D0I:10.13374/1.issnl00103.2009.03.032 第31卷第3期 北京科技大学学报 Vol.31 No.3 2009年3月 Journal of University of Science and Technology Beijing Mar.2009 钻屑量与钻屑瓦斯解吸指标在防突预测的应用 桂祥友) 徐佑林)孟絮屹)郁钟铭，3) 1)贵州大学矿业学院，贵阳5500032)武汉理工大学管理学院，武汉430070 3)贵州民族学院管理学院，贵阳550025 摘要针对井下复杂环境因素对煤与瓦斯突出危险性预测指标确定的影响和预测指标确定的要求，着重研究了钻屑量与 钻屑解吸指标在煤与瓦斯防突中的应用及钻屑瓦斯解吸指标之间的关系，分析了突出危险性预测中影响单指标值测定误差 的常见因素，并在此基础上提出了一些指标测定中应该注意的事项和减少误差的措施· 关键词煤与瓦斯突出：钻屑量：煤与瓦斯突出指标：钻屑解吸指标：敏感指标 分类号TD713.2 Application of the value of drilling cuttings weight and desorption index for drill cuttings to preventing coal and gas outburst GUI Xiang you),XU You-lin),MENG Xuyi),YU Zhong"ming2.3) 1)Mining College.Guizhou University,Guiyang 550003.China 2)Management college.Wuhan University of Technology.Wuhan 430070.China 3)Management college.Guizhou University of Nationalities.Cuiyang 550025.China ABSTRACI In order to investigate the effect of underground complex environmental factors on the identification of forecast indica- tors for coal and gas outburst fatalness and meet the need of determining forecast indicators,the value of drilling cuttings weight and desorption index for drill cuttings were focused on,which were applied in coal and gas outburst controlling.The relation between des- orption indexes for drill cuttings was discussed.After analyzing common factors which affect the error of single-index measurement. some attentions in mensuration and measures to reduce the error were put forward in preventing coal and gas outburst. KEY WORDS coal and gas outburst:value of drilling cuttings weight:coal and gas outburst index;desorption index for drill cut- tings:sensitive index 煤与瓦斯突出预测的基础是人们对突出过程及 虽然非接触式（动态）预测是煤与瓦斯预测评价 其影响因素的认识，在对煤与瓦斯突出进行研究的 技术发展的必然趋势，但由于这类技术系统的不完 一个多世纪中，各国的研究者经过不懈的努力，提出 善，有些还处于理论论证阶段，再加上一些经济、技 了各种各样的突出预测方法，根据突出预测过程及 术的限制，动态预测技术尚未被煤矿广泛采用.相 其连续性，日常预测又可分为静态（或不连续）和动 反，静态预测由于其简单易操作而应用广泛，本文 态（或连续）两类预测方法，静态法是指从现场工作 着重就钻屑量与钴屑瓦斯解吸指标在煤与瓦斯突出 面含瓦斯煤体中提取煤体或瓦斯在某一时刻所处状 预测中的应用进行了研究 态的某种量化指标而确定危险性的方法；动态法是 指通过动态连续地监测能够综合反映含瓦斯煤体所 1钻屑量指标理论分析 处应力（或变形）状态的某种指标而确定工作面附近 在理论上，钻屑量指标的大小，决定于四个方面 煤层危险性的方法]. 的因素：钻孔地点的瓦斯含量：地应力状况；煤的结 收稿日期：2008-03-05 基金项目：教育部春晖计划资助项目(N。,Z072010):贵州省国际合作项目(N。,Z073018):贵州大学引进人才资助项目(N。-Z065013):贵州省 优秀青年人才资助项目 作者简介：桂祥友(1973-)，男，教授，博士，E-mail:y8668@126.com
