義安礦掘進工作面煤與瓦斯突出預測指標研究

周 霏，凡海東，李永剛，黃山耀

(1.河南理工大學安全科學與工程學院，河南 焦作 454000;2.義煤集團鞏義鐵生溝煤業(yè)有限公司，河南 鞏義 451200)

眾所周知，在我國煤與瓦斯突出是在井下煤炭采掘過程中發(fā)生的一種機理極為復雜的瓦斯動力現(xiàn)象，也是近幾年嚴重威脅煤礦安全生產(chǎn)的自然災害之一。改革開放以來，隨著我國用煤需求大增，煤礦開采深度加大，礦井瓦斯問題，特別是煤與瓦斯突出問題日益嚴重。盡管我國逐漸形成了“四位一體”的防突體系，但是從煤與瓦斯突出的預測觀點來講，其預測技術(shù)與方法成為了研究分析突出的首要環(huán)節(jié)和重點。

在我國2009年出版的《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》［1］中第六條規(guī)定:“防突工作要堅持區(qū)域防突措施先行、局部防突措施補充的原則。并且突出礦井的采掘工作一定要做到不掘突出頭、不采突出面。對未按要求采取區(qū)域綜合防突措施的，嚴禁進行采掘活動。”顯而易見，對突出礦井來說，準確預測煤與瓦斯突出，不但能減少防突措施的費用，而且還能使措施的有效性更加可靠和科學。

我們知道在煤與瓦斯突出的局部突出預測中，其中對工作面進行預測最為常用。預測就是根據(jù)在工作面進行采掘作業(yè)前采取一些方法和手段，能預先測定采掘工作面周圍有無突出危險性。但工作面預測主要是根據(jù)工作面附近的地應力、瓦斯賦存狀態(tài)以及煤的物理力學性質(zhì)等因素來確定工作面前方的突出危險性。這就要求得到反映其突出危險性的預測指標，并且這些突出預測指標必須能反映地應力、瓦斯因素以及煤層破壞程度等。

1 突出預測敏感指標的研究

眾所周知，敏感指標就是指對采掘的煤層進行突出危險性預測時，能夠區(qū)分出煤層突出危險程度的指標，并且突出危險程度的大小主要體現(xiàn)在其預測指標數(shù)值大小及其變化規(guī)律。從數(shù)學語言上來說，就是在煤層的突出危險區(qū)和非突出危險區(qū)內(nèi)，測定的預測指標在數(shù)值上應該有明顯的區(qū)別，如果能夠定量的區(qū)分開所預測區(qū)域突出危險性的大小，那么該指標就為敏感指標，反之則為不敏感指標。

當然，敏感指標的確定和研究在我國已進行了廣泛的討論。在“七五”期間提出的“三率法”，在“八五”期間提出的“適用條件—初步確定臨界值—現(xiàn)場驗證”的突出預測的理論體系，突出預測效果作用也很大。

近些年來，我國國內(nèi)對敏感指標的確定和研究也運用各種各樣的方法來確定煤層突出預測指標的敏感性，進而確定不同煤層、不同礦井、不同礦區(qū)的敏感指標，例如孫東玲教授［2］運用數(shù)理統(tǒng)計知識理論提出的“噴孔率”，以此來反映煤層突出危險性程度，進一步選擇最后確定敏感指標;熊亞選博士［3］提出的灰色系統(tǒng)的理論，確定了突出指標的灰色關(guān)聯(lián)分析方法;學者羅勇［4］更是利用人們想象不到的模糊聚類數(shù)學分析方法，建立敏感指標的數(shù)學模型，同樣在淮南潘集礦區(qū)的3個礦井進行了成功的應用，效果很好。

目前，我國在工作面突出預測中經(jīng)常使用的預測指標有鉆屑量S，鉆屑瓦斯解吸指標Δh2以及鉆孔瓦斯涌出初速度q，這些指標在突出預測中起到非常大的作用。

鉆屑量指標S是以反映地應力為主導作用的煤與瓦斯突出最為常用的預測指標。研究表明，它主要反映煤層的地應力和煤體強度，但也與瓦斯含量、壓力有一定的相關(guān)性，因此，可作為一個反映突出危險性的綜合指標。

鉆屑瓦斯解吸指標Δh2是由煤炭科學研究總院撫順分院提出，該指標在我國很早就進行了應用，分別寫入了《防治煤與瓦斯突出細則》和《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》，它表明煤體的瓦斯含量越高，煤體的破壞程度越大，解吸指標Δh2值也越大，反之亦然。

