工作面煤与瓦斯突出综合监测指标建立

高 翔

(山西汾西矿业集团柳湾煤矿，山西 孝义 032303)

1 工程概况

8204综采工作面位于井田8#煤层二采区。工作面标高+914 m～+938 m，回风顺槽高、运输顺槽低，平均落差为27 m，走向长度1 130 m，倾向长度180 m。工作面以正方位角38°布置，东侧为8203采空区，西侧为8205工作面未布置，南侧为三条下山，北侧为井田边界线。工作面东侧为8203采空区，回采过程中8204回风顺槽可能受到8203采空区影响，必须加强回风顺槽超前棚和三角区附近顶板、煤壁管理。地面为山脉覆盖，无村庄和公路等，地面标高为+1 268 m～+1 279 m。回采对地面的山脉会造成一定塌陷、裂缝，无土地和建筑物，所以对生产、生活没有太大影响。

8204工作面不存在伪顶。顶板、泥岩为平均厚度为5.97 m，厚层状、致密，页理不发育的黏土岩。8204工作面底板为细砂岩，平均厚度为2.43 m，深灰色，均匀层理，局部薄层粉砂岩，含植物根化石碎片。

8204工作面为总体走向NE-SW、倾向NW的单斜构造，煤层产状一般8°～16°。根据地质勘测以及工作面在掘进期间揭露，除在8204运输650 m处有个小构造外，本工作面未发现其他影响回采的地质构造，局部煤层变薄。

2 综合监测预警指标的建立

2.1 微震-应力对比分析

为了模拟煤岩体在突出时发生破裂的应力场变化以及伴随着的微震事件，反映煤岩体在瓦斯突出时的动态过程，进一步认识突出机理[1-2]。

本文中，采用数值模型，通过RFPA 2D进行模拟，采用平面应变分析，其数值模拟力学参数如表1。

表1 数值模拟力学参数

1) 模拟结果分析

第175页图1反映了与声发射同步的应力变化情况，第一张是单轴加载第2步应力图，由图中可看出，在第42步时是出现应力集中区，第43步～62步，是应力不断增加的过程，且可以看到有孔隙开始出现，第66步出现明显的破裂区域，直到第73步出现断裂且应力释放，应力突然降低，随后逐渐趋于平衡。

在相应的声发射演化过程图中，在第42步出现了明显的声发射现象集中区，之后，在第43步～66步的过程中，声发射信息不断演化并形成破裂带，在此期间，煤岩体内应力呈现逐渐增大的趋势；从第67步开始，声发射现象激增，能量突然释放致使发生破坏，此时，应力突然降低，且逐渐趋于平衡[3]。

2) 应力与声发射分析

数值试验结果显示，在煤岩体发生微破裂以及宏观破裂时，煤岩体内产生的相关声发射参数值都出现明显增大；且随着声发射事件的连续发生，煤岩体内的应力也发生明显的变化。

图1 煤岩样应力演化特征图

2.2 微震-瓦斯对比分析

对微震单项指标和瓦斯涌出量进行查询，并绘制曲线进行分析，随机选取8204工作面某2个时间段的瓦斯和微震小事件频数数据，并绘制同一时刻下对应的对比曲线以及同一时刻的瓦斯与动态活动趋势对比曲线，如图2所示。

曲线对比分析显示，当瓦斯监测数据发生变化时，微震事件也同时频繁出现，所以说微震事件活动指标与瓦斯涌出量之间具有良好的同步性。

2.3 应力-瓦斯对比分析

研究工作面瓦斯涌出量与矿山顶板压力的变化，可以得出工作面周期来压与瓦斯涌出量变化之间的关系[4]。通过统计，8204工作面回采期间支架支撑力和工作面瓦斯涌出量，绘制成变化规律图，如第176页图3所示。

由图3可以看出，工作面支撑压力的变化反映了工作面顶板压力的变化，当综采工作面支撑力增大时，工作面的瓦斯涌出量出现峰值。因为在工作面所有设备保持正常运转的前提下，无论工作面附近的地质条件和应力状态如何发生变化，工作面内的瓦斯涌出量都会随之发生明显的周期性变化。

图2 微震指标与瓦斯指标对比图

由现场监测数据可知，随着工作面顶板应力的不断增加，瓦斯涌出量也随之增加，周期来压后，应力与瓦斯涌出量都同时减小，体现了应力与瓦斯涌出量变化的同步性。

3 综合监测预警指标的确定

根据微震、应力和瓦斯数据指标的对比分析结果，将文中确定的3个评价预警指数经过无量纲分析、对比后，得出以微震数据、应力变化数据和瓦斯涌出量变化数据为基础的瓦斯突出综合预警指标DI[5]，其计算公式见式(1)。

图3 8204工作面瓦斯涌出量与支撑力关系图

(1)

式中：DI为煤与瓦斯突出综合预警指标；MS为声发射项综合指标；Ip为应力增量指标；Ws为瓦斯项综合指标。

微震事件、应力和瓦斯涌出量的变化均是在诱发煤与瓦斯突出事故的各种因素的综合作用下产生的，三者包含有大量的诱发事故发生的前兆信息，因此，三者可以看作是诱发事故发生的各种因素的不同表现形式。在预测突出危险性时，三者的变化趋势几乎相同，这样当微震参数和应力、瓦斯参数都经过无量纲转化分析之后，若有发生瓦斯突出的危险，综合预警指标的结果应趋近于1，并可根据综合预警指标DI与1的接近程度来对瓦斯事故的危险程度进行分级，其等级划分如表2。

表2 预警指标等级划分

4 结论

本文运用RFPA 2D模拟井下瓦斯突出过程中微震事件和应力变化的响应情况，由模拟结果可知，微震事件刚开始出现时，支承应力也开始变大，当微震事件剧增发生岩块断裂时，应力突然释放，开始减小且逐渐趋于平衡。同时，根据监测到的各个参数进行对比，得出了微震小事件活动频数与应力和瓦斯涌出量都有很好的同步性。