钻屑量与钻屑瓦斯解吸指标在防突预测的应用 桂祥友1） 徐佑林1） 孟絮屹1） 郁钟铭23） 1） 贵州大学矿业学院贵阳550003 2） 武汉理工大学管理学院武汉430070 3） 贵州民族学院管理学院贵阳550025 摘 要 针对井下复杂环境因素对煤与瓦斯突出危险性预测指标确定的影响和预测指标确定的要求着重研究了钻屑量与 钻屑解吸指标在煤与瓦斯防突中的应用及钻屑瓦斯解吸指标之间的关系分析了突出危险性预测中影响单指标值测定误差 的常见因素并在此基础上提出了一些指标测定中应该注意的事项和减少误差的措施． 关键词 煤与瓦斯突出；钻屑量；煤与瓦斯突出指标；钻屑解吸指标；敏感指标 分类号 TD713∙2 Application of the value of drilling cuttings weight and desorption index for drill cuttings to preventing coal and gas outburst GUI Xiang-you 1）XU You-lin 1）MENG Xu-yi 1）Y U Zhong-ming 23） 1） Mining CollegeGuizhou UniversityGuiyang550003China 2） Management collegeWuhan University of TechnologyWuhan430070China 3） Management collegeGuizhou University of NationalitiesGuiyang550025China ABSTRACT In order to investigate the effect of underground complex environmental factors on the identification of forecast indicators for coal and gas outburst fatalness and meet the need of determining forecast indicatorsthe value of drilling cuttings weight and desorption index for drill cuttings were focused onwhich were applied in coal and gas outburst controlling．T he relation between desorption indexes for drill cuttings was discussed．After analyzing common factors which affect the error of single-index measurement some attentions in mensuration and measures to reduce the error were put forward in preventing coal and gas outburst． KEY WORDS coal and gas outburst；value of drilling cuttings weight；coal and gas outburst index；desorption index for drill cuttings；sensitive index 收稿日期：2008-03-05 基金项目：教育部春晖计划资助项目（No．Z072010）；贵州省国际合作项目（No．Z073018）；贵州大学引进人才资助项目（No．Z065013）；贵州省 优秀青年人才资助项目 作者简介：桂祥友（1973—）男教授博士E-mail：gxy8668＠126．com 煤与瓦斯突出预测的基础是人们对突出过程及 其影响因素的认识．在对煤与瓦斯突出进行研究的 一个多世纪中各国的研究者经过不懈的努力提出 了各种各样的突出预测方法．根据突出预测过程及 其连续性日常预测又可分为静态（或不连续）和动 态（或连续）两类预测方法．静态法是指从现场工作 面含瓦斯煤体中提取煤体或瓦斯在某一时刻所处状 态的某种量化指标而确定危险性的方法；动态法是 指通过动态连续地监测能够综合反映含瓦斯煤体所 处应力（或变形）状态的某种指标而确定工作面附近 煤层危险性的方法［1—2］． 虽然非接触式（动态）预测是煤与瓦斯预测评价 技术发展的必然趋势但由于这类技术系统的不完 善有些还处于理论论证阶段再加上一些经济、技 术的限制动态预测技术尚未被煤矿广泛采用．相 反静态预测由于其简单易操作而应用广泛．本文 着重就钻屑量与钻屑瓦斯解吸指标在煤与瓦斯突出 预测中的应用进行了研究． 1 钻屑量指标理论分析 在理论上钻屑量指标的大小决定于四个方面 的因素：钻孔地点的瓦斯含量；地应力状况；煤的结 第31卷 第3期 2009年 3月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．31No．3 Mar．2009 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2009．03．032
