屯蘭礦2#、4#煤層區(qū)域預(yù)測突出敏感性指標(biāo)研究

張建軍，郭化博

(1.西山煤電集團(tuán)公司， 山西 太原 030024； 2.太原理工大學(xué)， 山西 太原 030024)

煤與瓦斯突出是威脅煤礦尤其是開采深度較大礦井安全的重要災(zāi)害之一。近年來隨著礦井開采深度加大，我國成為煤與瓦斯突出事故多發(fā)國家。瓦斯突出敏感性指標(biāo)是判定煤與瓦斯突出的重要判據(jù)，它是指既能保證礦井生產(chǎn)安全，又能在最小區(qū)域內(nèi)實(shí)施防突技術(shù)措施，預(yù)測突出危險(xiǎn)的指標(biāo)[1]. 只有對煤與瓦斯突出進(jìn)行精準(zhǔn)預(yù)測，才能有利于解決煤礦安全生產(chǎn)問題，從而提高采掘進(jìn)度，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。近年來，國內(nèi)外眾多學(xué)者對煤與瓦斯突出預(yù)測進(jìn)行了相關(guān)研究。石顯鑫等[2]利用聲發(fā)射技術(shù)，開發(fā)多道聲發(fā)射實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)及有關(guān)的軟件系統(tǒng)來對煤與瓦斯突出進(jìn)行預(yù)測；王恩元等[3]論證了用電磁輻射法預(yù)測預(yù)報(bào)煤與瓦斯突出的可行性；Zhang G等[4]通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來對煤與瓦斯突出進(jìn)行預(yù)測；郭德勇等[5]運(yùn)用層次分析-模糊綜合評判法建立了煤與瓦斯突出預(yù)測模型；付華等[6]提出多層去噪自編碼器(Multi-layer DAE)搭載最小二乘支持向量機(jī)(LSSVM)的瓦斯突出預(yù)測模型。上述成果目的均在于對煤與瓦斯突出進(jìn)行預(yù)測，并盡可能的提高預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性。

為了確定適合屯蘭礦的區(qū)域預(yù)測突出敏感性指標(biāo)及其臨界值，本文對屯蘭礦2#、4#煤層進(jìn)行突出模擬實(shí)驗(yàn)，預(yù)測并判定其區(qū)域突出敏感指標(biāo)臨界值，并判斷區(qū)域突出敏感指標(biāo)敏感順序，對防治煤與瓦斯突出工作，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

1 礦井概況

屯蘭礦是山西焦煤西山煤電集團(tuán)公司下屬礦井，位于太原地區(qū)古交市西南。井田內(nèi)全區(qū)可采、大部分可采或局部可采煤層共8層。其中2#煤層煤厚為1.47～5.22 m,平均3.28 m，煤層結(jié)構(gòu)較簡單，為全井田可采的穩(wěn)定煤層；4#煤層煤厚為0～3.54 m，平均1.26 m，為大部分可采的不穩(wěn)定煤層。2#煤層頂板以砂質(zhì)泥巖和泥巖為主，次為細(xì)粒砂巖和炭質(zhì)泥巖，底板以炭質(zhì)泥巖為主，次為砂質(zhì)泥巖。有肥煤、焦煤、瘦煤3種，其中以焦煤為主，瘦煤次之，肥煤最少。4#煤層頂板以泥巖、炭質(zhì)泥巖為主，其次為細(xì)粒砂巖，底板以砂質(zhì)泥巖為主。有肥煤、焦煤、瘦煤3種，以焦煤為主，占70%. 2012年，被鑒定為煤與瓦斯突出礦井。2017年，礦井絕對瓦斯涌出量為277.74 m3/min，相對瓦斯涌出量為31.76 m3/t.

