東曲礦瓦斯突出敏感指標(biāo)預(yù)測(cè)及臨界值研究

楊 威

(山西焦煤西山煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司,山西 太原 030053)

當(dāng)前對(duì)于突出煤層敏感指標(biāo)及其臨界值主要通過(guò)統(tǒng)計(jì)法進(jìn)行確定，且不同的突出指標(biāo)在反映煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性方面存在著較大差異，所以其準(zhǔn)確性主要取決于實(shí)驗(yàn)樣品的真實(shí)性與可靠性[1-2]。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)瓦斯突出性預(yù)測(cè)指標(biāo)進(jìn)行了大量研究。張文勇等人針對(duì)掘進(jìn)工作面條件，對(duì)突出指標(biāo)及臨界值計(jì)算方法進(jìn)行了研究；張玉明等人采用三色法與灰色關(guān)聯(lián)法，對(duì)突出礦井煤層預(yù)測(cè)指標(biāo)的計(jì)算方法進(jìn)行了研究；周紅星等人采用實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)方法，對(duì)各類(lèi)煤體試驗(yàn)分析，從而對(duì)煤體指標(biāo)之間的單值對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行了研究[3-4]。

煤與瓦斯突出礦井開(kāi)采依據(jù)主要是《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》，但該規(guī)定中各類(lèi)指標(biāo)參考臨界值具有著一定普遍性，并不一定適合所有煤礦，各類(lèi)礦井受煤質(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造不同等因素影響，其指標(biāo)的敏感性及臨界值各不相同，因此有必要根據(jù)本礦特點(diǎn)摸索適合本礦的敏感指標(biāo)及臨界值。本文以東曲煤礦為背景，采用理論計(jì)算、實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)等方法對(duì)該礦井8號(hào)煤與瓦斯突出區(qū)域敏感指標(biāo)及臨界值進(jìn)行研究，為礦井后續(xù)開(kāi)采提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 礦井概況

東曲煤礦當(dāng)前開(kāi)采8號(hào)煤層，厚度平均3.62 m，傾角平均6°，為近水平煤層；煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，含夾矸0～4層，在整個(gè)礦井內(nèi)穩(wěn)定可采。

礦井共布置有8個(gè)進(jìn)風(fēng)井，5個(gè)回風(fēng)井，采用分區(qū)抽出式通風(fēng)。根據(jù)2015年中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司鑒定報(bào)告，8號(hào)煤層為突出煤層，因此必須對(duì)礦井煤與瓦斯突出預(yù)測(cè)指標(biāo)及臨界值進(jìn)行研究確定。

2 突出預(yù)測(cè)指標(biāo)分析

工作面突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)是我國(guó)防治突出體系中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，常用的預(yù)測(cè)方法包括鉆屑指標(biāo)法、R值指標(biāo)法、綜合指標(biāo)法和復(fù)合指標(biāo)法[5]，本文通過(guò)鉆屑指標(biāo)法對(duì)指標(biāo)敏感性進(jìn)行研究。

2.1 鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)

鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)是根據(jù)特定粒徑煤樣的瓦斯解吸規(guī)律判斷突出危險(xiǎn)性的一種預(yù)測(cè)指標(biāo)，k1、△h2是突出礦井中常用的兩個(gè)工作面突出預(yù)測(cè)指標(biāo)。鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)k1值是指煤樣自暴露于自由大氣空間中解吸第一分鐘內(nèi)單位質(zhì)量(每克)煤樣的瓦斯解吸總量，反映煤樣初始時(shí)瓦斯解吸速度的快慢；鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)△h2是指10 g煤樣自暴露于自由空間中第四分鐘和第五分鐘的瓦斯解吸量[5]。從鉆屑解吸指標(biāo)△h2和k1值的物理意義及測(cè)定原理可以看出，本質(zhì)上它們屬于同一類(lèi)指標(biāo)，兩指標(biāo)都是一段時(shí)間內(nèi)的累計(jì)解吸量，但△h2是實(shí)際測(cè)量的解吸量大小，k1值是按照解吸規(guī)律依據(jù)巴雷爾式推算出來(lái)的。根據(jù)巴雷爾公式，兩者之間的聯(lián)系可表示為：

(1)

由公式(1)可知，兩指標(biāo)之間存在著正比例關(guān)系，比例常數(shù)n是由煤質(zhì)特性和瓦斯解吸性質(zhì)決定的。

表1為8號(hào)煤實(shí)驗(yàn)室測(cè)定得到的參數(shù)表。由于k1值指標(biāo)與吸附平衡壓力P之間存在k1=APB的冪函數(shù)關(guān)系，對(duì)上述測(cè)定結(jié)果進(jìn)行冪函數(shù)擬合，可得結(jié)果如圖1所示，擬合曲線方程為：k1=0.354P0.117，相關(guān)性系數(shù)R2為0.995；△h2=194.71P0.281，相關(guān)性系數(shù)R2為0.98.對(duì)兩指標(biāo)關(guān)系曲線進(jìn)行擬合，結(jié)果如圖2所示，從圖中可以看出，兩指標(biāo)值與平衡壓力之間存在著密切的正相關(guān)關(guān)系，其上升趨勢(shì)基本一致；對(duì)兩指標(biāo)進(jìn)行擬合后發(fā)現(xiàn)，其具有著較好的線性關(guān)系。

