煤與瓦斯突出預(yù)測指標(biāo)及其臨界值確定方法研究

王翠霞，劉紀(jì)坤

（西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710054）

煤與瓦斯突出預(yù)測指標(biāo)及其臨界值確定方法研究

王翠霞，劉紀(jì)坤

（西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710054）

為了避免突出的漏報，提高煤與瓦斯突出預(yù)測工作的有效性與準(zhǔn)確率，在系統(tǒng)分析煤與瓦斯突出預(yù)測敏感指標(biāo)以及各影響因素對突出的影響程度基礎(chǔ)上，以顯德汪礦為例提出了基于鉆屑量S，Δh2和K1等3種預(yù)測指標(biāo)的綜合指標(biāo)K值，并建立了綜合指標(biāo)的計算公式，實現(xiàn)了對煤與瓦斯突出預(yù)測的各項指標(biāo)的綜合考慮。基于該指標(biāo)對顯德汪礦進行了突出預(yù)測并確定了臨界值。根據(jù)所確定的臨界值，對分析結(jié)果進行驗證，證明所選取的臨界值符合要求。在此基礎(chǔ)上對煤與瓦斯突出預(yù)測指標(biāo)臨界值的確定方法進行了推廣，建立了具有普遍使用性的礦井瓦斯突出綜合預(yù)測指標(biāo)及其臨界值確定方法，并提出將該綜合預(yù)測指標(biāo)與各單項預(yù)測指標(biāo)結(jié)合應(yīng)用。

煤與瓦斯突出；預(yù)測指標(biāo)；臨界值

0 引 言

礦井煤與瓦斯突出是一種極其復(fù)雜的動力現(xiàn)象，給煤礦安全生產(chǎn)造成了極大的經(jīng)濟損失與人身安全威脅[1-2]。盡管多年來世界各國專家學(xué)者在防治突出方面進行了大量的研究工作，但目前為止仍舊對不同地質(zhì)、開采條件下突出發(fā)生的規(guī)律沒有完全掌握，也未能做到全面杜絕突出事故的發(fā)生[3-4]。為保證煤礦的安全生產(chǎn)，防治煤與瓦斯突出需做到以下2個方面：①防止突出發(fā)生，或減小突出的頻率和強度；②避免突出造成人身傷亡事故[5-6]。

確定預(yù)測突出的敏感指標(biāo)是工作面預(yù)測突出危險性研究中的一項非常重要的內(nèi)容。所謂敏感指標(biāo)，對某一礦并煤層工作面進行預(yù)測時，能夠明顯區(qū)分出工作面有無突出危險性的預(yù)測指標(biāo)，該指標(biāo)的值在突出危險和非突出危險工作面應(yīng)無交叉或交叉區(qū)域較少[7-9]。從優(yōu)化角度，認為敏感指標(biāo)是能夠最準(zhǔn)確地預(yù)測突出危險性。敏感指標(biāo)確定后，得到的能夠確定突出是否發(fā)生的指標(biāo)的最小值即為臨界值[10-11]。也就是要找到能夠準(zhǔn)確預(yù)測突出的預(yù)測指標(biāo)并確定出其合理的臨界值[12]。文中以顯德汪礦煤巷突出為例說明煤與瓦斯突出預(yù)測指標(biāo)的選取及其臨界值的確定方法。

1 煤與瓦斯突出預(yù)測敏感指標(biāo)的選取

目前煤與瓦斯突出預(yù)測方法有多種，所涉及到的各種預(yù)測指標(biāo)也不盡相同[13-15]。因此，需要根據(jù)礦井煤層的實際情況和自身需要來選擇合適的預(yù)測方法，進而選取合適的預(yù)測指標(biāo)。

1.1 煤與瓦斯突出預(yù)測敏感指標(biāo)分析

1.1.1 鉆孔瓦斯涌出初速度法

鉆孔瓦斯涌出初速度是是指在煤層中按規(guī)定的技術(shù)要求施工鉆孔，在達到預(yù)定深度，2 min時，在規(guī)定長度鉆孔內(nèi)涌出的瓦斯流量，用于煤礦井下工作面預(yù)測煤與瓦斯突出危險或防突措施效果檢驗的一項重要指標(biāo)，它是經(jīng)過國內(nèi)外廣大煤炭科技人員經(jīng)過長期的研究和試驗得出的。測定原理就是用電煤鉆或風(fēng)煤鉆帶動螺旋鉆桿，在煤層中鉆進φ42 mm鉆孔，每鉆進1 m或鉆進到預(yù)定深度，退出鉆桿，送入封孔器，用打氣筒充氣封孔，然后用流量計測定打鉆結(jié)束后2 min時規(guī)定長度鉆孔的瓦斯流量。