《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》規(guī)定當采用復合指標法來預測煤巷掘進工作面突出危險性時，復合指標法的主要測試參數(shù)就是鉆孔瓦斯涌出初速度q。研究表明:此指標也幾乎全面地反映了決定煤層突出危險性的全部因素，例如煤層的應力狀態(tài)、瓦斯含量、透氣性以及煤的力學性質(zhì)的變化等，故q值反映了煤與瓦斯突出的危險程度。

2 礦井概況

義煤集團義安煤礦位于新安煤田的中部，北東方向的以第31勘探線為界限，北西方向以新安縣石寺洞子崖、正村石泉、二道橋以及新安等煤礦的深部邊界為界;南東以二1煤底板等高線為界;南西方向則以19號勘探線為界;整個礦井的井田走向長為6.3 km，傾向長 5.5 km，面積約 28.744 km2，該礦的年設計生產(chǎn)能力是120萬t。

義安礦采用立井開拓方式:一對立井兩水平上下山開拓，其中第一水平平均標高為－318 m，二水平平均標高為－500 m。通風采用抽出式的中央并列式通風系統(tǒng)，在井田深部布置南風井，主、副井進風，形成中央分列式的通風系統(tǒng)。該礦處于新安熔巖水系統(tǒng)中心的深部滯留地帶，水文質(zhì)類型為簡單類型。

自從2005年12月第一次發(fā)生突出以來，義安礦成為煤與瓦斯突出礦井，目前已發(fā)生煤與瓦斯突出3次。其中二1煤2次，二2煤1次，并且突出地點全部都發(fā)生在煤巷掘進工作面。鑒于此，該礦對煤巷掘進工作面采用目前常用的鉆屑量指標S，鉆屑瓦斯解吸指標Δh2以及鉆孔瓦斯涌出初速度指標q來預測掘進工作面的突出危險性。

試驗過程中，根據(jù)義安礦的煤與瓦斯突出實際情況，重點統(tǒng)計測定分析了該礦容易發(fā)生突出的二1煤層的12071機巷以及風巷、12081聯(lián)絡巷及風巷、11061風巷以及機巷、22011機巷、12011機巷以及風巷等將近9個掘進工作面的預測(效檢)指標q、S、Δh2值的情況，進行下一步的研究分析。

3 突出預測敏感指標方法

突出預測敏感方法從數(shù)學語言上描述為:對某一采掘工作面進行煤與瓦斯突出危險性預測時，能夠明顯地區(qū)分出突出危險區(qū)域和非突出危險區(qū)域的指標，并且該指標數(shù)值在突出與非突出區(qū)域應該沒有交叉或者交叉很小。

本文在前人研究的基礎上，提出了突出危險度、預測指標的標準差分析以及模糊優(yōu)先關(guān)系排序決策相結(jié)合的方法，來綜合判斷預測指標的敏感性。

1)突出危險度。

突出危險度是指突出預測指標X的實測值與其的臨界值的比值，即稱為該指標的突出危險度，用D(X)表示，可表示為:

式中:

D(X)—X的突出危險度;

Xmax—X的實測最大值;

XL—X的臨界值(目前)。

突出危險度具有下列意義:

a)他們是無量綱的，并且恒為非負數(shù)。b)數(shù)值表示預測工作面地點的突出危險程度。在區(qū)間［0，1)時，無突出危險性;當?shù)扔?時，處于突出危險的臨界值，但應按突出危險區(qū)管理;當大于1時，處于突出危險區(qū)。

2)標準差。

標準差亦稱為標準偏差，它是對一組數(shù)據(jù)平均值分散程度的一種度量。其數(shù)學公式為:

式中:

Ximax—每一次預測循環(huán)中的最大值;

X—平均值。

3)模糊優(yōu)先關(guān)系的排序決策。

眾所周知，決策是人們在生活和工作中的一種有意義活動，是為了解決目前或未知事物來選擇最佳方案的過程。而這里研究的模糊決策，就是把所研究論域中的對象按優(yōu)劣順序進行排序。

假定論域 U={x1，x2，…，xn}為 n個備選方案(這里也稱為對象)，在論域U上確定一個模糊數(shù)學集合A，運用模糊數(shù)學的方法在于首先從n個備選方案中選擇一種優(yōu)先關(guān)系，然后進行排序，這就是本論文中的模糊優(yōu)先關(guān)系排序決策。

