突出預測敏感指標及臨界值的確定

韓寶喜

（河南能源焦煤公司古漢山礦，河南 焦作454000）

1. 礦井概況

九礦井田面積為 5.4km2，地面標高+114～+120m，煤層標高在-465～-562m左右，煤層埋深約 579～682m。礦井于1959年簡易投產，設計生產能力0.21Mt/a，目前實際生產能力0.90Mt/a。礦井采用豎井-斜井聯合多水平綜合開拓布置，目前已開采至二水平，礦井通風方式為多進風井、多回風井混合抽出式通風。礦井開拓方式為立-斜井多水平混合開拓方式。礦井開采方法采用走向長壁后退式全部垮落采煤法，回采工藝為綜采。根據2007年度礦井瓦斯等級鑒定報告，九礦礦井瓦斯相對涌出量 12.55m3/t，瓦斯絕對涌出量 7.26m3/min；依據撫順煤科院對九礦礦井煤層做出的鑒定結果，可以判定己16-17煤層為煤與瓦斯突出煤層。依照國家法律規(guī)定，為了保障礦井能夠安全生產，在開采前期需要對其突出危險性預測。

2. 煤與瓦斯突出預測敏感指標及其統(tǒng)計分布規(guī)律

工作面瓦斯突出預測敏感指標是指對煤層進行工作面突出危險性預測時，在突出危險和非突出危險工作面實測的指標值無交叉或交叉較少。由于技術因素限制，當前采用的用來預測煤層突出的指標存在一定的限制性，一般情況下煤層突出發(fā)生的概率會與這些指標值存在正相關的關系，但是在礦井實際開采時，并不能夠確定一個十分理想的臨界值用于預測分析。通過在煤礦生產活動的總結和對數據進行對比分析，可以判斷出預測指標存在一個相對合理的范圍，再綜合考慮生產中實際應用的方便性，一般在這個范圍內確定一個相對合理的臨界點，把該合理的分界點當作敏感指標的臨界值來用于預測煤層的突出危險性。

根據九礦生產實際情況，在己16-17-22022機巷及己二皮帶下延跟蹤測定瓦斯涌出初速度q、鉆屑量S。現場測定己16-17-22022機巷及己二皮帶下延147組日常預測指標值，其日常預測指標q值和鉆屑量指標S的分布規(guī)律如圖 1、圖 2。

圖1 瓦斯涌出初速度q分布規(guī)律

圖2 鉆屑量指標S值分布規(guī)律

通過圖1統(tǒng)計得出：在0≤x﹤1L/min的范圍內，其所占的比例最高，占到35%；大于5L/min的實測數據比例為2%。通過圖2統(tǒng)計得出：在3≤x﹤3.5kg/m的范圍內，其所占的比例最高，占到31%；6kg/m﹤x的比例為4%。

3. 預測指標值的確定

3.1 突出預測指標敏感性定性分析

在生產活動中，當前可以預測瓦斯突出包括瓦斯涌出初速度q和包括鉆屑量指標S等指標，瓦斯涌出初速度q值與煤層瓦斯壓力、含量以及應力情況有關，綜合反映了煤層的特性指標，而鉆屑量指標S受煤體強度及其所受地應力的大小控制，該指標對地應力的大小變化敏感。

根據以往的研究結果表明，地應力的變化可以通過鉆屑量指標S來反映；該項指標可以反映在瓦斯突出的過程中瓦斯和煤體的物理特性；鉆孔瓦斯涌出初速度q是一個體現了三個影響瓦斯突出因素的綜合指標。結合九礦礦井實際情況進行總結，對比各項指標的特性，本次研究采用鉆屑量指標S和鉆孔瓦斯涌出初速度q作為突出預測指標來進行研究分析。

對己16-17-22022機巷及己二皮帶下延對己16-17煤層的多個已經測試完畢的循環(huán)進行分析，共計找到了16處存在突出危險的循環(huán)，并對存在突出危險循環(huán)中獲取的的q值與S值進行分析，做出有突出危險循環(huán)的預測指標值變化情況，如表1。

表1 有突出危險的循環(huán)預測指標測值變化

根據表中兩項指標的數據變化值可以反映出，已知的16次實際確定有突出危險的循環(huán)中，鉆孔瓦斯涌出初速度q只有三次低于計算出的平均值q-；而鉆屑量指標S低于平均值S-的次數達到了12次，比例值為25.00%；據此統(tǒng)計算出的比例值可以判斷，鉆屑量指標S與突出危險性變化一致性要差于鉆孔瓦斯涌出初速度q。

