屯蘭礦工作面瓦斯突出預測敏感指標的研究

楊曉紅

(西山煤電集團公司 屯蘭礦,　山西　古交　030200)

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·試驗研究·

屯蘭礦工作面瓦斯突出預測敏感指標的研究

楊曉紅

(西山煤電集團公司 屯蘭礦,山西古交030200)

摘要在對屯蘭礦現采掘的2#、4#、8#、9#煤層區域瓦斯突出敏感指標考證的基礎上，分析選擇了適合屯蘭礦實際的瓦斯突出危險性預測方法，并且通過實驗室試驗和現場跟蹤測定相結合的辦法，對工作面鉆屑解吸指標K1、△h2和鉆屑量指標S，從定量與定性兩個方面分析比較其可靠性，利用數學統計的方法探討三者的相對敏感性，研究確定了屯蘭礦不同地質單元工作面的瓦斯突出預測的敏感指標體系和臨界值。

關鍵詞區域瓦斯突出；實驗室試驗；現場實測；鉆屑解吸指標；鉆屑量；敏感性；臨界值

煤與瓦斯突出屬煤礦重大自然災害之一，對煤礦安全構成極大威脅，必須采取有效的手段進行治理。突出預測作為防治突出的第一環節，其準確性直接關系著礦井安全生產和突出煤層采掘作業的效率，同時影響防突工程量大小，與礦井的社會效益和經濟效益有著重要聯系。目前，我國研究局部突出危險性預測主要使用鉆屑瓦斯解吸指標K1、△h2，鉆屑量指標S值等指標進行工作面突出危險性預測。但是上述指標在井田面積較大、地質條件多變的礦井中的不同區域，敏感程度不同，不加分析地采用《防治煤與瓦斯突出規定》的預測指標是不科學的，在實際工作中甚至有時出現所謂“低指標突出，高指標不突”的現象。為此，每座煤與瓦斯突出礦井都應結合礦區煤層及瓦斯地質實際情況，開展其突出預測敏感指標及其臨界值的考察確定研究工作，建立礦井突出危險性預測指標體系。

屯蘭礦是山西焦煤西山煤電集團公司的主力生產礦井，2012年升級為煤與瓦斯突出礦井，其現采掘的2#、4#、8#和9#煤層均為煤與瓦斯突出煤層，且曾經發生過打鉆噴孔、瓦斯異常涌出等動力現象。因此，考察確定屯蘭礦工作面突出預測敏感指標及其臨界值，對于其防治煤與瓦斯突出工作具有重要的現實指導意義。

1屯蘭礦工作面突出危險性預測方法的選擇

1.1區域煤與瓦斯突出敏感指標考證

屯蘭礦現采掘的2#、4#、8#和9#煤層均為煤與瓦斯突出煤層，現場測定及實驗室研究發現：2#、9#煤層瓦斯壓力為0.74 MPa時原始瓦斯含量接近8 m3/t, 8#煤層瓦斯壓力為0.74 MPa時原始瓦斯含量明顯大于8 m3/t，4#煤層瓦斯壓力為0.74 MPa時原始瓦斯含量明顯小于8 m3/t.對各煤層始突壓力理論分析結果：2#煤層Pmin=1.04 MPa、4#煤層Pmin=1.14 MPa、8#煤層Pmin=0.92 MPa、9#煤層Pmin=0.99 MPa.其最小始突壓力為0.92 MPa，結果大于《防治煤與瓦斯突出規定》的0.74 MPa.鑒于煤與瓦斯突出敏感指標需要在礦井長期現場實際工作中反復比對檢驗，為安全起見，認為屯蘭礦2#、4#煤層應將0.74 MPa作為臨界瓦斯壓力，8#、9#煤層應將8 m3/t作為臨界瓦斯含量較為適宜，在今后的實際工作中不斷考察驗證。在此基礎上應進一步開展工作面突出危險性預測及驗證工作。