.286 北京科技大学学报 第31卷 构破坏程度；钻头直径，其中，钻头直径是钻屑量指 B=(,o-1)/(R-,0r0) (6) 标的一个参照标准，对于某一固定钻头直径来说钻 由此可得S。计算公式为： 屑量指标是一个常量，主要取决于钻孔地点的瓦斯、 地应力能量的大小及煤的结构破坏程度，也即影响 Sp=[(R2-r6)(A-1)- 煤与瓦斯突出最主要的三个因素.所以，钻屑量指 0.667B(R3-r)]πA/A (7) 标的大小综合反映了影响突出发生的三个主要因 (4)破碎带形成后，同理可以得到弹性区与破 素，单位孔长的钻屑量愈大，则发生突出的危险性 碎带交界处由于弹性卸载而产生的附加煤屑量S2 愈大3. 的计算公式： 1.1钻屑量的组成 Se2=2π(1+)R2[(1-r6/R2)- 钻屑量由以下四部分组成， (1)钻孔实体煤芯So,此部分煤屑为钻孔半径 2/(M+1)](W-P)/E (8) 0周围出现破碎圈前的原始煤屑，若按单位长度计 综上所述，钻屑量的计算公式为： 算，原始煤体体积质量为P,则有： S=So十Se1+Se2+Sp (9) S0=πri00 (1) 极限煤屑量是煤体一围岩力学系统达到极限平 式中，So为实体煤芯的钴屑量，kgm一；r0为钻孔 衡的条件，即钻屑量指标临界值 半径，m；6为原始煤体体积质量，kgm3. 1.2钻屑量指标应用分析 (2)钻孔成形后，钻孔弹性变形所形成的附加 煤与瓦斯突出的预测指标很多，但并不一定每 煤屑量为S,按等效应力作用原理，使多孔介质破 一个指标都能应用并适合具体的每一个矿井，在运 坏的真实应力是有效应力，有效应力=W一P(P 用指标进行预测矿井煤与瓦斯突出之前要分析哪些 为瓦斯压力，入为与煤内磨擦角和内聚力有关的系 指标是该矿井的敏感指标.所谓的预测指标敏感性 数)，煤的弹性模量与泊松比分别为E、,则有： 是指在一定的开采、地质条件下，指标的大小及其变 化与突出危险的相关性，若指标的大小及其变化与 Sa=2xroPo(W-AP)(1+v)/E (2) 煤层的突出危险性之间没有规律性，指标的大小不 式中，S为钻孔弹性变形所形成的附加煤屑量，kg· 能反映突出的危险性，则该指标就不敏感；若有规律 m一；W为落煤开始到测定时损失的瓦斯解吸量， 性，但指标随突出危险性的变化很小，现有的测试手 mLg;入为与煤内磨擦角和内聚力有关的系数： 段不能满足测试误差的要求，其变化规律将会被测 E为煤的弹性模量，Nmm2;v为煤的泊松比；P 试误差淹没，指标也不敏感；只有指标的大小及其变 为瓦斯压力，MPa: 化与煤层突出危险性之间有规律性，指标的大小足 (③)钻孔成形后，孔壁周围破碎带内煤体扩容 以反映煤层的突出的危险性，且指标的幅度足以克 所形成的附加煤屑量为S。 服测试误差的影响，才算敏感指标， 破碎圆的半径 通过极限钻屑量的计算公式分析表明，煤体的 力学性质对钻屑量大小有显著关系：煤体具有一般 =2 (3) 弹塑性软化模型力学特性，钻屑量随地应力增加而 增大，此种条件下该指标对预测以地应力为主导因 式中，M为破碎带煤体的三轴残余强度系数，σ0为 素的突出较敏感；但对于异常松软煤层在坚硬顶底 r=1.5r0处煤体的残余强度 板夹持作用下出现整体静态疲劳破坏，产生屈服，呈 按佩图霍夫推荐的公式计算松散系数 现显著的流变力学性质，并且由于煤层在钻孔过程 (r)=A/(1+Br) (4) 几乎不产生弹性变形附加煤屑量，也就不存在 式中，A、B为待定系数，，0为孔壁处的松散系数. 式(2)、式(8)项理论煤屑量，因此该指标在异常松软 由于破碎带与弹性区交界处煤的体积质量与原始体 煤层为不敏感指标5]， 积质量相当，其松散系数近似为1；A、B的计算公 式为： 2钻屑瓦斯解吸指标以及测定影响因素 R-ro 2.1解吸指标的含义 A=To R-To ro (5) △2是从钻孔揭开某一采样段起，在煤样平衡
构破坏程度；钻头直径．其中钻头直径是钻屑量指 标的一个参照标准对于某一固定钻头直径来说钻 屑量指标是一个常量主要取决于钻孔地点的瓦斯、 地应力能量的大小及煤的结构破坏程度也即影响 煤与瓦斯突出最主要的三个因素．所以钻屑量指 标的大小综合反映了影响突出发生的三个主要因 素．单位孔长的钻屑量愈大则发生突出的危险性 愈大［3］． 1∙1 钻屑量的组成 钻屑量由以下四部分组成． （1） 钻孔实体煤芯 S0．此部分煤屑为钻孔半径 r0 周围出现破碎圈前的原始煤屑若按单位长度计 算原始煤体体积质量为 ρ0则有： S0＝πr 2 0ρ0 （1） 式中S0 为实体煤芯的钻屑量kg·m —1 ；r0 为钻孔 半径m 2 ；ρ0 为原始煤体体积质量kg·m —3． （2） 钻孔成形后钻孔弹性变形所形成的附加 煤屑量为 Sel．按等效应力作用原理使多孔介质破 坏的真实应力是有效应力有效应力 σ＝ W—λP（ P 为瓦斯压力λ为与煤内磨擦角和内聚力有关的系 数）煤的弹性模量与泊松比分别为 E、v则有： Sel＝2πr 2 0ρ0（ W—λP）（1＋v ）／E （2） 式中Sel为钻孔弹性变形所形成的附加煤屑量kg· m —1 ；W 为落煤开始到测定时损失的瓦斯解吸量 mL·g —1 ；λ为与煤内磨擦角和内聚力有关的系数； E 为煤的弹性模量N·mm —2 ；ν为煤的泊松比；P 为瓦斯压力MPa． （3） 钻孔成形后孔壁周围破碎带内煤体扩容 所形成的附加煤屑量为 Sp． 破碎圆的半径 R＝ r0 1∙5 2（ W—λP） （ M＋1）σ′0 1 M—1 （3） 式中M 为破碎带煤体的三轴残余强度系数σ′0 为 r＝1∙5r0 处煤体的残余强度． 按佩图霍夫推荐的公式计算松散系数 η（ r）＝ A／（1＋Br） （4） 式中A、B 为待定系数ηr0为孔壁处的松散系数． 