從預測指標預測數據隨工作面突出危險性相對變化幅度進行分析，在確定有突出危險的循環(huán)，鉆孔q值最大為平均值q-的1.24倍，最小為1.00倍，平均為1.08倍；S值最大為平均值S-的1.31倍，最低值是平均值 S-為0.91倍，平均是平均值 S-的1.06倍。通過計算后對比得出，鉆屑量指標S隨工作面突出危險性相對變化幅度小于于鉆孔瓦斯涌出初速度q。

根據以上情況綜合分析，可以得出：九礦己16-17煤層鉆孔瓦斯涌出初速度q最敏感，鉆屑量指標S次之。

3.2 突出預測指標敏感性定量分析

目前研究突出預測指標的敏感性一般采用 “三率”法，依據統(tǒng)計出來的預測總次數和預測有突出危險的次數，計算預測突出率、預測突出準確率以及預測不突出準確率，并且依據“三率”分析預測指標的敏感程度。其中“三率”法的計算公式：

?

預測突出率η1指的是在預測過程中判斷有突出危險性的區(qū)域占進行突出危險性預測的總區(qū)域的比例，一般情況在追求預測結果準確的情況下，力求比值降低，由于受到當前的工程技術條件制約，對煤層預測的準確性并不能得到保證，根據以往總結的經驗判斷該值一般低于30%。

?

該項數據η2是體現出來在預測過程中的精準性，及在預測突出區(qū)域中實際發(fā)生突出的概率，理論上數值愈大愈好。但是現階段受到對瓦斯突出預測理論和技術制約，預測準確值并不高，所以的數值大于40%就可以在實際生產中進行應用。

?

采用“三率”方法時對于預測不突出準確率要求最高，滿足 η3達到100%，這就要求預測不突出的區(qū)域必須沒發(fā)生突出，保障安全。

依據 “三率”方法來判斷預測指標的敏感程度，要按照以下步驟來進行。

首先對預測指標進行跟蹤考察，計算得出當預測指標臨界值取不同的數值時，“三率”值的大小。

分析“三率”隨預測指標值變化情況，判斷在數值上是否存在同時滿足上述 “三率”要求的臨界值取值范圍。

其中：XL——滿足預測突出率η1、預測突出準確率η2和預測不突出準確率η3的取值要求。

XL集合的取值范圍大小代表了該項預測指標的敏感程度大小，預測指標的敏感程度隨著滿足上述要求的取值范圍變大而增強，反之則敏感性降低。如果不存在滿足條件的XL集合，及不存在一個滿足條件的指標臨界值，說明預測指標不明顯，不能進行預測。

根據 “三率”變化規(guī)律得到各指標的預測突出率η1、預測突出準確率η2和預測不突出準確率 η3分別滿足要求時，指標臨界值的取值范圍 X1、X2、X3。根據式（7）求得同時滿足“三率”要求的指標臨界值取值范圍（如表 2）。

表2 滿足“三率”要求的指標臨界值取值范圍

依據式（1）～式（2）計算分析預測指標，計算出預測指標臨界取不同數據時對應的“三率”大小，并繪制于圖 3～圖 4中。

圖3 指標q臨界值取值變化時“三率”變化圖

圖4 指標S臨界值取值變化時“三率”變化圖

由圖3、圖 4和表 2可以發(fā)現，鉆孔瓦斯涌出初速度指標q，當臨界值為4.5時，“三率”能夠同時滿足要求，因此鉆孔瓦斯涌出初速度指標q可作為九礦的突出預測敏感指標。對于鉆屑指標S，不能夠同時滿足“三率”要求的臨界值范圍，屬于不敏感指標。

3.3 突出預測敏感指標確定

首先，對所獲得的數據進行定性分析。目前，隨著九礦開采向深部延伸，隨著采深的增加煤層地應力逐漸增加，鉆屑指標S在分析瓦斯突出時體現出了地應力因素對瓦斯突出的影響，故鉆屑指標S也存在敏感性；鉆孔瓦斯涌出初速度q是一個綜合指標，既反映了瓦斯和煤的物理性質，亦反映礦井地應力大小，敏感性較好。根據表1可以知道鉆屑量指標S隨工作面突出危險性相對變化幅度小于鉆孔瓦斯涌出初速度q，又根據圖3和圖4分析鉆屑量指標S變化幅度大于鉆孔瓦斯涌出初速度q，明顯鉆孔瓦斯初速度q敏感。