圖1 △h2、k1與平衡壓力擬合曲線圖

圖2 △h2、k1擬合曲線圖

2.2 鉆屑量指標(biāo)

鉆屑量指標(biāo)S是指以每米鉆孔鉆進(jìn)過(guò)程中排出的鉆屑重量作為衡量煤層突出危險(xiǎn)性的大小，該指標(biāo)測(cè)定方法比較簡(jiǎn)單，在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中很容易實(shí)現(xiàn)[6]。

根據(jù)《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》，采用直徑42 mm的鉆孔鉆屑量為6 kg/m或5.4 L/m作為礦井煤層瓦斯突出預(yù)測(cè)的臨界值[6]。由于鉆屑量指標(biāo)測(cè)定方法比較簡(jiǎn)單，容易受客觀存在的地質(zhì)、應(yīng)力和瓦斯、鉆進(jìn)速度、鉆桿彎曲程度及鉆桿連接形式、打鉆及鉆屑量測(cè)定人員的技術(shù)水平等因素影響，因此鉆屑量S準(zhǔn)確性較差，通常作為參考指標(biāo)。

3 預(yù)測(cè)指標(biāo)敏感性分析及臨界值研究

3.1 突出預(yù)測(cè)指標(biāo)敏感性分析

為驗(yàn)證8號(hào)煤層瓦斯突出指標(biāo)敏感性，在8號(hào)煤層18414專(zhuān)用回風(fēng)巷掘進(jìn)過(guò)程中選取數(shù)據(jù)對(duì)鉆屑解吸指標(biāo)k1、△h2及鉆屑量指標(biāo)S的敏感性進(jìn)行論證，跟蹤數(shù)據(jù)如表2所示。

采用最小方差法對(duì)各敏感指標(biāo)敏感性進(jìn)行分析，方差計(jì)算公式為[6]：

式中:sj為第j個(gè)預(yù)測(cè)指標(biāo)的評(píng)價(jià)值的樣本均方差；xj為第j個(gè)預(yù)測(cè)指標(biāo)的評(píng)價(jià)值的平均值[6]。

表2 k1、△h2和S的跟蹤數(shù)據(jù)

對(duì)于k0(1≤k0≤n)，令:

Sk0=min{sj}

(1≤j≤n)

當(dāng)Sk0值越大則對(duì)應(yīng)指標(biāo)敏感性越強(qiáng)，反之則為不敏感。

根據(jù)表中數(shù)據(jù)，對(duì)上述三個(gè)指標(biāo)方差進(jìn)行計(jì)算，則k1、△h2、S對(duì)應(yīng)計(jì)算結(jié)果分別為0.55、0.54、0.18，表明上述指標(biāo)中，△h2最敏感，k1次之，S最不敏感。

3.2 突出預(yù)測(cè)指標(biāo)臨界值確定

東曲煤礦目前采用k1值作為突出預(yù)測(cè)指標(biāo)，并且根據(jù)上述研究，△h2與k1的敏感性相差不大，均有很好的敏感度，因此對(duì)預(yù)測(cè)指標(biāo)k1臨界值進(jìn)行計(jì)算確定。通過(guò)計(jì)算預(yù)測(cè)突出率η1、預(yù)測(cè)突出準(zhǔn)確率η2和預(yù)測(cè)不突出準(zhǔn)確率η3三個(gè)指標(biāo)，作為評(píng)價(jià)煤與瓦斯突出臨界值是否合適的重要依據(jù)，其計(jì)算公式為[7]：

式中:n為預(yù)測(cè)有突出危險(xiǎn)次數(shù)，次；N為預(yù)測(cè)總次數(shù)，次；n1為在預(yù)測(cè)有突出危險(xiǎn)次數(shù)中，真正有突出危險(xiǎn)的次數(shù)，次；n2為預(yù)測(cè)不突出次數(shù)中真正無(wú)突出危險(xiǎn)的次數(shù)，次；n3為預(yù)測(cè)不突出次數(shù)，次。

對(duì)東曲煤礦8號(hào)煤k1值的預(yù)測(cè)突出率η1、預(yù)測(cè)突出準(zhǔn)確率η2和預(yù)測(cè)不突出準(zhǔn)確率η3三個(gè)指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表3所示。該結(jié)果表明，當(dāng)k1臨界值設(shè)定為0.46時(shí)，其能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)要求。

表3 k1值臨界指標(biāo)分析

4 結(jié) 語(yǔ)

1) △h2與k1的敏感性相差不大，均可作為預(yù)測(cè)的敏感指標(biāo)，鉆屑量S的敏感性最差，作為參考指標(biāo)。

2) 確定8號(hào)煤以k1值作為瓦斯突出預(yù)測(cè)指標(biāo)，臨界值為0.46 mL/(g·min0.5)，用以判斷東曲煤礦煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性。