煤層突出危險性預(yù)測敏感指標(biāo)考察確定

孫際宏，左安家，魏 超，陳江龍

(華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京 東燕郊 065201)

0 引言

煤與瓦斯突出是一種多因素作用影響的災(zāi)害動力現(xiàn)象，在幾秒或者數(shù)十秒內(nèi)大量的瓦斯伴隨著煤向工作面噴出，對井下人員和設(shè)備造成直接傷害[1]。準(zhǔn)確預(yù)測是預(yù)防煤與瓦斯突出災(zāi)害的關(guān)鍵，突出預(yù)測靈敏度不僅受地質(zhì)、瓦斯賦存條件的影響，而且在煤層不同開采工藝下也存在差異，預(yù)測指標(biāo)的敏感性直接決定了預(yù)測的準(zhǔn)確性[2]。

針對突出預(yù)測敏感指標(biāo)的問題，屠錫根、哈明杰等提出了預(yù)測指標(biāo)預(yù)測突出率30%界限以下，預(yù)測突出準(zhǔn)確率60%界限以上定量標(biāo)準(zhǔn)來判定敏感指標(biāo)[3]；孫東玲運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計中方差分析法提出“噴孔率”指標(biāo)，利用該指標(biāo)的離散程度分析對突出敏感度進(jìn)行預(yù)測[4]；彭榮富依據(jù)灰色關(guān)聯(lián)法原理，通過研究各預(yù)測指標(biāo)與突出危險程度變化的一致性確定突出預(yù)測敏感指標(biāo)[5]；此外，還有很多學(xué)者針對某一礦井具體情況，通過現(xiàn)場跟蹤考察，統(tǒng)計分析實測數(shù)據(jù)，結(jié)合實驗室試驗確定礦井的突出預(yù)測敏感指標(biāo)及臨界值等等[6-10]。

經(jīng)過國內(nèi)外學(xué)者的研究，一般認(rèn)為，確定突出預(yù)測指標(biāo)為敏感指標(biāo)必須滿足兩個基本條件，一是預(yù)測指標(biāo)變化要顯著，可以定性進(jìn)行分析；二是預(yù)測指標(biāo)大小及其變化與突出危險的相關(guān)性能夠定量描述。當(dāng)預(yù)測指標(biāo)的主要影響因素與突出主導(dǎo)因素一致時，該指標(biāo)就敏感；反之，則不敏感。但是，在瓦斯、地應(yīng)力及地質(zhì)構(gòu)造三個因素作用下通過預(yù)測指標(biāo)演化規(guī)律來確定預(yù)測指標(biāo)的敏感性的研究較少[11-12]。

因此，本文根據(jù)以往礦井實際突出的規(guī)律，通過煤層突出特征分析各個預(yù)測指標(biāo)的敏感程度，結(jié)合“三率法”確定突出預(yù)測敏感指標(biāo)，對于下一步的礦井瓦斯防治具有重要意義。

1 礦井概況

1.1 礦井煤層概況

河南某礦位于某煤田的西南部，為煤與瓦斯突出礦井。礦井某煤厚0.52～29.83 m，平均6.77 m，屬于全區(qū)大部分可采的較穩(wěn)定型厚煤層。礦區(qū)及周邊斷層較發(fā)育，存在大量逆斷層，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度中等，礦井構(gòu)造如圖1所示。礦井地質(zhì)生產(chǎn)報告數(shù)據(jù)顯示，瓦斯壓力為0.47～0.96 MPa，P>0.74；煤的放散初速度為14～18，平均為16，Δp>10；煤的堅固性系數(shù)為0.17～0.21，平均0.19，f<0.5；現(xiàn)場考察煤的最大破壞類型為Ⅴ類；瓦斯含量為3.70～14.24 m3/t。煤層區(qū)域突出危險性綜合指標(biāo)k值為71.42～97.74，平均82.84，k>15；

