浅析煤与瓦斯突出的危险性评价指标体系(修改稿)

浅析煤与瓦斯突出的危险性评价指标体系煤与瓦斯突出是地应力、瓦斯压力、煤岩物理力学性质等多因素综合作用的结果。

在地应力较大、瓦斯压力较高、煤体强度低和结构遭破坏层理紊乱的区域，煤和瓦斯突出危险性就越大。

因此，在井下采掘过程中，根据引起煤与瓦斯突出的主要危险性因素，选取相应的突出危险性预测指标，科学地预测开采区域煤与瓦斯突出危险性即是保证矿井安全生产的一个主要环节，也是防突措施效果检验和治理煤和瓦斯突出的前提条件。

长期以来，现场工程技术及研究人员在煤与瓦斯突出预测方面作了大量的工作，提出了种种假说和经验公式[1][6]，但由于引起煤与瓦斯突出的原因相当复杂，影响煤与瓦斯突出的相关因素很多，这些因素之间的关系也较为复杂，因此在现场应用中常常会出现预测准确性较低的情况。

本文结合煤层特性[2]，构建了煤与瓦斯突出危险性评价指标体系，为现场瓦斯治理提供参考依据。

1.物理特性煤的物理特性是决定煤层是否具有突出危险性的基本参数。

对于煤的破坏类型，由于地质构造或采动影响，同一区域内的煤层赋存形式有很大不同，我们按照不同破坏类型的煤层在该区域内所占的比例来确定其相应的突出危险程度；对于瓦斯放散初速度和煤的坚固性系数的评价，可在本区域内选择若干个有代表性的煤样，通过实验室分析并与指标临界值[5]进行对照来确定其相应的突出危险程度；对于煤层瓦斯压力和瓦斯含量的评价可选择不同钻孔并测量对应的参数值，然后依据钻孔数量和指标标准值来计算其相应的突出危险程度。

1.1 煤的破坏类型煤的破坏类型指煤体受到构造应力作用后,由于其受破坏的程度不同,在物理、力学性质和特征方面产生的变化，因而形成的类别。

煤的主要物理、力学性质和特征包括以下几个方面：煤的光泽、煤的构造与构造特征、煤的节理性质、煤的节理面性质、煤的断口性质以及煤的强度。

煤的破坏程度越大，发生突出的危险性也会越大。

依据以上煤的特性及防治煤与瓦斯突出细则[3]的规定，我们用煤的破坏类型来表示煤体的破坏程度大小，可将煤划分为五种类型，即非破坏煤、破坏煤、强烈破坏煤、粉碎煤和全粉煤。

1.2 煤的瓦斯放散初速度煤的瓦斯放散初速度是表示含有瓦斯的煤体在完全暴露的条件下，所含瓦斯从吸附状态转化为游离状态快慢的一个指标。

该指标反映了煤层瓦斯放散的快慢程度，其大小与煤的瓦斯含量、孔隙结构和孔隙表面性质有关。

在瓦斯含量相同的条件下，煤的瓦斯放散初速度越大，煤的破坏程度越严重，越易于形成具有破碎能力的瓦斯流，越有利于突出的发生和发展。

该指标是通过现场采取煤样，在实验室经破碎、筛取并装入特定仪器内真空脱气，然后使其在一定的压力下吸附瓦斯，最后吸附有瓦斯的煤样与真空小球相连使瓦斯放散，通过测定1min内瓦斯压力的变化值来确定煤的瓦斯放散初速度，其单位为mmHg。

1.3 煤的坚固性系数煤的坚固性系数是表示煤抵抗外力大小的一个综合性指标，它反映了煤的力学特性(煤的强度、硬度及脆性等)，煤层越坚固，其自身抵抗突出的能力就会越高。

