煤与瓦斯突出是指煤与瓦斯在很短时间内，突然从煤壁抛向巷道空间的一种伴有声响和猛烈力能效应的动力现象。统计表明，煤巷掘进时期发生的煤与瓦斯突出次数占矿井突出总次数的首位。因此，进行煤巷掘进工作面的突出预测在煤矿日常生产中占据重要地位，对此进行研究具有重要的实践和应用价值，对消突措施的实施有着指导意义，能使产量和掘进速度提高25%～30%。

煤巷突出危险性预测的研究在近些年有了新的进展，根据以前的研究可以假设,如果以一固定钻速的麻花钻杆沿着煤巷工作面连续钻进，工作面前方的煤体在钻头的作用下连续地突然卸压而释放瓦斯，那么从钻孔中涌出的总瓦斯流量绝大部分来自钻头处的初始瓦斯流量，可以通过测定并绘制从钻孔中涌出的总瓦斯流量曲线来预测煤巷掘进工作面前方的突出危险性。因此，在煤巷掘进工作面突出危险性预测中，就可以利用这种麻花钻杆顺着煤层打钻，通过连续测定打钻过程中从钻孔中涌出的瓦斯流量，根据瓦斯流量大小判断掘进工作面前方的突出危险性，这种方法称之为预测煤巷突出危险性的连续流量法。

1 连续流量法煤巷突出预测指标的理论依据

1.1 连续流量法的理论基础

煤巷掘进工作全部都是在煤层中进行，掘进头前方没有阻挡，根据“三带”理论，在煤巷掘进工作面前方存在卸压带、集中应力带和原始应力带。由于暴露面附近的煤体在地应力的作用下破裂，因此产生了一定长度的破裂带。破裂过程煤体瓦斯就有了一定程度的释放，同时由于煤层的破裂带的间隙较大，瓦斯散失较多，因此煤巷掘进工作面前方一定距离的煤体中的瓦斯压力呈不均匀分布状态：靠近掘进工作面处的瓦斯压力较低，称之为卸压带；远离掘进工作面的煤层深处的瓦斯压力较高，而且随着时间的延续，这种不均匀的分布状态向煤层深处不断延伸，但始终保持着不稳定的动平衡的状态。

1.2 连续流量法突出预测指标的确立

当前井下常用的煤电钻是麻花钻，是以固定的前进速度沿着煤巷掘进工作面的方向在煤层的软分层中向前钻进的过程，和日常煤巷掘进工作相同，钻头前方的煤体与煤巷掘进工作面前方的煤体相似，都是在外力和地应力的作用下首先破坏形成了破裂带，钻头钻进过程中，瓦斯流从钻孔向外涌出，该瓦斯流包含4个部分产生的瓦斯流量：

(1)钻进过程中钻头破坏煤体所产生的初始瓦斯流量。该部分瓦斯流量的大小与地应力、瓦斯压力和煤体强度相关。煤体的初始释放瓦斯膨胀又是这三者的表征，当地应力越大，瓦斯压力越大、煤体强度越小时，煤体的初始释放瓦斯膨胀能就越大，煤体破坏后产生的初始瓦斯流量也越大。

(2)钻进过程中钻头所破坏煤体产生的后续瓦斯流量。

(3)钻头之外的钻孔孔壁涌出的初始瓦斯流量。钻孔形成后，在地应力的作用下钻孔会产生形变，形成了钻孔周围的破裂带。煤体在地应力作用下破裂的过程中向外释放初始瓦斯流量，同时钻孔壁向内扩张的过程中，在钻头与钻杆的作用下，产生刷帮的效果，加大了钻孔周围破裂带的范围与孔壁涌出的初始瓦斯流量。

(4)钻头之外的钻孔壁上产生的后续瓦斯流量。当使用麻花钻以固定的前进速度沿着煤巷掘进工作面的方向在煤层的软分层中向前钻进，采集钻孔中涌出的瓦斯流量，就可以得到钻孔涌出瓦斯流量关于钻孔深度的流量曲线。这条瓦斯流量曲线中的瓦斯流量包含了以上介绍的4个部分，如果能够去除钻孔钻进过程中所破坏煤体产生的后续瓦斯流量与钻头之外的钻孔壁上产生的后续瓦斯流量，得到的就是钻孔钻进过程中破坏煤体所产生的初始瓦斯流量与钻头之外的钻孔孔壁涌出的初始瓦斯流量的曲线。该初始瓦斯流量曲线与煤巷掘进工作面前方煤体的初始释放瓦斯膨胀能曲线呈线性关系，表征了掘进工作面前方的突出危险性的大小，同时初始瓦斯流量较大的部分与工作面的距离越小，突出煤体与工作面之间的阻挡层也就越小，突出也就越容易发生。根据上述分析，通过测定钻孔的初始瓦斯流量来对煤巷掘进突出危险性进行预测在理论上是可行的。

