上社煤礦突出預(yù)測(cè)敏感指標(biāo)及其臨界值確定

劉 興

(陽(yáng)泉市上社煤炭有限責(zé)任公司,山西 陽(yáng)泉 045200)

煤與瓦斯突出因其機(jī)理的復(fù)雜性,到目前為止關(guān)于其機(jī)理的研究仍沒有取得實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展[1-2],然而科研工作者及煤礦從業(yè)人員對(duì)如何防治煤與瓦斯突出的研究卻沒有停止過。通過分析大量的突出事故案例,找到了突出事故發(fā)生的一般規(guī)律及突出預(yù)兆,提出了鉆屑指標(biāo)法、復(fù)合指標(biāo)法、R值指標(biāo)法、溫差指標(biāo)法等方法[3]進(jìn)行突出危險(xiǎn)預(yù)測(cè)。

突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)受礦井煤層賦存條件、地質(zhì)因素等影響,各個(gè)指標(biāo)都有其各自的適用性,然而,很多礦井一般采用防突規(guī)定推薦的臨界值,不僅缺乏針對(duì)性,且難以保證預(yù)測(cè)結(jié)果的可靠性。因此,為提高不同礦井突出危險(xiǎn)預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性,找出適合礦井的突出預(yù)測(cè)指標(biāo)及臨界值,對(duì)礦井實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)具有重要意義[4]。

1 礦井概況

上社煤礦為煤與瓦斯突出礦井,主要開采9#、15#煤層;礦井核定生產(chǎn)能力為 240萬噸/年,允許生產(chǎn)能力為150萬噸/年,采用斜井+立井開拓方式,走向長(zhǎng)壁采煤法,綜合機(jī)械化采一次采全高,跨落式頂板管理;掘進(jìn)工作面采用綜掘工藝。

本次試驗(yàn)選擇在 15105 工作面風(fēng)巷,煤厚4.35～6.94m,平均5.67m,傾角為3°～5°。最大煤層瓦斯含量為12.91 m3/噸,該區(qū)域煤層賦存穩(wěn)定無大的構(gòu)造影響。

2 實(shí)施方案及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

確定突出預(yù)測(cè)敏感指標(biāo)及其臨界值工作一般劃分為3步驟,首先選取煤樣進(jìn)行瓦斯放散初速度、堅(jiān)固性系數(shù)測(cè)定,分析指標(biāo)敏感性;然后根據(jù)K1-P曲線推算出指標(biāo)臨界值的參考值,依據(jù)參考值劃定的范圍,利用“四率”法初步確定預(yù)測(cè)指標(biāo)臨界值;最后通過現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證確定臨界值。

2.1 敏感指標(biāo)臨界值理論分析

煤的瓦斯放散初速度ΔP是評(píng)價(jià)煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性的指標(biāo)之一,反映煤體瓦斯解吸釋放的快慢程度。為掌握上社礦15#解吸釋放瓦斯的快慢,在上社煤礦15#煤層回風(fēng)巷、皮帶巷、軌道巷取樣進(jìn)行放散初速度測(cè)定,試驗(yàn)確定K1-P曲線。測(cè)定結(jié)果如表1所示,K1-P曲線見圖1、圖2所示。

表1 15#放散初速度、堅(jiān)固性系數(shù)、K1-P曲線測(cè)定結(jié)果表

注:表1中A、B為待定常數(shù),A>0,0

從表1中可以看出,上社礦15#煤層堅(jiān)固性系數(shù)f在0.34～0.39之間,瓦斯放散初速度ΔP在26.2～29.4之間,顯然,15#煤層堅(jiān)固性系數(shù)較小,放散初速度大,具備發(fā)生瓦斯為主導(dǎo)的突出條件。

圖1 15#風(fēng)巷K1-P曲線圖

從圖1和圖2中的K1-P曲線變化趨勢(shì)可以看出,隨著瓦斯壓力的增大,K1值有明顯增大的趨勢(shì),證明瓦斯解吸指標(biāo)K1值具有敏感性,可作為突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)指標(biāo)。將瓦斯壓力0.74MPa代入K1=APB公式,分別得到K1值為0.56和0.55 mL/(g·min1/2),選取0.55 mL/(g·min1/2)作為K1值臨界值。

圖2 15#皮帶巷 K1-P曲線圖

由于K1值是瓦斯指標(biāo),所以仍將反映地應(yīng)力情況的鉆屑量S作為突出預(yù)測(cè)指標(biāo)。

2.2 敏感指標(biāo)現(xiàn)場(chǎng)考察

在工作面布置4個(gè)預(yù)測(cè)鉆孔進(jìn)行突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè),鉆孔長(zhǎng)度8～10m,鉆孔直徑42mm,原則上每2m測(cè)定1次K1值,每1m測(cè)定1次S值。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)過程中,跟蹤考察15105風(fēng)巷417m的距離,總計(jì)進(jìn)行54輪考察工作,施工預(yù)測(cè)鉆孔216個(gè)。共有18個(gè)預(yù)測(cè)鉆孔超標(biāo),其中S值超標(biāo)12次(最大值為8.5 kg),K1值超標(biāo)9次(最大值為0.98mL/(g·min1/2)),兩指標(biāo)同時(shí)超標(biāo)3次,預(yù)測(cè)指標(biāo)分布情況如表2所示。