然而，對任意論域中的對象xi與xj，當xi與xj相比較時xi對于A比xj對于A優(yōu)越時，用rij表示，簡稱xi對xj的優(yōu)先選擇比，同時要求優(yōu)先選擇比rij滿足:

上述表明:當xi與xi沒有優(yōu)越時，記rii=0;但如果xi與xj總是各有所長，那么就把兩者的優(yōu)越成分合在一起為1，即rij+rji=1;但當xj比xi有優(yōu)越而未發(fā)覺xi比xj有任何優(yōu)越時，則記rji，rij=0;如果xi與xj相比時，分不出優(yōu)劣時，記rij=rji=0.5。

這里稱滿足(3)式的元素rij所組成的矩陣R，即:

為模糊優(yōu)先矩陣，其所確定的關(guān)系就稱為模糊優(yōu)先關(guān)系。

取閾值λ∈［0，1］，得到λ－截矩陣:

其中:

在分析過程中可以發(fā)現(xiàn)，當λ由1逐步下降時，如果第一次出現(xiàn)Rλ，那么除對角線元素外它的第i1行元素全部等于1，這里就認為xi1是第一優(yōu)越對象(不具有唯一性);同時在R中去掉xi1所在的行與列的全部元素，得出n－1階的模糊矩陣，以此進行類推，運用該方法所得到的最優(yōu)對象稱之為第二優(yōu)越對象;逐步發(fā)展下去，便可將全體研究對象列出，并且是按一定的優(yōu)劣次序排列出來的［5］。

4 敏感指標確定

根據(jù)上述介紹的方法，假定論域U是由在義安礦所采用的三個預測指標q，Δh2，S所組成，即U={S，q，Δh2}，A=“煤與瓦斯突出預測指標”為論域 U上的模糊集，那么對預測指標S，q和Δh2來說，取在該礦跟蹤986次循環(huán)中測定值，為了消除量綱的影響，進行量綱處理，最后進行模糊優(yōu)先關(guān)系的排序決策，并進行兩兩比較，從而給出評分。

根據(jù)實驗和計算，結(jié)果見表1。

表1 突出預測敏感指標分析表

依據(jù)表1所示，根據(jù)給出的優(yōu)先選擇比rij，同時要滿足的條件:rii+rji=1，取rii=1，得到評分結(jié)果，見表2。

表2 突出預測指標二元比較評分結(jié)果表

模糊優(yōu)先關(guān)系矩陣R(1)為:

如果λ=0.86，那么得到的λ－截矩陣則為:

由式(8)可以看出，λ－截矩陣 R0.86(1)的第一行元素全為1，這表明只有q的優(yōu)越性超過了0.86，因此，q成為了第一優(yōu)越對象，即q為第一預測敏感指標。

去掉 R(1)中 q所在的行與列，得到新的矩陣R(2):

當 λ =0.63，得:

可得到λ－截矩陣R0.63(2)的第一行元素全為1，最終得到:Δh2為第二預測敏感指標。

根據(jù)上面的分析，該礦預測指標的敏感性排序順序為:q＞Δh2＞S。故鉆孔瓦斯涌出初速度q最為明顯，Δh2次之，鉆屑量指標S最不明顯。根據(jù)得到的結(jié)果，在工作面防突措施中，節(jié)省了成本和時間，科學地有根據(jù)地指導了掘進面的掘進工作及該礦的防突運行，效果明顯。

5 結(jié)論

1)運用數(shù)學建模思想，利用標準差化和結(jié)合模糊優(yōu)先關(guān)系排序決策對義安礦突出預測指標進行了分析，敏感性排序為q＞Δh2＞S。

2)從義安礦突出預測指標實測情況可知:預測指標q和Δh2的經(jīng)常超標，而S值變化不大，且不超標。

3)在義安礦預測指標q最能反映其二1煤層掘進工作面的煤與瓦斯突出的危險性，Δh2次之，S最不敏感。

［1］國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局，國家煤礦安全監(jiān)察局.防治煤與瓦斯突出規(guī)定［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2009:5.

［2］孫東玲.突出敏感指標及臨界值確定方法的探討與嘗試［J］.煤炭工程師，1996(4):3－7.

［3］熊亞選.工作面煤與瓦斯突出預測敏感指標確定方法研究［D］.焦作:河南理工大學，2005:46－52.

［4］羅 勇.煤與瓦斯突出預測敏感指標確定方法研究［J］.煤炭技術(shù)，2008，27(12):74－75.

［5］謝季堅，劉承平.模糊數(shù)學方法［M］.武漢:華中科技大學出版社，2000:172－173.