2 研究方法

2.1 技術(shù)原理

區(qū)域突出敏感預(yù)測指標(biāo)主要是瓦斯壓力P與瓦斯含量W，本次區(qū)域突出敏感預(yù)測指標(biāo)敏感性研究通過突出模擬實(shí)驗(yàn)獲得。其主要技術(shù)原理：先采集煤層的典型煤樣(2#、4#煤層煤樣)，進(jìn)行突出粉碎，在突出模擬裝置中壓制成型，抽真空后充入瓦斯氣體，吸附平衡后打開蓋子，觀察有無突出，并進(jìn)行采樣測試瓦斯含量。按照突出是否發(fā)生，結(jié)合瓦斯壓力和含量確定出臨界值。

2.2 突出模擬實(shí)驗(yàn)

1) 煤樣制備。

原煤從煤礦取出并運(yùn)至實(shí)驗(yàn)室后，進(jìn)行破碎、篩分，篩下2 mm以下的煤樣，加入適量的水并充分?jǐn)嚢杈鶆?。為排除水分對煤樣的影響，每次壓制煤樣的水分?yīng)該保持一致。

2) 煤層壓制。

煤層壓制系統(tǒng)見圖1. 壓制的過程分為5次，每次壓制的煤層厚度控制在45 mm左右，成型壓力加載至預(yù)設(shè)值后應(yīng)保持30 min. 壓制過程中，壓力機(jī)的實(shí)際試驗(yàn)力控制在預(yù)設(shè)值±20 kN范圍內(nèi)。圍巖壓力是按照煤層的埋深計(jì)算獲得，屯蘭礦的埋深約700 m，計(jì)算其應(yīng)力約為18.2 MPa. 煤層壓制相關(guān)系數(shù)見表1.

圖1 煤層壓制系統(tǒng)示意圖

表1 煤層壓制相關(guān)參數(shù)表

3) 抽真空。

煤層壓制后，為縮短煤層抽真空的時(shí)間，先用鉆頭對兩個(gè)充氣孔及壓力監(jiān)測孔鉆進(jìn)煤層深度約200 mm，再對煤層抽真空12 h以上。

4) 充氣及圍巖壓力加載。

為保證瓦斯吸附平衡，充氣時(shí)間均應(yīng)達(dá)到24 h以上。充氣過程和圍巖壓力的加載過程同時(shí)進(jìn)行，且圍巖壓力是逐漸加載至預(yù)設(shè)值。如果圍巖壓力在煤層吸附瓦斯的初期加載完成，則不利于瓦斯在煤層中的運(yùn)移，將增加瓦斯吸附平衡的時(shí)間。一般進(jìn)行3次壓載，第一次加載100～400 kN；第二次加載圍巖壓力預(yù)設(shè)值的一半；第三次加載至圍巖壓力預(yù)設(shè)值。

5) 打開突出口。

為了保證煤層已充分吸附瓦斯達(dá)到平衡，打開突出口之前，應(yīng)保證至少2 h內(nèi)電子壓力表和機(jī)械壓力表的讀數(shù)不發(fā)生變化，此時(shí)方可將突出口打開。記錄壓力表讀數(shù)、大氣壓、室溫和煤厚等相關(guān)參數(shù)。

6) 對突出模擬結(jié)果分類。

瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象分為兩類：第一類是不突出。在打開突出口后無瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象，堵頭未從缸體中掉落下來，需人工將其取出，取出堵頭后能發(fā)現(xiàn)煤壁保持完好無損或有少量的煤體垮落，垮落的煤量占壓制煤層所用總煤量的0～5%；第二類突出。具有瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象，在打開突出口后，堵頭被推出，煤壁遭受破壞，拋出的煤量占總煤量的5%以上。根據(jù)分類原則，對突出模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分類。實(shí)驗(yàn)照片見圖2.