由于破碎带与弹性区交界处煤的体积质量与原始体 积质量相当其松散系数近似为1；A、B 的计算公 式为： A＝ηr0 R— r0 R—ηr0r0 （5） B＝（ηr0—1）／（ R—ηr0r0） （6） 由此可得 Sp 计算公式为： Sp＝［（ R 2— r 2 0）（ A—1）— 0∙667B（ R 3— r 3 0）］πρ0／A （7） （4） 破碎带形成后同理可以得到弹性区与破 碎带交界处由于弹性卸载而产生的附加煤屑量 Se2 的计算公式： Se2＝2π（1＋ν）ρ0R 2［（1— r 2 0／R 2）— 2／（ M＋1）］（ W—λP）／E （8） 综上所述钻屑量的计算公式为： S＝S0＋Se1＋Se2＋Sp （9） 极限煤屑量是煤体—围岩力学系统达到极限平 衡的条件即钻屑量指标临界值． 1∙2 钻屑量指标应用分析 煤与瓦斯突出的预测指标很多但并不一定每 一个指标都能应用并适合具体的每一个矿井在运 用指标进行预测矿井煤与瓦斯突出之前要分析哪些 指标是该矿井的敏感指标．所谓的预测指标敏感性 是指在一定的开采、地质条件下指标的大小及其变 化与突出危险的相关性．若指标的大小及其变化与 煤层的突出危险性之间没有规律性指标的大小不 能反映突出的危险性则该指标就不敏感；若有规律 性但指标随突出危险性的变化很小现有的测试手 段不能满足测试误差的要求其变化规律将会被测 试误差淹没指标也不敏感；只有指标的大小及其变 化与煤层突出危险性之间有规律性指标的大小足 以反映煤层的突出的危险性且指标的幅度足以克 服测试误差的影响才算敏感指标． 通过极限钻屑量的计算公式分析表明煤体的 力学性质对钻屑量大小有显著关系：煤体具有一般 弹塑性软化模型力学特性钻屑量随地应力增加而 增大此种条件下该指标对预测以地应力为主导因 素的突出较敏感；但对于异常松软煤层在坚硬顶底 板夹持作用下出现整体静态疲劳破坏产生屈服呈 现显著的流变力学性质并且由于煤层在钻孔过程 几乎不产生弹性变形附加煤屑量也就不存在 式（2）、式（8）项理论煤屑量因此该指标在异常松软 煤层为不敏感指标［4—5］． 2 钻屑瓦斯解吸指标以及测定影响因素 2∙1 解吸指标的含义 Δh2 是从钻孔揭开某一采样段起在煤样平衡 ·286· 北 京 科 技 大 学 学 报 第31卷
第3期 桂祥友等：钻屑量与钻屑瓦斯解吸指标在防突预测的应用 .287. 压力卸除后的第4至第5分钟的时间段瓦斯解吸 左右时，△h的差值在20%以内，为了减小煤样粒 量，体现为解吸仪U型水柱计的压差高度，△2愈 度组成波动对测值的影响，确定在井下实测△h时， 大，表明煤体的瓦斯含量高，煤的破坏类型高，愈易 统一选用1~3mm粒度范围的煤样 突出。 300 C是钻屑瓦斯解吸衰减系数，其值等于钴屑在 进行解吸测定的最初2min的平均瓦斯解吸量与后 200 续的8min的平均瓦斯解吸量之比.它体现了煤的 突出危险与煤休暴露在大气中最初时的瓦斯解吸速 ed/yv 度的密切关系，C值愈大，表征煤在大气中最初的 100 解吸速度大，其突出危险性亦大， K1值的物理意义为煤样自煤体脱落暴露在大 气后第1分钟内，1g煤的瓦斯解吸量，也即是平衡 0 10 20 30 t/min 压力卸除后，单位质量煤样在第1分钟内的瓦斯解 吸量，K1值愈大，表征煤的瓦斯含量大，破坏类型 1-0.3-0.5mm:2-0.5~1.0mm;3-1.0~3.0mm:4-3.0 高，瓦斯解吸速度快，则愈易突出] 5.0mm 图2煤样粒度对△h的影响 2.2钻屑瓦斯解吸指标的测定影响因素[7$] Fig.2 Relation of Ah with coal granularity 2.2.1煤样测定前暴露时间to对瓦斯发散初速度 △h的影响 2.2.3瓦斯压力和煤质综合指标对△h2的综合影 图1是一组煤样暴露时间分别为3,5,10,20和 响 30min的测定结果.由图1看出，随着解吸测定时 在辽宁抚顺、辽宁北票和河南焦作矿区分别采 间的增大，瓦斯发散初速度△h的增长速度减慢. 集烟煤和无烟煤进行影响因素测定，实验结果见图 解吸测定前暴露时间的增长，实际上也就是延长了 3和图4，其中实验参数见表1.可以看出：随着吸附 煤样的总解吸时间，井下测定时控制煤样暴露时间 平衡压力P和煤的突出危险性综合指标K的增大， 为3min既能准确读数又能给操作有充裕的时间， 显现出△2逐渐增大的规律；在同一吸附瓦斯压 500 力，无烟煤的△2要比烟煤的大的多 400 2 600 2.0 MPa 3 300 500 1.5 MPa 6 200 ee 400 44 1.0 MPa 100 0.5 MPa 20 40 60 80 100 200 t/min 100 1-to=3min:2-to=5min:3-to=10min:4-to=20min:5- 材8 o°。02MPa 96 to=30min 图1煤样暴露时间to对△h的影响 0 0 20 30 40 50 Fig.1 Relation of Ak with exposure time (to) 图3烟煤解吸同吸附压力、突出综合指标的关系 2.2.2煤样粒度对△h的影响 Fig.3 Effects of composite outburst index and adsorption pressure 图2是一组不同粒度煤样的测定结果，在同一 on the desorption of bituminous coal 测定时间内，煤样粒度越小，测出的△h值越大，但 随着煤样粒度的增大其影响程度逐渐减弱，特别是 2.2.4钻屑混合因素对K1的影响 当煤样粒度大于1mm时，粒度的影响大为减弱 在钻屑指标法预测中，目前基本上是采用孔口 由图2看出，煤样平均粒度由2mm左右增至4mm 取样的方式，用这种方式所取钻屑无法保证是预定