圖1 礦井構(gòu)造示意圖

1.2 煤與瓦斯突出現(xiàn)象及規(guī)律

礦井開拓、生產(chǎn)期間共發(fā)生瓦斯動力現(xiàn)象19次，除去無數(shù)據(jù)的突出災(zāi)害，平均突出強(qiáng)度為28.7t，平均突出瓦斯量為4171 m3，最大的一次突出煤(巖)量1894 t，突出瓦斯量250000 m3。

經(jīng)調(diào)查統(tǒng)計分析，礦井煤與瓦斯突出具有以下特點：

(1) 煤與瓦斯壓出是該礦主要的災(zāi)害類型：礦井統(tǒng)計發(fā)生的19次煤與瓦斯突出災(zāi)害事故，18次為煤與瓦斯壓出災(zāi)害，1次為煤與瓦斯突出災(zāi)害。

(2) 煤與瓦斯突出災(zāi)害與地質(zhì)構(gòu)造破壞帶有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性(如圖2所示)：19次突出災(zāi)害事故，有18次受構(gòu)造控制影響顯著，10次突出災(zāi)害受吳莊逆斷層的破壞帶影響，其中7次突出災(zāi)害發(fā)生在背斜軸部和向斜的轉(zhuǎn)折端，而最嚴(yán)重的突出災(zāi)害受大冶向斜和周山逆斷層雙重破壞作用影響。

圖2 地質(zhì)構(gòu)造與煤與瓦斯突出關(guān)系

地質(zhì)構(gòu)造對瓦斯突出具有兩方面的促進(jìn)作用：其一，地質(zhì)構(gòu)造區(qū)常存在殘余構(gòu)造應(yīng)力，有利于提升煤體的彈性潛能水平，增加發(fā)生瓦斯突出危險程度；其二，地質(zhì)構(gòu)造區(qū)煤體結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重，往往伴生著構(gòu)造軟煤。該礦煤的破壞類型已達(dá)III～V型，煤體強(qiáng)度大幅降低，造成抵抗瓦斯突出的能力下降。

(3) 煤與瓦斯突出災(zāi)害具有一定的關(guān)聯(lián)性(如圖3所示)：雖無法獲得當(dāng)時突出位置的煤層瓦斯含量，由礦井煤層瓦斯地質(zhì)圖數(shù)據(jù)分析，所有的突出災(zāi)害位置瓦斯富集量高于7 m3/t，約70%的突出災(zāi)害位置瓦斯含量大于8 m3/t，這反映了瓦斯含量達(dá)到6 m3/t以上是該礦發(fā)生煤與瓦斯突出的必要條件之一。

圖3 瓦斯含量與煤與瓦斯突出關(guān)系

瓦斯富集是突出的能量來源和基礎(chǔ)條件，在突出過程中，瓦斯產(chǎn)生的膨脹能不但參與了破壞煤體，而且是搬運(yùn)破碎煤體，促進(jìn)突出向深部發(fā)展的主要動力。

由上述分析可知，構(gòu)造破壞和瓦斯是礦井突出災(zāi)害發(fā)生的主控因素。地質(zhì)異常區(qū)(正逆斷層、煤厚顯著變化區(qū)、褶皺等)突出危險性高于正常區(qū)，煤層突出危險性隨著瓦斯含量的升高而增大。