因此，连续流量法通过在煤巷掘进工作面进行打钻作业，通过测定分析钻进过程中随钻进深度变化，钻孔涌出瓦斯流量的分布曲线来预测煤巷突出危险性是切实可行的，通过数据的积累和恰当的方法，找出关于瓦斯流量参数的临界值，就能够将连续流量法应用到实际工作中，通过在每个掘进循环之前测定掘进工作面前方的钻孔瓦斯流量曲线，与临界值进行对比，从而判定本次掘进工作的突出危险性，为安全生产提供指导依据。

2 连续流量法煤巷突出预测装置介绍

在梁北煤矿煤巷掘进工作面的突出预测中采用的是PECF连续流量法线预测装置。装置总体安装情况如图1所示。

PECF连续流量法线预测装置从宏观角度可以分为机械部分和电路部分：

(1)机械部分主要由胶囊封孔器、负责将胶囊封孔器撑起的手动加压泵、封堵煤屑排放通道用的外加煤仓、瓦斯流量传感器通道、过滤网、钻屑排放铜管通道、装有超声波传感器的127 V煤电钻、超声波传感器反射板钻杆组成。在进行连续流量法煤巷突出预测时，在煤巷掘进工作面掘进头使用煤电钻沿掘进方向向前进行打钻，同时利用胶囊封孔工艺配合外加煤仓封住瓦斯气体以引导瓦斯沿瓦斯流量传感器通道流出。

(2)电路部分主要由本安型连续流量法煤巷突出预测装置主机(以下简称主机)、用以测量钻杆进尺即钻孔深度的矿用隔爆型超声波位移传感器、用以对瓦斯涌出量进行采集一大一小两个隔爆型流量传感器组成。隔爆型流量传感器把瓦斯的流速信号转换成电流信号，并把该信号经过处理后传给计算机；矿用隔爆型超声波位移传感把位移大小信号转换成电流信号，并把该信号经过处理后传给计算机。

3 梁北煤矿连续流量法预测煤巷突出临界值现场试验研究

梁北煤矿二1煤层属于高突松软煤层，突出现象十分严重，严重影响了煤矿的日常煤巷掘进工作，掘进速度缓慢。对二1煤层11071风巷掘进工作面钻孔涌出瓦斯流量进行了采集，根据前文所述的临界值确立方法，寻找该矿连续流量法的临界值，通过与临界值的对比，准确判定下个掘进循环的突出危险性，避免采取过量的消突措施，或因掘进速度过快给安全生产带来隐患。这是从常规的点预测到动态的线预测的进步，能大大提高预测的准确性。

根据连续流量预测装置测得的时间—电流值曲线可以转化为钻孔深度—流量值曲线，该曲线代表了随着煤电钻向前钻进过程中沿着钻孔深度的方向瓦斯涌出流量大小，钻孔涌出瓦斯流量越大，则突出危险性就越大。因此，钻孔涌出瓦斯流量的总面积可以表征钻孔瓦斯涌出流量的总量，代表了掘进工作面前方突出危险性的大小。但对于同样瓦斯流量面积的曲线来说，曲线的峰值愈靠近掘进工作面，显然突出的危险性也就越大。面心是能够代表瓦斯流量曲线中较大的流量部分距离掘进工作面距离的表征，因此，钻孔涌出总瓦斯流量面积与瓦斯流量曲线的面心的乘积可以更全面、综合地代表掘进工作面前方的突出危险性大小，称之为瓦斯流量面积矩。关于瓦斯流量面积矩的具体求取方法如下：

通过时间—电流值曲线可以得出时间方向上的瓦斯流量，同时根据钻杆长度、位移传感器记录的位移距离与煤电钻功率记录的打钻时间，可以得到时间—电流值曲线中每一时间点所代表的空间方向的大小，即每一微段的长度，该时间点上的瞬间流量值可以视为该微段长度上的瞬间流量值。求取该微段长度的瓦斯流量面积，可以得到任意一微段的瓦斯流量面积大小为：

S流量i=qi·dx

(1)

式中：S流量i——流量曲线的任意微段的瓦斯流量面积，(L·m)/min；

qi——该点处的瞬时流量值，L/min；

x1,x2——该点微段的两个端点距离钻孔末端的距离，m。

求取瓦斯流量曲线的面心距工作面的距离，以下简称面心距，面心距x的大小可以通过下面的计算式来计算：

(2)

式中：xi——对应点i处的微段内流量面积的面心距钻孔末端的距离，m。

通过求取瓦斯流量面积矩来判定工作面前方突出危险性大小，瓦斯流量面积矩的计算方法为：

(3)

式中：M——瓦斯流量面积矩，(L·m2)/min；

L——钻孔总深度，m。

从式(3)可以看出，流量面积矩是瓦斯流量面积与瓦斯流量曲线的面心距工作面的距离的乘积，它能综合线性地反应掘进工作面前方的突出危险性的大小与距离工作面的距离，钻孔涌出瓦斯流量面积愈大，面心距愈小，流量面积矩就愈大，说明工作面前方突出危险性愈高。