压力卸除后的第4至第5分钟的时间段瓦斯解吸 量体现为解吸仪 U 型水柱计的压差高度．Δh2 愈 大表明煤体的瓦斯含量高煤的破坏类型高愈易 突出． C 是钻屑瓦斯解吸衰减系数其值等于钻屑在 进行解吸测定的最初2min 的平均瓦斯解吸量与后 续的8min 的平均瓦斯解吸量之比．它体现了煤的 突出危险与煤休暴露在大气中最初时的瓦斯解吸速 度的密切关系．C 值愈大表征煤在大气中最初的 解吸速度大其突出危险性亦大． K1 值的物理意义为煤样自煤体脱落暴露在大 气后第1分钟内1g 煤的瓦斯解吸量也即是平衡 压力卸除后单位质量煤样在第1分钟内的瓦斯解 吸量．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［6］． 2∙2 钻屑瓦斯解吸指标的测定影响因素［7—8］ 2∙2∙1 煤样测定前暴露时间 t0 对瓦斯发散初速度 Δh 的影响 图1是一组煤样暴露时间分别为351020和 30min 的测定结果．由图1看出随着解吸测定时 间的增大瓦斯发散初速度 Δh 的增长速度减慢． 解吸测定前暴露时间的增长实际上也就是延长了 煤样的总解吸时间．井下测定时控制煤样暴露时间 为3min 既能准确读数又能给操作有充裕的时间． 1— t0＝3min；2— t0＝5min；3— t0＝10min；4— t0＝20min；5— t0＝30min 图1 煤样暴露时间 t0 对Δh 的影响 Fig．1 Relation of Δh with exposure time （ t0） 2∙2∙2 煤样粒度对Δh 的影响 图2是一组不同粒度煤样的测定结果．在同一 测定时间内煤样粒度越小测出的Δh 值越大．但 随着煤样粒度的增大其影响程度逐渐减弱特别是 当煤样粒度大于1mm 时粒度的影响大为减弱． 由图2看出煤样平均粒度由2mm 左右增至4mm 左右时Δh 的差值在20％以内．为了减小煤样粒 度组成波动对测值的影响确定在井下实测Δh 时 统一选用1～3mm 粒度范围的煤样． 1—0∙3～0∙5mm；2—0∙5～1∙0mm；3—1∙0～3∙0mm；4—3∙0～ 5∙0mm 图2 煤样粒度对Δh 的影响 Fig．2 Relation of Δh with coal granularity 2∙2∙3 瓦斯压力和煤质综合指标对Δh2 的综合影 响 在辽宁抚顺、辽宁北票和河南焦作矿区分别采 集烟煤和无烟煤进行影响因素测定实验结果见图 3和图4其中实验参数见表1．可以看出：随着吸附 平衡压力 P 和煤的突出危险性综合指标 K 的增大 显现出 Δh2 逐渐增大的规律；在同一吸附瓦斯压 力无烟煤的Δh2 要比烟煤的大的多． 图3 烟煤解吸同吸附压力、突出综合指标的关系 Fig．3 Effects of composite outburst index and adsorption pressure on the desorption of bituminous coal 2∙2∙4 钻屑混合因素对 K1 的影响 在钻屑指标法预测中目前基本上是采用孔口 取样的方式用这种方式所取钻屑无法保证是预定 第3期 桂祥友等： 钻屑量与钻屑瓦斯解吸指标在防突预测的应用 ·287·
288 北京科技大学学报 第31卷 1200 2.0 MPa 深度处的钻屑，钻屑中不可避免的混有钻孔浅部的 钻屑，浅部的钻屑由于暴露时间长，瓦斯已经解吸一 段时间，所以会导致测定出的K1值比真实值偏小 1000 1.5 MPa 其误差大小主要取决于混入浅部钻屑的多少和暴露 800 1.0 MPa 时间的长短，而钻孔深度、钻头的排屑能力和采样时 0.5 MPa 机的把握则直接影响混入的钻屑量和暴露时间的 600 长短 2.2.5钻屑暴露时间因素对K1的影响 400 钻屑暴露时间是指钻屑从煤体剥落到开始测定 0.2 MPa 200 这段时间，包括钻屑从钴孔深部排到孔口的时间和 从接钻屑到测定前的时间，暴露时间的长短对K1 值的测定误差会产生一定影响，时间越长，K1测定 20 40 60 80 100 K 值越小.根据实验结果，K1值的减少随暴露时间t 图4无烟煤解吸同吸附压力、突出综合指标的关系 的变化关系可用式K1=At0347表示.根据该公 Fig.4 Effect of composite outburst index and adsorption pressure 式，暴露时间为3min时的K1值比暴露时间为 on the desorption of anthracite 2min时偏小约15%. 表1烟煤与无烟煤的瓦斯参数 Table 1 Gas parameters of bituminous coal and anthracite 煤种 挥发分，V/% 坚固系数， 瓦斯放散初速度，△h/Pa 吸附平衡压力，P/MPa 综合指标，K 烟煤，抚顺 40-45.3 0.10-1.02 2.515 0.2-2.0 3-125 无烟煤，焦作 210 0.1-0.95 13.5-29.5 0.22.0 14-95 3 提高应用钻屑量与钻屑瓦斯解吸指标预 敏感性预测指标，一般说来，对于较坚硬的煤层说 来，△h2、K1是较为敏感的指标. 