通常在实验室采用落锤法来测定该系数,该测定方法是建立在脆性材料的破碎遵循面积力能说的基础上，即认为破碎所消耗的功与破碎物料所增加的表面积成正比，当破碎功和破碎前物料的平均直径一定时，破碎后物料的平均直径越小，则物料的坚固性越低，反之亦然。

1.4 煤层瓦斯压力煤层瓦斯压力是煤层孔隙内气体分子自由热运动撞击所产生的作用力，它在某一点上各向大小相等，方向与孔隙壁垂直。

煤体内的原始瓦斯压力是煤体内含瓦斯压缩能高低的重要标志，即决定煤层瓦斯流动能量高低及发生动力现象潜能大小，也是计算其他相关瓦斯指标的基础数据。

通常采用直接测压法在现场打测压钻孔测定瓦斯压力的大小。

1.5 煤层瓦斯含量煤层瓦斯含量是指单位重量的煤体中含有的瓦斯体积量,它即是衡量煤层瓦斯储量和涌出量的基础，也是预测煤与瓦斯突出危险性的重要参数之一。

通常在获得煤层原始瓦斯压力的前提下，通过测量煤层瓦斯含量系数或在实验室测定煤的一些物性参数，然后计算出煤层瓦斯含量。

其具体计算过程为：从测压钻孔或其附近新掘进煤面采取（1m 以内处）新鲜煤样，密封后送入地面实验室，通过工业分析、孔隙率和吸附常数的测定，求出煤的水分W 、灰分A 、容重γ，孔隙率k 及吸附常数a 、b ，然后根据以下公式即可计算出煤层瓦斯含量W m ，单位为m 3/m 3。

)1(1W A bpabpkp W m --++= 式中k ——煤的孔隙率，%；P ——瓦斯压力（绝对），大气压； a 、b ——吸附常数；A 、W 、γ——煤的灰分（%）、水分（%）和容重（吨/m 3）。

2. 赋存特性煤层本身的赋存情况是衡量突出特性的一个重要方面。

本项目从煤层最浅埋藏深度、煤厚变异系数、围岩状况和地质构造四方面来评价煤层的赋存特性。

2.1 煤层埋藏深度随着煤层埋藏深度的增加，不仅由于地应力增高而使煤层及围岩的透气性变差，而且瓦斯向地表运移的距离也增大，二者都有利于封存瓦斯，从而增大了煤体发生突出的危险性。

在甲烷带内当煤层深度不太大时，煤层瓦斯含量随埋深成线性增加；当深度很大时，煤层瓦斯含量趋于常量。

一般来说，煤层中瓦斯的分布状况由浅到深可划分为四个带，自上而下依次为：二氧化碳－氮气带、氮气带、氮气－甲烷带、甲烷带；前三个带系统称为瓦斯风化带，各带不仅瓦斯含量组分不同而且瓦斯含量也不同。

通常我们采用煤层中所含瓦斯的甲烷成分、煤层瓦斯压力、煤层的瓦斯含量、煤层相对瓦斯涌出量等指标确定煤层的瓦斯风化带深度。

通过对比煤层预测区域的平均深度与瓦斯风化带的差值来衡量煤层突出的危险程度。

2.2 煤厚变异系数煤层即是瓦斯生成和储集的场所，也是发生突出的物质基础，定量评价煤层稳定性及其厚度的变化情况，可在一定程度上反映煤体突出危险性的大小。

煤厚变异系数（CV ）是衡量煤层稳定性的一项定量指标，它是用测评区域内煤厚变化的标准差与平均煤层厚度的比值来表示。

其计算公式如下：Xn X XXS CV ni i1)(12--==∑=式中 CV —煤厚变异系数；S —标准差；X—煤层平均厚度，m；X—勘测钻孔内煤层实测厚度，m；in—勘测钻孔见煤点数。