其次，從定量角度對數據進行分析，對圖3和圖4進行對比，由圖可知，圖3中鉆孔瓦斯涌出初速度q值存在一個范圍滿足根據“三率”要求，在圖4中，不存在滿足“三率”要求的鉆屑量指標S值的范圍。據此可以判斷，鉆孔瓦斯涌出初速度q敏感強于鉆屑量指標S。

因此，在對九礦己16-17煤層采掘工作面突出危險性預測的時候，考慮到鉆孔瓦斯涌出初速度q敏感強于鉆屑量指標S，應該用鉆孔瓦斯涌出初速度q來作為敏感指標進行預測，鉆屑量指標S可以作為輔助敏感指標來進行突出預測。

4. 瓦斯突出預測敏感指標臨界值確定

對于九礦己16-17煤層采掘工組面瓦斯突出預測敏感指標的確定，依據之前分析所獲得的結論，確定q（鉆孔瓦斯涌出初速度）為瓦斯突出預測的敏感指標，同時將S（鉆屑量）作為較敏感指標，在對煤層瓦斯突出危險進行預測時配合使用。對于鉆孔瓦斯涌出初速度q，在取值范圍在3.5～5.0L/min區(qū)間時，臨界值取不同值時的“三率”結果，見表 3。

表3 鉆孔瓦斯涌出初速度q臨界值取不同值時“三率”分析結果

由表3可知，當鉆孔瓦斯涌出初速度q臨界值取值由3.5L/min時，為52.49%，預測突出準確率是 15.92%，當鉆孔瓦斯涌出初速度q的取值增大到4.5L/min時，預測突出率下降到了17.20%,同時預測突出準確率增加到51.26%；而當臨界值取值由4.5L/min增大到5.0L/min時，預測突出率由17.20%下降到了15.86%,預測突出準確率由50%增加到50.79%。同時鉆孔瓦斯涌出初速度q的的臨界值取值在4.5～5.0L/min之間變化時，該變化對預測突出率和預測突出準確率的影響不大，但預測不突出準確率卻隨之下降了11.96%。所以，結合“三率”數值曲線的變化和安全性要求，可以確定鉆孔瓦斯涌出初速度q取值為4.5L/min為臨界值。

對于鉆屑量S，沒有能同時滿足“三率”要求的臨界值取值范圍。鉆屑量S取不同值時，

計算其“三率”結果如表4所示。

表4 鉆屑量指標S臨界值取不同值時“三率”分析結果

由表 4數據可知，當鉆屑量 S值在 4.0～5.5kg/m之間變化時，其預測不突出準確率都不能達到100%，不符合要求，當鉆屑量S的臨界值取值小于5.0kg/m時，預測突出準確率不能滿足“不低于40%”的要求；當鉆屑量S等于5.5kg/m時，預測突出準確率能滿足“不低于40%”的要求,此時突出率為8.46%，與國內外統(tǒng)計得出的突出煤層有危險面積占開采面積10%左右一致，基于以上考慮，結合安全需要，取S=5.5kg/m作為鉆屑量S值的臨界值。

5. 結論

（1）瓦斯涌出初速度 q為九礦己16-17煤層的突出預測敏感指標，其臨界值定為4.5L/min；該指標適用于回采工作面、掘進工作面和石門揭煤工作面的突出預測和效果檢驗。

（2）為防止由于集中應力造成的局部異常壓出現象，保證預測結果的可靠性和準確性，在進行預測時輔以測定鉆屑量指標S，其臨界值為5.5kg/m。

（3）當本礦的采掘活動延深到突出危險區(qū)以下時，采用指標進行預測時應進行進一步驗證。當在突出危險區(qū)進行工作面預測時，當預測指標q小于4.5L/min而工作面出現瓦斯動力現象時，應適當降低其臨界值。

[1]俞啟相.礦井瓦斯防治[M].徐州:中國礦業(yè)大學出版社，1992.

[2]張鐵崗.礦井瓦斯綜合治理技術[M].北京:煤炭工業(yè)出版社，2001.

[3]煤炭工業(yè)部.防治煤與瓦斯突出細則[M].北京:煤炭工業(yè)出版社，1995.