1.2工作面突出危險性預測方法的分析選擇

工作面煤與瓦斯突出預測方法很多，但是較為成熟及現場常用的方法主要有鉆屑指標法、復合指標法、R值指標法3種。鉆屑指標有△h2、K1、S值3個指標，鉆屑瓦斯解吸指標△h2測定10 g煤樣自暴露于自由空間中第4 min和第5 min的瓦斯解吸量，單位Pa.而鉆屑瓦斯解吸指標K1測定煤樣自暴露于自由大氣空間中解吸第1 min內1 g煤樣的瓦斯解吸總量，單位mL/(g·min1/2).鉆屑量指標S測定每米鉆孔鉆進過程中排出的鉆屑重量，單位kg. 復合指標法主要以測定鉆孔瓦斯涌出初速度q和鉆屑量S為主,在實際生產過程中存在鉆孔瓦斯涌出初速度的測定距離較短，變化較大，操作復雜不易掌握等缺點；R值指標法實際上是以鉆屑指標為依據演變而來的。因此，選擇應用最為廣泛的鉆屑指標法作為屯蘭礦工作面突出預測方法。

2對工作面鉆屑指標法的可靠性分析

2.1鉆屑解吸指標△h2和K1值與瓦斯放散量關系

鉆屑解吸指標△h2和K1值均反映一段時間內煤樣瓦斯解吸量大小，且二者與對應時間段內瓦斯放散量存在函數關系。研究認為鉆屑解吸指標K1和△h2與對應時間段內的瓦斯放散量的數值關系如式(1)和式(2)所示。

(1)

Q4-5=0.008 21Δh2/10

(2)

2.2鉆屑解吸指標△h2和K1值可靠性的比較分析

對屯蘭礦2、4、8、9號煤層煤樣開展高壓吸附放散試驗，將實驗室試驗中(分別用WTC和MD-2)測得的△h2和K1值，按照(1)和(2)式，反算成對應放散時間段瓦斯放散量，并與解吸實驗中對應時間段內實際測定的瓦斯放散量的大小進行對比分析，找出相對較可靠的指標。

試驗所測K1和△h2指標進行反算第1 min放散量和吸附放散實驗第1 min實際放散量進行線性擬合，結果見圖1a)所示，斜率接近于1，R2=0.925 6.對各個煤層煤樣實驗所測△h2指標反算第4～5 min放散量和吸附放散實驗第4～5 min放散量進行線性擬合，見圖1b)，斜率亦接近于1，R2=0.932 5. 因此，從統計規律上可以說，實驗室吸附放散試驗測得的△h2和K1值具備可靠性。

圖1　實測與反算瓦斯解吸量的關系圖

2.3鉆屑量S值指標可靠性分析

鉆屑量S值指標主要反映煤層的受破壞程度，S值越大，煤層受破壞程度越高也就越松軟、煤層突出危險性越大。但是S值以測定每米鉆孔鉆進過程中排出的鉆屑重量作為衡量指標，單位kg. 打鉆測量過程受打鉆工藝、工作面風速影響較大。比如，鉆桿失穩晃動常常會導致鉆孔成孔時孔徑偏大，造成鉆屑量偏高。再如，掘進工作面風速較大，會吹散小顆粒的鉆屑，造成鉆屑量偏低。因此，鉆屑量S值指標可靠性比兩個鉆屑解吸指標都要低。

3工作面瓦斯突出預測指標的敏感性分析

敏感指標及其臨界值的確定方法一般是根據煤與突出危險性預測、防治煤與瓦斯突出措施效果檢驗的現場數據，結合異常涌出或動力現象，采用數學統計方法最終獲得。具體數學統計方法步驟如下：

3.1標準化

突出預測指標K1、△h2和S有不同的單位，須通過標準化變換消除指標單位及其指標值數量級的差異，使不同指標處于相同的數量體系，才能進行后續的同類級的比較。指標標準化處理按照下式進行：

(3)

式中：

xi—預測指標實際值；

yi—預測指標指標值；

S—預測指標實際值的標準差。

(4)

式中：

2.2.3 量表的區分效度 研究發現，夜尿癥患者的生活質量與起夜次數密切相關，即平均每晚排尿次數越多，患者的生活質量越差[10-11]。根據患者平均每晚起夜次數將其分為兩組(2次和≥3次)，經檢驗兩組基線資料均衡可比，采用兩獨立樣本t檢驗對兩組N-QOL各維度及總量表得分進行比較，結果見表3。

m—樣本個數。

經過上式計算，帶有不同單位的突出預測指標K1、△h2和S都可以轉換成無量綱量。再采用最小均方差法計算指標的敏感性.