2 突出預(yù)測指標(biāo)數(shù)據(jù)跟蹤考察

對于煤與瓦斯突出礦井明確要求了必須使用的區(qū)域和局部綜合防突措施。區(qū)域綜合防突措施中的措施效果檢驗或驗證以及局部綜合防突措施中的預(yù)測和效果檢驗，所采用的是預(yù)測指標(biāo)法。主要指標(biāo)包括有：鉆屑量指標(biāo)S，鉆孔瓦斯涌出初速度指標(biāo)q，鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)Δh2和K1，R指標(biāo)法以及綜合預(yù)測指標(biāo)D和K等[13]。

q、S、k1和Δh2我國最常用的突出預(yù)測指標(biāo)，各指標(biāo)的物理意義及相關(guān)影響因素如下：q為新形成的Ф42 mm鉆孔每米每分鐘的鉆孔瓦斯涌出量，與煤層透氣性系數(shù)和瓦斯壓力密切相關(guān)，反映地應(yīng)力和瓦斯賦存因素；S為Ф42 mm鉆頭每米鉆出的鉆屑重量，對預(yù)測地以應(yīng)力因素為主導(dǎo)的突出災(zāi)害反應(yīng)明顯；K1為巖屑與煤層分離后第1分鐘的氣體解吸量，Δh2為壓力平衡卸除后所取的10 g煤屑第3～5 min內(nèi)的瓦斯氣體的解吸量，k1和Δh2綜合反映了煤層卸壓初期瓦斯解吸速度，與瓦斯因素有關(guān)[14]。

2.1 突出預(yù)測指標(biāo)考察對象

礦井該煤層執(zhí)行局部綜合防突措施以來，一直選用q、S和△h2進(jìn)行采掘工作面突出危險性預(yù)測。因此，選擇上述3個指標(biāo)作為研究對象，對此全部進(jìn)行跟蹤考察。

根據(jù)礦井開拓生產(chǎn)的具體情況，在21下部煤柱面、14東翼擴(kuò)大區(qū)14091工作面進(jìn)行了現(xiàn)場測試和數(shù)據(jù)收集，根據(jù)《煤與瓦斯突出細(xì)則》(2019)的相關(guān)規(guī)定，現(xiàn)場考察采用風(fēng)煤鉆施工Ф42 mm的工作面突出預(yù)測鉆孔，孔深均為10.0 m，每個預(yù)測鉆孔同時測定預(yù)測指標(biāo)q、S和△h2。其中，預(yù)測鉆孔從第2.0 m開始，每鉆進(jìn)1.0 m測定一次預(yù)測指標(biāo)S，每鉆進(jìn)2.0 m測定1次預(yù)測指標(biāo)△h2，鉆進(jìn)完畢后測定預(yù)測指標(biāo)q(測量室長度為1.0 m)，鉆孔布置如圖4所示。

圖4 鉆孔布置示意圖

2.2 突出預(yù)測指標(biāo)考察結(jié)果

在21下部煤柱面和14091工作面進(jìn)行跟蹤測定并對煤層地質(zhì)構(gòu)造和掘進(jìn)過程中是否出現(xiàn)瓦斯動力現(xiàn)象考察，獲得151組循環(huán)的可靠突出預(yù)測(區(qū)域驗證)數(shù)據(jù)，其中包括93組q和S，58組Δh2。由圖5～圖8測試結(jié)果分析，q、S和Δh2分別在5 L/min，6 kg/m，200 Pa的規(guī)定臨界值下，分別超出臨界值4次、5次和4次，分別占預(yù)測總次數(shù)的4.30%、5.37%和6.89%；q測值分布主要集中在0.8～2.0 L/min，S測值分布主要集中在2.0～3.2 kg/m，Δh2測值分布主要集中在140～180 Pa。

圖5 21下部煤柱面q與S變化曲線圖

圖6 21下部煤柱面△h2變化曲線圖

圖7 14091工作面q與S變化曲線圖

圖8 14091工作面△h2變化曲線圖

3個預(yù)測指標(biāo)在跟蹤考察過程中有少部分超出臨界值的現(xiàn)象，反映出礦井在某些地區(qū)存在突出危險性但程度較輕。Δh2的測試數(shù)據(jù)的離散性較差且數(shù)值偏大，q和S的測試數(shù)據(jù)分布范圍較均勻，相對于Δh2離散性較好更符合敏感指標(biāo)的普遍分布規(guī)律。