3 研究結(jié)果

利用上述設(shè)備對屯蘭礦2#、4#煤層進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)時(shí)記錄煤層瓦斯壓力，該瓦斯壓力即突出時(shí)壓力。壓制完成后，從取樣孔取得煤樣，并利用直接法對瓦斯含量進(jìn)行測試。

對2#煤層進(jìn)行瓦斯突出壓力、突出瓦斯含量實(shí)驗(yàn)，分別記錄瓦斯壓力與瓦斯質(zhì)量、瓦斯含量與瓦斯質(zhì)量數(shù)值，計(jì)算突出質(zhì)量百分比，判斷突出種類，將其進(jìn)行擬合，得到2#煤層突出壓力與突出關(guān)系、2#煤層突出瓦斯含量與突出關(guān)系，分別見圖3、4. 由圖3可知：進(jìn)行突出預(yù)測時(shí)，2#煤層發(fā)生突出的最低瓦斯壓力為0.727 MPa，即預(yù)測臨界值為0.727 MPa. 由圖4可知，進(jìn)行突出預(yù)測時(shí)，2#煤層發(fā)生突出的最低瓦斯含量為7.689 m3/t，即預(yù)測的臨界值為7.689 m3/t. 按照《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》[7]采取防突措施，做到絕對安全，預(yù)測結(jié)果有一定的安全系數(shù)的原則預(yù)算臨界值。因此預(yù)測突出瓦斯壓力臨界值位于0.727 MPa附近；突出瓦斯含量臨界值位于7.689 m3/t附近。

圖2 突出模擬照片

圖3 2#煤層突出瓦斯壓力與突出的關(guān)系圖

圖4 2#煤層突出瓦斯含量與突出的關(guān)系圖

同理，對4#煤層進(jìn)行瓦斯突出壓力、突出瓦斯含量實(shí)驗(yàn)，得到4#煤層突出壓力與突出關(guān)系、4#煤層突出瓦斯含量與突出關(guān)系圖，分別見圖5、6. 由圖5可知：進(jìn)行突出預(yù)測時(shí)，4#煤層發(fā)生突出的最低瓦斯壓力為0.718 MPa，預(yù)測突出瓦斯壓力臨界值為0.718 MPa. 由圖6可知，進(jìn)行突出預(yù)測時(shí)，4#煤層發(fā)生突出的最低瓦斯含量為7.564 m3/t，預(yù)測突出瓦斯含量臨界值位于7.564 m3/t附近。

圖5 4#煤層的突出瓦斯壓力與突出的關(guān)系圖

圖6 4#煤層的突出瓦斯含量與突出的關(guān)系圖

4 分析與討論

4.1 利用Fisher準(zhǔn)則進(jìn)行線性判別計(jì)算和檢驗(yàn)

Fisher判別方法是多元統(tǒng)計(jì)分析中常用方法之一。假定從A、B總體中各取n1、n2個(gè)樣品，均測定p個(gè)判別指標(biāo)。尋找一個(gè)降為一維數(shù)值的線性判別函數(shù)y(x)：

y(x)=c1x1+c2x2+...+cpxp

(1)

(2)

使y=c1x1+c2x2+…+cpxp

檢驗(yàn)兩個(gè)總體之間是否具有顯著差異。統(tǒng)計(jì)量F是以Maha-Lanobis距離(D2)為基礎(chǔ)構(gòu)成的：

(3)

其中，

(4)

統(tǒng)計(jì)量F遵從分布：F(p,n1+n2-p-1). 通過式(3)獲得F統(tǒng)計(jì)量的檢驗(yàn)值，查F分布表得Fα(p,n1+n2-p-1)，α為檢驗(yàn)顯著性水平，取0.05或0.01. 將F的檢驗(yàn)值和Fα(p,n1+n2-p-1)值進(jìn)行比較。

住建部在4個(gè)定點(diǎn)扶貧縣中選擇青海省湟中縣黑城村、大通縣土關(guān)村和湖北省紅安縣柏林寺村、麻城市石橋垸村，深入開展“美好環(huán)境與幸福生活共同締造”示范村建設(shè)，以探索總結(jié)形成可復(fù)制、可推廣的黨組織引領(lǐng)、村民為主、問題導(dǎo)向的“共謀、共建、共管、共評、共享”的鄉(xiāng)村治理模式，提高群眾獲得感、幸福感。