测突出准确度的措施 (3)确定合理的突出危险临界值.大量的预测 (1)在进行预测预报时，对于某一具体工作面， 实践证明，不同的矿井及不同的煤层，其临界值指标 不必要把钻屑量与钻屑瓦斯解吸指标△2、C和K1 存在较大的差异.对于同一预测指标，在不同的矿 同时作为判定突出危险性指标 井中，其临界值指标可能相差1~2倍.因此，各矿 规定在石门揭煤或煤巷掘接工作面把S和 井的突出临界值必须以本矿井的实测结果为主要依 △h2、C、K1四个指标视为一个整体，四个指标中只 据进行确定， 要有一个指标超过突出临界值，则该工作面即判定 (4)努力消除现场测定工作中对钻屑量及钻屑 为突出危险工作面：按照指标各自的物理意义来分 瓦斯解吸指标的一些人为影响因素，使实测的数据 析，△h2和K1所反映的意义是一致的，这两个指标 真实地反映预测地点煤层的瓦斯、地质状况，这是提 之间成正比关系；而C=4△h2/(△h1o一△h2) 高应用钻屑量与钻屑瓦斯解吸指标判定突出危险性 (△1o为启动解吸仪第10分钟时的瓦斯解吸量)，可 准确度最为根本的途径 知C与△2的关系比较复杂，一般情况下，只有当 4结论 △h1o与△2的差值较大时，C作为判断指标才有意 义，由于K1与△h2成正比关系，所以K1与C之 (1)在煤与瓦斯突出预测的应用指标中钻屑量 间也为非线性关系， 一般由四部分组成：S=S0十Se1十Se2十S。·钻屑 综上所述，把钻屑量与钻屑瓦斯解吸指标△2、 量指标在以地应力为主导因素的煤与瓦斯突出预测 C和K1视为一个整体，同时作为判定突出危险性 时是敏感指标；对于较坚硬的煤层，应用△2、K1为 指标是不尽合理的， 敏感指标，因而利用钻屑量与钻屑瓦斯解吸指标进 (②)根据煤层的具体情况，在矿井中选择使用 行预测煤与瓦斯突出时，要结合煤矿的具体情况选 煤层突出危险性判定的敏感指标，大量的预测预报 取适当敏感指标进行判断， 实践表明，不同的矿井及不同的煤层，有其较适宜的 (2)在钻屑瓦斯指标中△2和K1所反映的意
图4 无烟煤解吸同吸附压力、突出综合指标的关系 Fig．4 Effect of composite outburst index and adsorption pressure on the desorption of anthracite 深度处的钻屑钻屑中不可避免的混有钻孔浅部的 钻屑浅部的钻屑由于暴露时间长瓦斯已经解吸一 段时间所以会导致测定出的 K1 值比真实值偏小． 其误差大小主要取决于混入浅部钻屑的多少和暴露 时间的长短而钻孔深度、钻头的排屑能力和采样时 机的把握则直接影响混入的钻屑量和暴露时间的 长短． 2∙2∙5 钻屑暴露时间因素对 K1 的影响 钻屑暴露时间是指钻屑从煤体剥落到开始测定 这段时间包括钻屑从钻孔深部排到孔口的时间和 从接钻屑到测定前的时间．暴露时间的长短对 K1 值的测定误差会产生一定影响时间越长K1 测定 值越小．根据实验结果K1 值的减少随暴露时间 t 的变化关系可用式 K1＝ At —0∙3847表示．根据该公 式暴露时间为3min 时的 K1 值比暴露时间为 2min时偏小约15％． 表1 烟煤与无烟煤的瓦斯参数 Table1 Gas parameters of bituminous coal and anthracite 煤种 挥发分V／％ 坚固系数f 瓦斯放散初速度Δh／Pa 吸附平衡压力P／MPa 综合指标K 烟煤抚顺 40～45∙3 0∙10～1∙02 2∙5～15 0∙2～2∙0 3～125 无烟煤焦作 2～10 0∙1～0∙95 13∙5～29∙5 0∙2～2∙0 14～95 3 提高应用钻屑量与钻屑瓦斯解吸指标预 测突出准确度的措施 （1） 在进行预测预报时对于某一具体工作面 不必要把钻屑量与钻屑瓦斯解吸指标Δh2、C 和 K1 同时作为判定突出危险性指标． 规定在石门揭煤或煤巷掘接工作面把 S 和 Δh2、C、K1 四个指标视为一个整体四个指标中只 要有一个指标超过突出临界值则该工作面即判定 为突出危险工作面；按照指标各自的物理意义来分 析Δh2 和 K1 所反映的意义是一致的这两个指标 之间 成 正 比 关 系；而 C ＝4Δh2／（Δh10 —Δh2） （Δh10为启动解吸仪第10分钟时的瓦斯解吸量）可 知 C 与Δh2 的关系比较复杂一般情况下只有当 Δh10与Δh2 的差值较大时C 作为判断指标才有意 义．由于 K1 与Δh2 成正比关系所以 K1 与 C 之 间也为非线性关系． 综上所述把钻屑量与钻屑瓦斯解吸指标Δh2、 C 和 K1 视为一个整体同时作为判定突出危险性 指标是不尽合理的． （2） 根据煤层的具体情况在矿井中选择使用 煤层突出危险性判定的敏感指标．大量的预测预报 实践表明不同的矿井及不同的煤层有其较适宜的 敏感性预测指标．一般说来对于较坚硬的煤层说 来Δh2、K1 是较为敏感的指标． （3） 确定合理的突出危险临界值．大量的预测 实践证明不同的矿井及不同的煤层其临界值指标 存在较大的差异．对于同一预测指标在不同的矿 井中其临界值指标可能相差1～2倍．因此各矿 井的突出临界值必须以本矿井的实测结果为主要依 据进行确定． （4） 努力消除现场测定工作中对钻屑量及钻屑 瓦斯解吸指标的一些人为影响因素使实测的数据 真实地反映预测地点煤层的瓦斯、地质状况这是提 高应用钻屑量与钻屑瓦斯解吸指标判定突出危险性 准确度最为根本的途径． 4 结论 （1） 在煤与瓦斯突出预测的应用指标中钻屑量 一般由四部分组成：S＝ S0＋ Se1＋ Se2＋ Sp．钻屑 量指标在以地应力为主导因素的煤与瓦斯突出预测 时是敏感指标；对于较坚硬的煤层应用Δh2、K1 为 敏感指标．因而利用钻屑量与钻屑瓦斯解吸指标进 行预测煤与瓦斯突出时要结合煤矿的具体情况选 取适当敏感指标进行判断． （2） 在钻屑瓦斯指标中Δh2 和 K1 所反映的意 ·288· 北 京 科 技 大 学 学 报 第31卷
