煤壁上打ф42mm的钻孔,每隔2m在孔口处用1~3mm筛子筛分煤钻屑,取10g筛分后的钻屑装入煤样瓶中放入解吸仪器进行解吸。在现场实际的打钻过程中,切削下来的煤钻屑并不能由钻杆螺纹一次全部排出,孔内总是残留着以前测定段的钻屑。同时,由于在钻杆钻进的过程中对孔壁的磨削,在孔口处接取的煤钻屑是混合的煤样,这其中包括:在孔底刚刚钻下的钻屑、从孔壁周围切削的钻屑和前段钻孔未排出的钻屑。所以测出的K1(Δh2)存在一定的偏差。预测钻孔打的愈深,钻屑通过钻杆螺纹从孔底排到孔口时掺入孔壁钻屑和孔内残留钻屑的机会就愈多,钻屑的混合成分就愈大,预测结果偏差也就愈大。
为解决此问题,比较好的做法是,在打钻过程中尽量选用较直的钻杆,用木棍等工具托住钻杆防止其大范围的甩动以减小涮孔的影响,这样可以减少切削孔壁产生的钻屑量。在打下一个2m段时,可以将钻杆抽出来拉出残留的钻屑。这样做的目的是尽量的减少煤钻屑的混合成分。
2.1.3 煤体坚固性对钻屑瓦斯解吸值的影响
煤的坚固性系数(f值)较小时,在打预测孔的过程中,容易挎孔,钻杆对孔壁的切削严重,尤其是在钻杆较长且不直的情况下,涮孔的情形尤甚。在混合煤钻屑中孔壁钻屑量比例较大时,由于这部分钻屑中的瓦斯已经解吸,将导致所测定的K1(Δh2)偏小。而煤层的f值大时,不容易垮孔,钻孔成型较好,所接取的煤样中,孔壁钻屑占有的比例小,K1(Δh2)较为接近真实值。因此,在选取钻孔位置时,不宜选在煤层的软分层中,而应在较硬的煤体中打钻。
2.1.4 仪器操作的影响
在测定Δh2的过程中,除了上述影响因素外,如仪器使用不当,也会影到Δh2的准确性,如:①解吸仪的密封性:使用MD-2型煤钻屑瓦斯解吸仪前要仔细检查仪器的密封性,长期使用解吸仪,其三通旋塞和两通旋塞的“Ο”型密封圈会老化、磨损使仪器漏气,煤样在其中解吸时,部分解吸瓦斯会逸散到空气中,使Δh2值偏小。因而,在使用解吸仪的过程中要检查其气密性,及时更换新的“Ο”型密封圈;②解吸仪的放置与读数:解吸仪在使用前水柱计要调零,应使两侧水柱均保持在“0”刻度线左右。两侧的旋塞在使用前应全部拧下,以防止水漏出或者进入煤样瓶导致瓦斯解吸能力减弱致使Δh2值偏小。在解吸仪右侧三通旋塞拧紧煤样开始解吸时,此时仪器要平放,使两侧水柱面保持相平,不得倾斜,如有倾斜,两侧管内的水柱差将发生变化,所测数据将可能偏大或者偏小。在观察两侧水柱液面读取压差时,两眼应平视水柱凹液面处的刻度线。否则,读数会有偏差。
2.2 钻孔瓦斯涌出初速度的影响因素
2.2.1 软分层煤对q值的影响
煤层比较软时,在打预测孔的过程中,广泛出现垮孔、喷孔、卡钻、夹钻等现象。打钻并拔出钻杆后,钻孔会因塌孔而达不到原定的深度,胶囊封孔器插入钻孔的深度也就不是预定的钻孔深度,所测定的q值将受到影响。此外,q值测定时,气室按《细则》规定为0.5m,但是由于垮孔,气室长度将无法保证规定的长度,导致q值偏差。因此,测定q值的钻孔应尽量选在煤质较硬的分层中。在软煤中施工钻孔,打钻过程中涮孔严重,孔的圆度无法保持,加上垮孔严重,胶囊封孔器容易被损坏(如胶囊破裂,测量管被压等)。有时由于钻孔被涮严重,孔径加大,圆度不好,钻孔不规则,会出现封不住孔无法测得q值的现象,有时甚至将封孔器压入钻孔中不能拔出。
2.2.2 胶囊封孔器的影响
在现场实测中,胶囊封孔器也要注意检查气密性,充气胶管、封孔胶囊、卡箍,阀门和测量管连接处“Ο”型密封圈是最容易发生漏气的地方。这些部件在使用的过程中易磨损,如其中任何一个部件漏气都可能导致所测定的q值偏小。如果漏气严重,q测值甚至为0,所以必须保证封孔器有良好的气密性。应经常的检查,发现漏气应及时更换,以确保所测q值真实。
2.2.3 钻孔瓦斯涌出初速度q的不足之处
目前,我们使用该指标预测突出危险性都是根据瓦斯涌出绝对量来判断煤层突出危险性的。然而钻孔瓦斯涌出初速度q还与一些非突出因素有关。瓦斯含量会使q值增大,但是瓦斯含量与突出危险性并没有直接的关系;煤层透气性很大时也能导致q增大,但是这时却恰恰不容易突出。
钻孔瓦斯涌出初速度q实际上是一定长度钻孔内涌出的瓦斯量,而瓦斯流量又因为测量仪器的不同有瞬时值和平均值之分。《细则》中没有规定具体的测量仪器。目前我国突出矿井测定钻孔瓦斯涌出初速度的方法有两种,一种是累计式流量计,如湿式流量计和干式流量计,用这种仪器测量出的是一分钟内的平均瓦斯流量;另一种是瞬时流量计,如压差式流量计和转子流量计,用这类仪器测量出的是瞬时瓦斯流量。显然在相等条件下,用这两种仪器测出的瓦斯涌出初速度值一般是不相等的,因此用该指标判断突出危险性仍有不足之处。
2.3 钻屑量的影响因素
(1)客观影响因素。客观因素主要包括:打钻地点的瓦斯含量、应力状态、煤的结构及破坏程度等地质条件因素和钻头的直径及钻杆本身的因素。
(2)主观影响因素。在现场测量过程中,除了上述客观的瓦斯、地质因素外,人为的因素也在某种程度上影响着钻屑量S的大小。主要包括以下几点:①打钻的速度。打钻的速度主要是由工作人员控制,但是与煤体的硬度大小也有一定的关系。打钻的速度越快,钻屑量就会越少,反之,钻屑量就会越多。为了保证各个钻孔的钻屑量具有一定的可比性,在打钻过程中尽量保持一致的打钻速度;②钻屑量收集不全。钻屑量的收集与钻孔钻进不同步、由于风速过大钻屑被风吹走等因素都可以导致钻屑量收集不全。
参考文献
1 王兆丰,田坤云.焦作煤业集团公司中马村矿2903工作面采前危险性评价[R].科学技术研究报告,2005
2 王佑安,煤与瓦斯突出危险性预测方法[J].煤矿安全,1984(4)
3 邵军.关于工作面突出危险性预测方法的探讨[D].青年优秀论文集(2集),1992 职称论文发表网http://www.issncn.com
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