3 工作面預(yù)測敏感指標(biāo)考察確定

3.1 地質(zhì)構(gòu)造下突出預(yù)測指標(biāo)考察分析

根據(jù)礦井瓦斯治理情況及現(xiàn)場技術(shù)條件，只能從地質(zhì)構(gòu)造的角度上研究各指標(biāo)隨地質(zhì)構(gòu)造的變化建立分析標(biāo)準(zhǔn)：若地質(zhì)異常區(qū)指標(biāo)測量值明顯大于正常區(qū)指標(biāo)，則該指標(biāo)敏感；否則，不敏感。地質(zhì)勘探鉆孔施工過程中，在14091回采工作面發(fā)現(xiàn)一個斷層影響區(qū)，現(xiàn)場跟蹤考察了斷層影響區(qū)域和工作面煤層賦存正常區(qū)域，測試了35個工作面突出預(yù)測循環(huán)參數(shù)，選取每循環(huán)測試的預(yù)測指標(biāo)q、S和Δh2的最大值作為該循環(huán)各指標(biāo)的數(shù)據(jù)，測試結(jié)果如圖9所示。

從測試數(shù)據(jù)的變化趨勢和變化幅度兩個方面對現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析：首先，地質(zhì)異常區(qū)和正常區(qū)預(yù)測指標(biāo)S、q的實測值變化顯著，而且在正常區(qū)變化趨勢比較平穩(wěn)，離散程度小，預(yù)測指標(biāo)S、q總的變化趨勢相近；預(yù)測指標(biāo)Δh2的實測值在兩區(qū)變化有一定的差別，不如S、q變化明顯，而且在正常區(qū)變化起伏較大。

其次，從預(yù)測結(jié)果的角度來看，預(yù)測指標(biāo)S、q和Δh2預(yù)測值均超過《煤與瓦斯突出細(xì)則》(2019)的相關(guān)規(guī)定的臨界值2次，預(yù)測結(jié)果表明地質(zhì)異常區(qū)存在突出危險，與預(yù)測鉆孔施工前7個預(yù)測周期(構(gòu)造區(qū))出現(xiàn)的異?，F(xiàn)象一致。在正常區(qū)域，預(yù)測結(jié)果表明不存在突出危險性，這與預(yù)測鉆孔施工過程中無明顯異?，F(xiàn)象一致；

因此，三個指標(biāo)的預(yù)測結(jié)果均能反映煤層的實際突出危險性，q和S較Δh2對突出預(yù)測更為敏感。

3.2 突出預(yù)測指標(biāo)敏感性“三率”法分析

根據(jù)“三率法”[15]的預(yù)測突出率η1、預(yù)測突出準(zhǔn)確率η2和預(yù)測不突出準(zhǔn)確率η3來確定突出預(yù)測敏感指標(biāo)。在“三率法”中η1整體反映了預(yù)測區(qū)域中存在突出災(zāi)害發(fā)生的危險區(qū)段比例，η2和η3反映了突出災(zāi)害預(yù)測真實性和有效性，η1越小、η2和η3越高，說明該指標(biāo)敏感；否則，不敏感。其公式為：

預(yù)測突出率

η1= n1/n

(1)

圖9 突出預(yù)測指標(biāo)隨地質(zhì)構(gòu)造變化情況

預(yù)測突出準(zhǔn)確率

η2= n2/n1

(2)

預(yù)測不突出準(zhǔn)確率

η3= n3/(n-n1)

(3)

式中，n為預(yù)測結(jié)果數(shù)；n1為結(jié)果表明有突出危險次數(shù)；n2為實際開拓開采中有突出異常次數(shù)；n3為預(yù)測無突出結(jié)果中實際無突出異常次數(shù)。