1) 2#煤層突出臨界值判別計(jì)算。

預(yù)測指標(biāo)只有瓦斯壓力一個(gè)，p=1，判別函數(shù)為y=cx. 而x=P，瓦斯壓力突出臨界值為P=yc/c=1.452 0/1.993 6=0.728 MPa. 即瓦斯壓力小于0.728 MPa，判定不具有突出危險(xiǎn)性；大于或等于0.728 MPa，具有突出危險(xiǎn)性。由于p=1，則：

檢驗(yàn)所用統(tǒng)計(jì)量：

計(jì)算得，F(xiàn)=14.816 2，查F分布表得：

Fα(p,n1+n2-p-1)=Fα(1，16)=

突出預(yù)測的安全至關(guān)重要，取α=0.01進(jìn)行判斷，F(xiàn)1=14.816 2>F0.01(1,16)=8.53，故在統(tǒng)計(jì)上差異顯著，判別有效，判別臨界值0.728 MPa是準(zhǔn)確的。

計(jì)算得統(tǒng)計(jì)量檢驗(yàn)值F=9.858 8. 查F分布表得：

同理，F(xiàn)=9.859 9>F0.01(1,16)=8.53，在統(tǒng)計(jì)上的差異顯著，判別是有效的。其判別臨界值7.665 m3/t是準(zhǔn)確的。

經(jīng)上判別分析，認(rèn)為屯蘭礦2#煤層區(qū)域預(yù)測臨界值為瓦斯壓力0.728 MPa，瓦斯含量為7.665 m3/t.

2) 4#煤層突出臨界值判別計(jì)算。

預(yù)測指標(biāo)只有瓦斯壓力一個(gè)，p=1，判別函數(shù)為y=cx. 而x=P，瓦斯壓力突出臨界值為P=yc/c=0.767 0/1.071 3=0.716 MPa. 即瓦斯壓力小于0.716 MPa，判定不具有突出危險(xiǎn)性；大于或等于0.716 MPa，具有突出危險(xiǎn)性。由于p=1，則：D2與F值與上述相同。

計(jì)算得，F(xiàn)=9.003 9,查F分布表得：

突出預(yù)測的安全至關(guān)重要，取α=0.01進(jìn)行判斷，F(xiàn)1=9.003 9>F0.01(1,16)=8.53，故統(tǒng)計(jì)上差異顯著，判別有效，判別臨界值0.716 MPa是準(zhǔn)確的。

計(jì)算得，F(xiàn)=12.827 4.查F分布表得：

同理，F(xiàn)=12.827 4>F0.01(1,16)=8.53，統(tǒng)計(jì)上的差異顯著，判別是有效的，判別臨界值7.731 m3/t是準(zhǔn)確的。

經(jīng)上判別分析，認(rèn)為屯蘭礦4#煤層區(qū)域預(yù)測臨界值為瓦斯壓力0.716 MPa，瓦斯含量為7.731 m3/t.

4.2 區(qū)域突出敏感指標(biāo)敏感順序的判斷

為判別敏感性，可按照各自的判別臨界值，換算出對應(yīng)的瓦斯壓力及瓦斯含量，一般認(rèn)為指標(biāo)越低其和突出的相關(guān)性更好，其敏感性也越強(qiáng)，不易出現(xiàn)誤判斷。換算過程如下：

根據(jù)朗格繆爾方程確定煤層的吸附瓦斯量后，再加上游離瓦斯量，即為判別壓力下煤層的瓦斯含量。同理反算可得判別含量下的瓦斯壓力。計(jì)算公式為：

(5)

式中：

W—煤層瓦斯含量，m3/t；

a，b—吸附常數(shù)；

p—煤層絕對瓦斯壓力，MPa；

Ad—煤的灰分，%；

Mad—煤的水分，%；

ARD—視密度，t/m3；

n—與瓦斯壓力有關(guān)的常數(shù)，n=0.02/(0.993+0.07p)；

ts—井下煤層溫度，℃，取30；

t—煤樣吸附實(shí)驗(yàn)室溫度，℃，取30；

F—煤的孔隙率，%.