1.1.2 鉆孔瓦斯涌出初速度結(jié)合鉆屑量綜合指標(biāo)（R值）法

這種日常預(yù)測方法由前蘇聯(lián)東方煤礦安全研究所1969年提出，1970—1974年在庫茲、巴斯、卡拉干達、沃爾庫特初帕爾贊斯克煤田進行工業(yè)試驗，1973年開始在前蘇聯(lián)東部和北部煤田運用。

這種預(yù)測方法是綜合性預(yù)測法，因為同時考慮了工作面的應(yīng)力狀態(tài)、物理力學(xué)性質(zhì)、瓦斯含量，即考慮了決定突出危險的主要因素。

鉆屑量主要考慮了煤層的強度性質(zhì)和應(yīng)力狀態(tài)，而瓦斯涌出初速度則主要考慮了瓦斯因素，因此把鉆屑量與瓦斯涌出初速度結(jié)合在一起，來預(yù)測突出危險性是合適的。

1.1.3 鉆屑指標(biāo)法

采用該法預(yù)測時，在工作面打2個（傾斜和急傾斜煤層）或3個（緩傾斜煤層）直徑42 mm，長6～10 m的鉆孔。鉆孔每鉆進1 m測定鉆屑量一次，每鉆進2 m測一次鉆屑解吸指標(biāo)。根據(jù)每個鉆孔沿孔深每米的最大鉆屑量Smax和鉆屑解吸指標(biāo)K1或Δh2，預(yù)測工作面突出危險性[13]。

表1 煤巷鉆屑指標(biāo)法臨界值

各項指標(biāo)危險臨界值，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場實測資料確定，如無實測資料，按表1數(shù)據(jù)確定突出危險性。

1.1.4 煤體溫度預(yù)測法

該方法的原理是，工作面前方煤體溫度的變化特征決定于煤體應(yīng)力變形狀態(tài)和瓦斯動力狀態(tài)。不僅煤體卸壓降低煤體溫度，煤體排放瓦斯（包括瓦斯解吸、絕熱膨脹和滲透）同樣降低煤體溫度。采用此法時有2種測溫方法來評價煤層的突出危險性：①測量從每段炮眼采集的鉆屑的溫度；②測量工作面新暴露面的溫度[13]。

前蘇聯(lián)馬凱耶夫煤礦安全研究所在突出危險層的保護帶和未保護帶作了對比測定，其結(jié)果列于表2.從表中資料看出，突出危險帶鉆屑的溫度比保護帶低1～3 ℃.

測量新暴露面溫度的方法特別適用于綜采工作面，因為在這里打檢查炮眼有很大的困難，因此前蘇聯(lián)馬凱耶夫煤礦安全研究所研制了以記錄紅外輻射強度為基礎(chǔ)的礦用非接觸式溫度計，它能遠距離（相距3 m）（相距3 m）并且連續(xù)地沿工作面測量新暴露面的溫度。

表2 鉆屑溫度對比測定

1.1.5V30特征值預(yù)測法

所謂的V30特征值，是指爆破后前30 min內(nèi)的瓦斯涌出量與崩落煤量的比值，單位為 m3/t.對不同煤層的V30值統(tǒng)計分析表明，在無瓦斯突出危險的煤層，這些值的分布非常接近于正態(tài)分布，中值位于可解吸瓦斯含量的10%～17%附近；一旦V30值達到可解吸瓦斯含量的40%，就有瓦斯突出的嫌疑；達到可解吸瓦斯含量的60%，就存在瓦斯突出危險[6-7]。

1.2 顯德汪礦井突出預(yù)測指標(biāo)選擇

顯德汪礦根據(jù)礦井自身情況和預(yù)測需要選擇煤巷突出預(yù)測方法中的鉆屑指標(biāo)法，并進行了實地采樣及突出模擬實驗，并對見表3的實驗結(jié)果進行了分析。根據(jù)分析結(jié)果，煤體強度和應(yīng)力是影響突出的主要因素，所以能夠反映煤體強度和應(yīng)力的指標(biāo)鉆屑量S應(yīng)為重要指標(biāo)。與此同時，瓦斯對煤樣的突出量也有影響，所以代表瓦斯賦存狀況的指標(biāo)Δh2和K1也可作為突出的敏感指標(biāo)。所以通過模擬實驗，可選用鉆屑量S，Δh2和K1指標(biāo)進行預(yù)測。

表3 模型突出煤量與各因素關(guān)系

為了保證預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性，收集了大量的顯德汪礦有關(guān)瓦斯突出預(yù)測的不同時期，不同地點的指標(biāo)數(shù)據(jù)，并進行統(tǒng)計分析和歸納處理，對所收集的數(shù)據(jù)進行概括統(tǒng)計，得出不同預(yù)測地點的預(yù)測數(shù)據(jù)組數(shù)，預(yù)測時間以及預(yù)測數(shù)據(jù)的總量，見表4.