在運(yùn)用“三率法”進(jìn)行分析時，η1一般屬于30%～40%的區(qū)間，測值越低越好，η2測值一般要超過60%才能體現(xiàn)出預(yù)測指標(biāo)的敏感性，所選用預(yù)測指標(biāo)的η3測值必須滿足100%的條件。若選用的預(yù)測指標(biāo)要確定為煤層突出危險性預(yù)測敏感指標(biāo)，該指標(biāo)必須滿足上述對應(yīng)條件。預(yù)測指標(biāo)q、S和Δh2分別以5 L/min，6 kg/m，200 Pa為臨界值的分析結(jié)果如表1所示。

所選三個預(yù)測指標(biāo)的η1測值都在30%以下，其中，q最低為5.37%，Δh2最高為6.89%；η2測值只有Δh2在60%以下為50%，q、S的η2測值分別為75%和66.7%；三個預(yù)測指標(biāo)的η3測值全部達(dá)到了100%的條件。根據(jù)“三率法”可以判斷三個預(yù)測指標(biāo)反映煤層可能發(fā)生突出災(zāi)害的敏感程度排序為q>S>Δh2。

表1 測試礦井突出預(yù)測指標(biāo)“三率”計算結(jié)果

3.3 工作面預(yù)測敏感指標(biāo)確定

上述工作面預(yù)測指標(biāo)q、S和Δh2敏感性分析結(jié)果表明：預(yù)測指標(biāo)q、S和Δh2都能夠響應(yīng)煤與瓦斯突出特征，預(yù)測指標(biāo)q和S較Δh2對突出預(yù)測更為敏感。因此，確定礦井煤層工作面突出危險性預(yù)測敏感指標(biāo)為q、S，建議將Δh2作為輔助參考指標(biāo)。

與單純使用“三率法”相比，本文提出的方法更符合煤層的實際情況，對實際生產(chǎn)具有更強(qiáng)的指導(dǎo)意義。雖然研究了預(yù)測指標(biāo)與地質(zhì)構(gòu)造的變化聯(lián)系，但是沒有找到適合的條件研究預(yù)測指標(biāo)與地應(yīng)力和瓦斯含量的變化聯(lián)系，也沒有考慮它們之間的耦合效應(yīng)。為了更清楚地揭示多因素對突出預(yù)測指標(biāo)的耦合作用機(jī)理，還需要進(jìn)行更深入、更詳細(xì)的研究。

4 結(jié)論

(1) 通過對礦井某煤層突出現(xiàn)象分析，構(gòu)造破壞和瓦斯是礦井突出災(zāi)害發(fā)生的主控因素。地質(zhì)異常區(qū)突出危險性高于正常區(qū)，煤層突出危險性隨著瓦斯含量的升高而增大。

(2) 在突出現(xiàn)象分析的基礎(chǔ)上，確定考察預(yù)測指標(biāo)在地質(zhì)異常區(qū)和正常區(qū)的變化趨勢和變化幅度，建立突出主導(dǎo)因素與預(yù)測指標(biāo)的聯(lián)系并運(yùn)用“三率法”統(tǒng)計預(yù)測指標(biāo)跟蹤數(shù)據(jù)分析預(yù)測指標(biāo)的靈敏度。預(yù)測指標(biāo)q、S和Δh2都能響應(yīng)煤與瓦斯突出特征，預(yù)測指標(biāo)反映煤層可能發(fā)生突出災(zāi)害的敏感程度排序為q>S>Δh2。

(3) 根據(jù)礦井瓦斯參數(shù)測試結(jié)果，煤層具有堅固性系數(shù)低、瓦斯放散初速度高、破壞類型高的特點，屬于典型的突出煤層，而且，煤層在采掘過程中小構(gòu)造較發(fā)育，多為逆斷層，有利于瓦斯聚集。因此，最終確定q和S可作為采掘工作面主要突出預(yù)測敏感指標(biāo)，Δh2作為輔助參考指標(biāo)，為礦井突出煤層工作面突出危險性預(yù)測敏感指標(biāo)確定提供了參考。