3.2敏感性量化

(5)

式中：

sj—第j個指標值的樣本均方差；

n—指標個數。

sk=min{sj}

(6)

Sk值越大則其對應的指標越敏感，反之則不敏感。

在屯蘭礦井下選取4個采樣地點共收集了37個循環現場測定數據，通過計算得出K1、鉆屑量S和△h23個指標敏感性結果分別為：S1為0.55、S2為

0.43、S3為0.24，從中可以看出在對屯蘭礦各煤層進行突出危險性預測的過程中，K1的敏感性最好，鉆屑量S次之，而△h2敏感性最低。

綜上，確定屯蘭礦突出危險性敏感指標為鉆屑解吸指標K1值，鉆屑量S和△h2值作為輔助預測指標。

4工作面突出敏感指標的臨界值確定

針對屯蘭礦井田面積較大且煤層群賦存的特點，提出依照地質單元劃分研究確定礦井突出敏感指標K1臨界值的方法，即首先劃分地質單元，繼而分別考察各地質單元內的突出預測敏感指標臨界值。屯蘭礦井田范圍內大的地質構造通常構成盤區邊界，因此，在具體考察屯蘭礦敏感指標臨界值時，按照盤區為1個地質單元進行確定。不同地質單元內的K1臨界值見表1.

表1　不同地質單元(盤區)內的K1臨界值表

經過2014年以來的安全生產實踐經驗驗證，采用上述K1指標作為工作面局部突出危險預測臨界值用于屯蘭礦工作面突出危險防治工作，消滅了瓦斯突出事故，符合礦井實際。

5結論

1) 屯蘭礦應將0.74 MPa作為2#、4#煤層突出臨界瓦斯壓力，8#、9#煤層應將8 m3/t作為臨界瓦斯含量，并在今后的實際工作中不斷考察驗證。

2) 屯蘭礦應采用鉆屑解吸指標法作為工作面突出危險性預測方法，研究確定K1值作為突出危險敏感指標，鉆屑量S和△h2值作為輔助預測指標。突出危險敏感指標臨界值依據不同的地質單元劃分確定。

參考文獻

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Study on Gas Outburst Forecast Sensitivity Index in Tunlan Coal Mine Working Face

YANG Xiaohong

AbstractOn the basis of evidencing the region gas outburst sensitivity index in Tunlan coal mine No.2, No.4, No.8 and No.9 coal seams of which are mining now, analyzes and selects the forecasting methods of gas outburst fatalness that are suit to the actual situation of Tunlan coal mine. Through the methods of laboratory experiment and field measurement, analyzes and compares the reliability of drilling cuttings desorption index K1, △h2 and drilling cuttings quantity S from the extent of quantitative and qualitative. And make use of the method of mathematical statistics to discuss the relative sensitivity among the three indexes. It determines the gas outburst forecast sensitivity index system and critical value in the different geological units working face of Tunlan coal mine.

Key wordsRegion gas outburst; Laboratory test; Field measurement; Drilling cuttings desorption index; Drilling cuttings quantity; Sensitivity; Critical value

中圖分類號：TD713

文獻標識碼：A

文章編號：1672-0652(2016)02-0031-04

作者簡介：楊曉紅(1971—)，男，山西襄汾人，1991年畢業于大同煤校，工程師，主要從事“一通三防”技術和現場管理工作(E-mail)surping-72@163.com

收稿日期：2016-01-19