第3期 桂祥友等：钻屑量与钻屑瓦斯解吸指标在防突预测的应用 .289. 义是一致的，两个指标成正比关系；而C=4△h2/ (文光才，王先义，突出预测钻屑量指标的探讨.矿业安全与 (△h1o一△h2),只有当△ho与△hz的差值相当大 环保，1998(3)：32) [6]State Administration of Work Safety.Prevention Rules of Coal 时，C作为判断指标才有意义，由于K1与△2成 and Gas Ouburst.Beijing:Coal Industry Press.2005 正比关系，所以K1与C之间也为非线性关系， (国家煤矿安全监察局防治煤和瓦斯突出细则，北京：煤炭工 (3)在利用钻屑瓦斯解吸指标△2、C和K1指 业出版社，2005) 标进行突出预测时，要考虑暴露时间、钻屑混合、煤 [7]Hu Q T,Wen G C.Xu S M.Research on forecast sensitive in- 样颗粒和瓦斯压力等因素对测定值的影响 dices of coal and gas outburst.Min Saf Environ Prot,1998 (Suppl 1):7 参考文献 (胡千庭，文光才，徐三民，工作面预测敏感临界指标值确定方 [1]Gui X Y,YuZ M.Risk evaluation of gas outburst fatalness based 法的研究.矿业安全与环保，1998（增刊1）：7) on grey relation analysis.J Min Saf Eng.2006.23(4):464 [8]Lai DJ.Wang Z H.Determination of the critical value of Ah2 (桂祥友，郁钟铭.基于灰色关联分析的瓦斯危险性风险评价 based on the critical value of forecast index K1.Jiangxi Coal Sci 研究.采矿与安全工程学报，2006,23(4)：464) Technol,2004(2):35 [2]Gui X Y.Yu Z M.Application of grey forecast for coal bed (赖达金，汪宗华，根据突出预测指标K1临界值确定指标 methane emission from coal mines in Guizhou Province.J Min △h2临界值.江西煤炭科技，2004(2)：35) Saf Eng,2007,27(4):449 [9]Sun D L.Discussion and attempt on determination method for (桂祥友，郁钟铭·贵州煤矿瓦斯诵出量灰色预测的应用研究， outburst sensitivity index and its critical value.J Min Saf Envi- 采矿与安全工程学报，2007,27(4)：449) ron Prot,1996(4):3 [3]Meng X Z.Wang J D.Value of drilling cuttings weight index to (孙东玲·突出敏感指标及临界值确定方法的探讨与尝试，矿 predict outburst dangerousness indices.Shanxi Coal,2003(4): 业环保与安全，1996(4)：3) 20 [10]Cheng W Y.Wang Y A.Wang M J.Determination of critical (孟贤正，王君得.钻屑量指标预测综采面煤突出危险性研 value of gas desorption index of drillings.Ah2.in laboratory. 究.陕西煤炭，2003(4)：20) Min Saf Environ Prot,1997(3):19 [4]Zhao B J.Zhang M T.Research and application on method of (程五一，王佑安，王魅车.实验室确定钻屑解吸指标△2临 drilling bits.J Liconing Tech Univ.1985(Suppl 1):13 界值方法的研究.矿业安全与环保，1997(3)：19) (赵本钧，章梦涛.钻屑法的研究和应用·辽宁工程技术大学 [11]Tian K Y.Guo QS.Chen L W.Research on coal and gas out- 学报，1985（增刊1）：13) burst forecast sensitive indices.Coal Technol.2006(11):57 [5]Wen G C.Wang X Y.Discussion of value of drilling cuttings (田坤云，郭权世，陈立伟·瓦斯突出预测敏感指标的确定方 weight index.J Min Saf Environ Prot,1998(3):32 法研究.煤炭技术，2006(11)：57)