表2 15105風(fēng)巷預(yù)測(cè)指標(biāo)分布情況統(tǒng)計(jì)表

從表2中可以看出,預(yù)測(cè)的鉆屑量S指標(biāo)過半數(shù)集中在3～4kg/m之間,占比58%,5～6kg/m之間的占比5.0%,而大于6kg/m的占比為0.6%;預(yù)測(cè)的K1值指標(biāo)0～0.4之間占比84.2%,0.5～0.55 之間占比2.3%,大于0.6占比0.2%。

2.3 應(yīng)用“四率”法確定預(yù)測(cè)指標(biāo)臨界值

基于預(yù)測(cè)突出危險(xiǎn)率η1(η1=n1/N,n1為預(yù)測(cè)中超過臨界值的次數(shù),N為預(yù)測(cè)總次數(shù))、預(yù)測(cè)突出準(zhǔn)確率η2(η2=n2/n1,n2為超過臨界值中真正有突出危險(xiǎn)的次數(shù))、預(yù)測(cè)不突出危險(xiǎn)率η3(η3=n3/N,n3為預(yù)測(cè)中未超過臨界值的次數(shù))、預(yù)測(cè)不突出準(zhǔn)確率η4(η4=n4/n3,n4為預(yù)測(cè)不突出危險(xiǎn)次數(shù)中實(shí)際不突出的次數(shù))的“四率”法是確定預(yù)測(cè)指標(biāo)的常用方法[5-7]。鉆孔施工過程中,出現(xiàn)吸鉆、噴孔等異常動(dòng)力現(xiàn)象時(shí)視為真正有突出危險(xiǎn),在15105回風(fēng)巷預(yù)測(cè)期間,K1值指標(biāo)9次超標(biāo)中有8次出現(xiàn)動(dòng)力現(xiàn)象,而S值中10次有動(dòng)力現(xiàn)象。統(tǒng)計(jì)出“四率”分析結(jié)果見表3。

表3 15105風(fēng)巷預(yù)測(cè)指標(biāo)四率分析結(jié)果表

按照防突規(guī)定要求,預(yù)測(cè)結(jié)果超過臨界值時(shí),必須采取防突措施并經(jīng)效果檢驗(yàn)合格后方可進(jìn)行掘進(jìn)作業(yè),所以預(yù)測(cè)突出率高就會(huì)影響礦井的正常生產(chǎn)。在能保證預(yù)測(cè)準(zhǔn)確的前提下,突出危險(xiǎn)率η1越小越好,即臨界值越大越好。同時(shí),必須考慮預(yù)測(cè)不突出準(zhǔn)確率盡可能高。

從表3中可以看出,K1值的預(yù)測(cè)突出率為0.9%,預(yù)測(cè)突出準(zhǔn)確率為88.8%,預(yù)測(cè)不突出準(zhǔn)確率為100%;S的預(yù)測(cè)突出率為0.6%,預(yù)測(cè)突出準(zhǔn)確率為83.3%,預(yù)測(cè)不突出準(zhǔn)確率為100%。K1值和S的預(yù)測(cè)突出率均較低,而預(yù)測(cè)突出準(zhǔn)確率均較高,因此,現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中所取的K1值和鉆屑量S臨界值是合理的。

3 現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證-臨界值最終確定

《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》推薦的瓦斯解吸指標(biāo)K1值的臨界值為0.5mL/(g·min1/2)。上社煤礦現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證時(shí),選擇在15105回風(fēng)巷進(jìn)行。共驗(yàn)證20個(gè)循環(huán),K1值指標(biāo)超標(biāo)4次,均伴隨著噴孔的瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象出現(xiàn)。隨后施工排放鉆孔,排放8h后,進(jìn)行效果檢驗(yàn),K1均降為0.4 mL/(g·min1/2)以下,鉆屑量S降為3kg/m,變化明顯。敏感指標(biāo)驗(yàn)證試驗(yàn)表明,K1值指標(biāo)臨界值為0.55 mL/(g·min1/2)、鉆屑量S臨界值為6kg/m能滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需要。

4 結(jié)論

通過K1-P曲線和“四率”法對(duì)突出預(yù)測(cè)敏感指標(biāo)和臨界值進(jìn)行了研究,得出了上社礦瓦斯解吸K1值和鉆屑量S指標(biāo)均具有敏感性,其臨界值分別為0.55 mL/(g·min1/2)、6kg/m,可在瓦斯放散初速度大、瓦斯解吸指標(biāo)隨瓦斯壓力變化明顯的掘進(jìn)工作面中應(yīng)用。

《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》推薦的瓦斯解吸指標(biāo)K1值的臨界值為0.5mL/(g·min1/2),而試驗(yàn)研究得出瓦斯解吸指標(biāo)K1值的臨界值為0.55 mL/(g·min1/2),可減少預(yù)測(cè)值在0.5～0.55mL/(g·min1/2)之間評(píng)判為突出危險(xiǎn)工作面需要的防突工程量,進(jìn)而解放了生產(chǎn)力,可見進(jìn)行敏感指標(biāo)試驗(yàn)研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。