表4 預(yù)測數(shù)據(jù)匯總

為了突出數(shù)據(jù)分析的直觀性，將搜集的數(shù)據(jù)按不同地點和不同預(yù)測指標(biāo)繪制成曲線圖，如圖1所示（限于篇幅僅給出1923工作面回采期間3個指標(biāo)的曲線圖）。從圖中可以看出，無論是波動頻率還是波動幅度而言，瓦斯解吸指標(biāo)Δh2和k1都比鉆屑量S較大，可以初步判斷煤層突出的主導(dǎo)因素可能是瓦斯，而不是煤層應(yīng)力。從而，瓦斯解吸指標(biāo)與煤層突出之間的關(guān)聯(lián)性可能較大。

圖1 1923工作面回采期間S值、Δh2值、K1值曲線Fig.1 Curve of S，Δh2and K1during the period of working face

2 煤與瓦斯突出預(yù)測敏感指標(biāo)臨界值的確定及推廣

2.1 煤與瓦斯突出預(yù)測敏感指標(biāo)臨界值的確定

所謂臨界值的確定就是將一個指標(biāo)單獨提取出來與現(xiàn)場情況相結(jié)合，并根據(jù)有關(guān)規(guī)定選取相應(yīng)的臨界值。但是，煤與瓦斯突出或瓦斯動力效應(yīng)的形成，往往并不僅僅由一個因素單獨作用引起的，是由多個因素造成的。因此針對一次煤與瓦斯突出或瓦斯動力效應(yīng)，并不能確定的認為是由某一個因素造成的。也就是說煤與瓦斯突出指標(biāo)臨界值的確定不能針對單獨的某一個指標(biāo)來進行，而應(yīng)該對參與瓦斯突出預(yù)測的所有預(yù)測指標(biāo)進行綜合分析，定出一個綜合指標(biāo)。同理，所確定出來的臨界值也應(yīng)該是一個綜合指標(biāo)臨界值，而不應(yīng)該只對某個單獨的指標(biāo)確定臨界值[13]。

針對顯德汪的瓦斯突出預(yù)測，暫且命名一個綜合指標(biāo)K.公式如下

（1）

式中 Ki為綜合指標(biāo)；n為所測得的數(shù)據(jù)組數(shù)；S為鉆屑量，kg/m；i為代入計算的數(shù)據(jù)組號；K1為鉆屑解吸指標(biāo)，m3/g·min1/2；a1，b1，c1分別為3個指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)；Δh2為鉆屑解吸量，Pa.

式（1）中，將3個指標(biāo)分別除以他們的平均值，是因為3個指標(biāo)在數(shù)值量綱上差異過大，所以對其進行無量綱化處理。與此同時，a1，b1，c1因為是權(quán)重系數(shù)，因此，他們應(yīng)該分別反映這3個指標(biāo)與瓦斯突出危險性大小的相關(guān)程度。所以，可以考慮將這3個指標(biāo)與瓦斯突出危險程度的灰色關(guān)聯(lián)度賦值給這3個系數(shù)。因此，首先應(yīng)該分別計算3個指標(biāo)與瓦斯突出危險程度的灰色關(guān)聯(lián)度。

式（1）中，可以看出，綜合指標(biāo)K，并不是草率的將3個預(yù)測指標(biāo)進行數(shù)值上簡單的相加，以此來進行綜合考慮的。它不僅充分的考慮各個指標(biāo)之間數(shù)值量綱相差過大的問題，對其進行了無量綱化處理；而且，還在此基礎(chǔ)之上，利用灰色理論的知識，對各個預(yù)測指標(biāo)之間的權(quán)重關(guān)系進行了考量。所計算出來的權(quán)重還可以作為影響突出發(fā)生的因素重要性排序的依據(jù)，幫助煤礦企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)對突出防治措施進行選擇。但是，與此同時，必須注意到：以綜合指標(biāo)K值進行突出預(yù)測是建立在大量已測定數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)之上的，因此，它無法作為煤層開采初期的預(yù)測方法。可以說，它是建立在最初采用了其他預(yù)測方法的基礎(chǔ)之上的，更進一步的預(yù)測方法。

根據(jù)瓦斯突出預(yù)測指標(biāo)的灰色關(guān)聯(lián)度計算方法，可以分別確定3個瓦斯突出預(yù)測指標(biāo)的相對關(guān)聯(lián)度，也即確定了公式（1）中的3個待定系數(shù)a1，b1，c1，結(jié)合所測得的S，Δh2和K1值即可分別計算各組測量數(shù)據(jù)的綜合指標(biāo)K值。再對K值進行排序，以發(fā)生實際突出或瓦斯動力現(xiàn)象的最小K值為臨界值。利用本方法確定出顯德汪礦的綜合指標(biāo)K的臨界值為：K=4.521 419.