义是一致的两个指标成正比关系；而 C＝4Δh2／ （Δh10—Δh2）只有当 Δh10与 Δh2 的差值相当大 时C 作为判断指标才有意义．由于 K1 与Δh2 成 正比关系所以 K1 与 C 之间也为非线性关系． （3） 在利用钻屑瓦斯解吸指标Δh2、C 和 K1 指 标进行突出预测时要考虑暴露时间、钻屑混合、煤 样颗粒和瓦斯压力等因素对测定值的影响． 参 考 文 献 ［1］ Gui X YYu Z M．Risk evaluation of gas outburst fatalness based on grey relation analysis．J Min Saf Eng200623（4）：464 （桂祥友郁钟铭．基于灰色关联分析的瓦斯危险性风险评价 研究．采矿与安全工程学报200623（4）：464） ［2］ Gui X YYu Z M．Application of grey forecast for coal bed methane emission from coal mines in Guizhou Province．J Min Saf Eng200727（4）：449 （桂祥友郁钟铭．贵州煤矿瓦斯涌出量灰色预测的应用研究． 采矿与安全工程学报200727（4）：449） ［3］ Meng X ZWang J D．Value of drilling cuttings weight index to predict outburst dangerousness indices．Shanxi Coal2003（4）： 20 （孟贤正王君得．钻屑量指标预测综采面煤突出危险性研 究．陕西煤炭2003（4）：20） ［4］ Zhao B JZhang M T．Research and application on method of drilling bits．J L iaoning Tech Univ1985（Suppl1）：13 （赵本钧章梦涛．钻屑法的研究和应用．辽宁工程技术大学 学报1985（增刊1）：13） ［5］ Wen G CWang X Y．Discussion of value of drilling cuttings weight index．J Min Saf Environ Prot1998（3）：32 （文光才王先义．突出预测钻屑量指标的探讨．矿业安全与 环保1998（3）：32） ［6］ State Administration of Work Safety．Prevention Rules of Coal and Gas Outburst．Beijing：Coal Industry Press2005 （国家煤矿安全监察局．防治煤和瓦斯突出细则．北京：煤炭工 业出版社2005） ［7］ Hu Q TWen G CXu S M．Research on forecast sensitive indices of coal and gas outburst． Min Saf Environ Prot1998 （Suppl1）：7 （胡千庭文光才徐三民．工作面预测敏感临界指标值确定方 法的研究．矿业安全与环保1998（增刊1）：7） ［8］ Lai D JWang Z H．Determination of the critical value of Δh2 based on the critical value of forecast index K1．Jiangxi Coal Sci Technol2004（2）：35 （赖达金汪宗华．根据突出预测指标 K1 临界值确定指标 Δh2 临界值．江西煤炭科技2004（2）：35） ［9］ Sun D L．Discussion and attempt on determination method for outburst sensitivity index and its critical value．J Min Saf Environ Prot1996（4）：3 （孙东玲．突出敏感指标及临界值确定方法的探讨与尝试．矿 业环保与安全1996（4）：3） ［10］ Cheng W YWang Y AWang M J．Determination of critical value of gas desorption index of drillingsΔh2in laboratory．J Min Saf Environ Prot1997（3）：19 （程五一王佑安王魅军．实验室确定钻屑解吸指标Δh2 临 界值方法的研究．矿业安全与环保1997（3）：19） ［11］ Tian K YGuo Q SChen L W．Research on coal and gas outburst forecast sensitive indices．Coal Technol2006（11）：57 （田坤云郭权世陈立伟．瓦斯突出预测敏感指标的确定方 法研究．煤炭技术2006（11）：57） 第3期 桂祥友等： 钻屑量与钻屑瓦斯解吸指标在防突预测的应用 ·289·