2#煤層判別瓦斯壓力0.728 MPa時(shí)發(fā)生突出，但按照判別含量7.665 m3/t，計(jì)算瓦斯壓力在0.723 MPa時(shí)即可發(fā)生突出，因此從敏感指標(biāo)上判斷，瓦斯含量W指標(biāo)敏感性強(qiáng)于瓦斯壓力P. 同理，判別瓦斯含量在7.665 m3/t發(fā)生突出，按照判別壓力0.728 MPa計(jì)算瓦斯含量在7.079 m3/t，因此判斷瓦斯含量W指標(biāo)敏感性強(qiáng)于瓦斯壓力P. 2#煤層區(qū)域預(yù)測突出敏感性指標(biāo)的敏感序列為W>P.

4#煤層判別瓦斯壓力0.716 MPa時(shí)發(fā)生突出，但按照判別含量7.731 m3/t，計(jì)算瓦斯壓力在0.715 MPa時(shí)即可發(fā)生突出，因此從敏感指標(biāo)上判斷，瓦斯含量W指標(biāo)敏感性強(qiáng)于瓦斯壓力P. 同理，判別瓦斯含量在7.731 m3/t發(fā)生突出，按照判別壓力0.716 MPa計(jì)算瓦斯含量在7.344 m3/t，因此判斷瓦斯含量W指標(biāo)敏感性強(qiáng)于瓦斯壓力P. 4#煤層區(qū)域預(yù)測突出敏感性指標(biāo)的敏感序列為W>P.

經(jīng)過2018年安全生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的驗(yàn)證，采用上述瓦斯壓力和瓦斯含量，以及敏感序列用于屯蘭礦工作面突出危險(xiǎn)防治工作，對消除瓦斯突出事故起到了積極作用，符合礦井實(shí)際。

5 結(jié) 論

1) 通過突出模擬實(shí)驗(yàn)測定，發(fā)現(xiàn)屯蘭礦2#煤層區(qū)域預(yù)測瓦斯壓力臨界值位于0.727 MPa附近，瓦斯含量臨界值位于7.689 m3/t附近；發(fā)現(xiàn)4#煤層區(qū)域預(yù)測瓦斯壓力臨界值位于0.718 MPa附近，瓦斯含量臨界值位于7.564 m3/t附近。

2) 利用Fish準(zhǔn)則的線性判別法，判定2#煤層區(qū)域預(yù)測臨界值為瓦斯壓力0.728 MPa，瓦斯含量7.665 m3/t；判定4#煤層區(qū)域預(yù)測臨界值為瓦斯壓力0.716 MPa，瓦斯含量為7.731 m3/t.

3) 經(jīng)過測定煤層瓦斯參數(shù)，2#煤層判別瓦斯壓力0.728 MPa時(shí)發(fā)生突出，但按照判別含量7.665 m3/t，計(jì)算瓦斯壓力在0.723 MPa時(shí)即可發(fā)生突出，因此從敏感指標(biāo)上判斷，2#煤層區(qū)域預(yù)測突出敏感性指標(biāo)的敏感序列為W>P.

4) 經(jīng)過測定煤層瓦斯參數(shù)，4#煤層判別瓦斯壓力0.716 MPa時(shí)發(fā)生突出，但按照判別含量7.731 m3/t，計(jì)算瓦斯壓力在0.715 MPa時(shí)即可發(fā)生突出，因此從敏感指標(biāo)上判斷，4#煤層區(qū)域預(yù)測突出敏感性指標(biāo)的敏感序列為W>P.