根據(jù)所確定的臨界值，代回原數(shù)據(jù)，對分析結(jié)果進行驗證，分析臨界值的可靠性。分析結(jié)果見表5.

表5表明，分析結(jié)果基本符合要求，證明了所選取的臨界值符合要求。

表5 臨界值分析結(jié)果

2.2 臨界值確定方法的推廣

由確定綜合指標(biāo)K臨界值的公式（1），可以看出，公式（1）僅適合與敏感指標(biāo)為S，Δh2和K1的情況，對于敏感指標(biāo)為其他的情況，公式（1）無法對其進行計算預(yù)測。也就是說，公式（1）的應(yīng)用范圍十分有限，不具有普遍適用性。那么，從公式（1）推廣出具有普遍適用性的，適用于任何敏感指標(biāo)選定情況的計算公式，就具有十分重要的意義了。

（2）

由上述公式可以看出，公式（2）相對于公式（1）具有更大的普遍適用性，可應(yīng)用的范圍更加廣泛。礦井可以根據(jù)自身的煤與瓦斯突出預(yù)測的需要，選擇具有針對性的任何敏感指標(biāo)，在對其計算相對關(guān)聯(lián)度之后，代入公式（2）中，計算K值。進而結(jié)合礦井實際突出情況，確定合理的臨界值。

綜上所述，可以將臨界值的選取過程，歸納如圖2所示。

圖2 臨界值選取過程Fig.2 Critical value selection process

必須注意到，所有的臨界值確定的過程都不是一次完成的，而是一個動態(tài)的、循環(huán)的、根據(jù)實際情況不斷接近完善，不斷提高預(yù)測準(zhǔn)確率的過程。因此，圖2中，從計算瓦斯突出預(yù)測指標(biāo)相對關(guān)聯(lián)度到選取臨界值這個過程，應(yīng)該是循環(huán)進行的。至于循環(huán)的開始條件，應(yīng)該以是否有不超限突出或者超限不突出為條件的。具體的循環(huán)過程如圖3所示。

圖3 臨界值選定循環(huán)示意圖Fig.3 Cycle schematic diagram of critical value selection

3 結(jié) 論

1）實現(xiàn)了對煤與瓦斯突出預(yù)測的各項指標(biāo)的綜合考慮，避免了瓦斯突出預(yù)測的片面性，提高了煤與瓦斯突出預(yù)測工作的有效性，有利于改善安全生產(chǎn)狀況；

2）計算臨界值時用到的各個指標(biāo)參數(shù)的相對關(guān)聯(lián)度，還可以反映各個指標(biāo)對于煤與瓦斯突出的影響程度的大小，對于礦領(lǐng)導(dǎo)制定各個防突措施的輕重緩急順序有十分重要的指導(dǎo)意義；

3）為克服綜合指標(biāo)所出現(xiàn)的漏報現(xiàn)象，可將綜合指標(biāo)K值預(yù)測和單項指標(biāo)預(yù)測相結(jié)合進行預(yù)測，在單項指標(biāo)臨界值選取合理的情況下可以在有限的犧牲預(yù)測突出準(zhǔn)確率的前提下，滿足預(yù)測不突出準(zhǔn)確率達到100%的要求。

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Determination method of prediction index and its critical value of coal and gas outburst

WANG Cui-xia，LIU Ji-kun

（CollegeofEnergyScienceandEngineering,Xi’anUniversityofScienceandTechnology,Xi’an710054,China）

In order to avoid missing reports on coal and gas outburst and improve the effectiveness and accuracy of coal and gas outbursts prediction，sensitive indexes of coal and gas outbursts prediction and influence degree on outburst of various influential factors were analyzed.Then the comprehensive index k，which takes Xiandewang coal mine for example，was put forward based on coal powder quantity of boreS，Δh2andK1，and the calculation formula of comprehensive index was established.The comprehensive consideration of the indicators for coal and gas outbursts prediction was realized.Outburst prediction was done for Xiandewang coal mine based on the index,and the related critical value was identified.The analysis results was verified based on the critical value, and it was proved that the critical value meets the requirements.The determination method of prediction index critical value of coal and gas outburst was popularized.Then the determination method of prediction index and its critical value of coal and gas outburst with universal usability were established.At last the combined application of comprehensive index and each individual predictor was put forward.

coal and gas outburst；prediction index；critical value

2015-03-14 責(zé)任編輯：劉 潔

國家自然科學(xué)基金（51404188）；中國博士后科學(xué)基金（2015M572583）；陜西省教育廳科學(xué)研究計劃專項項目（14JK1463）；能源學(xué)院青年教工創(chuàng)新項目（2014-NY-006）

王翠霞（1985-），女，山東淄博人，博士研究生，E-mail:anquanhaiying@126.com

10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2015.0507

1672-9315（2015）05-0567-06

TD 712

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