2.3 围岩状况煤系地层岩性组合及其透气性对煤层瓦斯含量和瓦斯压力有重大影响，煤层及围岩的透性性越大瓦斯越易流失，反之瓦斯易于保存。

通常根据围岩的透气性状况可分为屏障层、半屏障层和透气层三种基本类型；1.屏障层：即瓦斯难以通过的岩层。

在煤系地层中，常见的屏障层有：以粘土矿物为主，岩性致密的泥岩和砂质泥岩；胶结物含量不低于15％，成分以粘土矿物、泥质物为主，属孔隙式或基底式胶结类型的粉砂岩。

2.半屏障层：即瓦斯在岩层中流动的难易程度介于屏障层和透气层之间的岩层。

该类岩层的胶结物含量在10％～15％之间，胶结物成分中的粘土矿物含量较低，多属接触式胶结的粉砂岩，碎屑成分以石英为主。

3.透气层：即瓦斯易于流动通过的岩层。

属于该类的岩层通常为碎屑成分以石英为主，胶结物含量较少，以接触式和孔隙式胶结为主，多呈厚层状，岩性硬脆、裂隙发育的砂岩和砾岩，泥质成分含量较低。

2.4 地质构造地质构造包括断层和褶皱等构造变形，特别是对矿区或矿井总体上起控制作用的断层和褶皱，往往对煤与瓦斯的突出条件及突出点的分布具有显著的作用和明显的影响。

构造变形的规模及变形程度不同，其影响范围和影响程度也有明显的区别。

总体来讲封闭型的地质构造有利于封存大量高压瓦斯，当受到采动影响时，处于极限应力状态的煤体可能会发生应力状态的突变而激发突出。

3. 开采特性开采特性是从煤层开采的角度来衡量突出危险性的大小，按照《煤矿安全规程》的规定，一个矿井只要发生一次突出，该矿井就被定为突出矿井。

因此开采特性从初始突出的发生时间、矿井开采过程的突出次数、最大突出规模、预测区域的平均标高及开采区作业方式等几方面来衡量开采区突出的危险性大小。

3.1 初始突出记录初始突出记录是从时间差的角度来衡量煤层突出的危险程度。

第一次发生突出事故距矿井投产的时间越短则煤层突出的危险性越大，反之则危险性越小。

3.2 历史突出次数历史突出次数是从煤层发生突出的次数来衡量突出的危险程度。

历史上煤层发生突出的次数越多则本煤层发生突出的危险性越大，反之则越小。

3.3 最大突出规模最大突出规模是从最大突出强度的角度来分析煤层突出的危险性。

煤层自开采以来发生突出的最大强度越大，则本煤层的突出危险性也越大，反之则越小。

按照动力现象强度可将突出以抛出的煤（岩）数量（吨）为标准分为：小型突出（<50），中型突出（50～99），次大型突出（100～499），大型突出（500～999），特大型突出（>1000）。

3.4 预测区平均深度预测区平均深度是从距始突深度的距离上衡量突出的危险性。

测评区域的煤层平均深度距始突深度越大，则在本区域发生突出的危险性越大，反之则越小。

3.5 预测区作业方式预测区域内的采掘作业不仅会引起本区域应力状态的变化，而且会使增加的载荷作用于新暴露的煤体上造成煤体的突然破碎，引发突出的发生，特别是防炮作业诱发突出的可能性最大。

4. 煤与瓦斯突出危险性评价指标体系及参考临界值目前对于煤与瓦斯突出的机理尚未有统一的认识，理论上均处于假说层次[1]，本文结合煤与瓦斯突出的相关理论知识[1－2]、防治煤与瓦斯突出细则及淮北矿业集团海孜煤矿的煤层状况，分别从煤层物理特性、赋存特性和开采特性构建了煤与瓦斯突出危险性评价指标体系，并依据本矿井实际情况选取突出临界值[3]，以作为现场评价煤层突出危险性的理论参考依据。

其评价指标体系及参考临界值见表4－1所示。

表4－1 煤与瓦斯突出危险性评价指标体系及参考临界值。