在现场试验过程中，因为主机开关与掘进头位置较远、需要检查传感器运行情况以及打钻准备等都需要占用大量的时间，因此最终所采集的原始数据中，包含了所需的钻进过程的数据，同时也包含了大量的无用数据，为了将钻进过程的数据与其他无用数据分开，需要记录每次打钻过程中所添加钻杆的长度以及添加次数，并通过位移传感器与煤电钻功率的记录，判断原始数据中钻进期间的数据段。

本次试验采用单独位移传感器的数据判断原始数据中的钻进过程段的数据。4月16日原始数据曲线如图2所示。对原始曲线进行分析，得到钻孔深度—瓦斯流量曲线如图3所示。

计算得到总的瓦斯流量面积为91.7 (L·m)/min，面心距的大小为5.5 m，流量面积矩的大小为407.3 (L·m2)/min。4月16日常规预测指标测定曲线如图4所示。测得结果均低于《防治煤与瓦斯突出规定》中的临界值6 kg/m与200 Pa。当日现场试验结束后，进行了放炮掘进作业，放炮后与掘进过程无突出现象，可以判定本次取得的流量面积矩407.3 (L·m2)/min为低于突出临界值的安全值。

通过对现场试验得到的原始数据进行分析，得到注量面积矩为317.4～673.5 (L·m2)/min。数据采集后直接进行放炮掘进作业观察有无突出现象，和同组测得的钻屑量、钻屑解吸指标与《防治煤与瓦斯突出规定》的临界值进行对比，确定了每组流量面积矩与真实临界值之间的关系并进行了积累。虽然没有高于临界值的数据，但673.5 (L·m2)/min的流量面积矩作为所有流量面积矩中的最大值，且对应的同组的常规突出预测指标测得钻屑量5.5 kg/m和钻屑解吸指标190 Pa这两个值在已取得的常规指标中最大，非常接近《防治煤与瓦斯突出规定》的临界值，因此，可以作为梁北煤矿连续流量法预测煤巷突出的临界值。

4 结论

(1)连续流量装置在现场的成功应用，取决于准确、真实记录钻孔中连续涌出的瓦斯流量，并通过位移传感器数据与煤电钻功率数据判断原始数据中的有效钻进段数据，将原始数据的时间—电流值曲线真实地还原为钻进过程的钻孔深度—流量值曲线。

(2)流量面积矩参量反应了钻进过程中瓦斯涌出总流量与瞬时瓦斯流量峰值的分布，通过对采集的数据进行分析计算，得出该组数据的流量面积矩，通过对比，现场试验结束后直接进行掘进作业观察有无突出现象，并与同组的常规预测指标的钻屑量S、钻屑解吸指标△h2进行对比分析，说明流量面积矩参量能够准确的反应掘进工作面前方突出危险性的大小。

(3)通过数据分析与积累，计算得出大小为673.5 (L·m2)/min的流量面积矩是所有流量面积矩中的最大值。该组数据取得时打钻过程无突出预兆现象，直接进行放炮掘进作业无突出现象，可以作为连续流量法在梁北煤矿煤巷突出预测中的安全值，同时对比同组的常规突出预测指标测得的钻屑量5.5 kg/m和钻屑解吸指标190 Pa这两个值在取得的常规指标中同样是最大，非常接近《防治煤与瓦斯突出规定》的临界值的数据，判定大小为673.5 (L·m2)/min的流量面积矩是一组接近真实临界值的安全值，可以认定为梁北煤矿连续流量法预测煤巷突出的临界值。

参考文献：

[1] 俞启香.矿井瓦斯防治[M].徐州：中国矿业大学出版社，1992

[2] 蒋承林，俞启香. 煤与瓦斯突出的球壳失稳机理及其防治技术[M]. 徐州：中国矿业大学出版社，1998

Research on prediction of critical value of coal roadway outburst by continuous flow method

Li Peng1,2

(1. China Coal Technology and Engineering Group Shenyang Research Institute Co., Ltd., >Shenyang, Liaoning 110016, China;s2. State Key Laboratory of Coal Mine Safety Technology, Shenyang, Liaoning 110016, China)

Abstract Aiming at the measuring distance determination, measuring time selection, operation complexity of prediction index and other existed problems in traditional coal roadway outburst prediction index, the author used continuous flow method to predict the risk of coal roadway outburst, and analyzed the theoretical basis of continuous flow method and significance of critical value determination, and introduced the component and operational mechanism of continuous flow outburst prediction unit, and analyzed the calibration process of displacement sensor and flow sensor. The practical application laid a foundation for the continuous flow method's application in the daily work.

Key words coal roadway tunneling, outburst prediction, continuous flow method, flow area moment, critical value

中图分类号 TD713

文献标识码 A

引用格式：李鹏.连续流量法预测煤巷突出的临界值研究[J].中国煤炭，2018,44(9)：103-107.

Li Peng. Research on prediction of critical value of coal roadway outburst by continuous flow method[J]. China Coal, 2018，44(9):103-107.

作者简介：李鹏(1986-)，男，汉族，河南禹州人，助理工程师，硕士研究生，主要从事瓦斯抽采、突出预测及鉴定工作。

(责任编辑 张艳华)