堅固性系數(shù)與瓦斯放散初速度關(guān)聯(lián)性探討

李 凱，王 琳

(鶴壁職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鶴壁 458030)

煤與瓦斯突出嚴(yán)重制約了煤礦安全生產(chǎn)。煤與瓦斯突出發(fā)生條件復(fù)雜，發(fā)生機(jī)理尚未研究清楚，因此無法從根本上杜絕煤與瓦斯突出的發(fā)生。目前，對煤與瓦斯突出防治主要依靠基于綜合假說所制定四位一體的綜合防突措施，通過對煤與瓦斯突出案例調(diào)查分析發(fā)現(xiàn)，絕大多數(shù)突出事故發(fā)生都是因危險性預(yù)測失準(zhǔn)而導(dǎo)致誤采、誤掘或者誤揭突出危險煤體發(fā)生的，由此可見煤與瓦斯突出預(yù)測在防治突出過程中至關(guān)重要。

煤體堅固性系數(shù)f值與瓦斯放散初速度ΔP值為目前突出危險預(yù)測的兩個常用重要指標(biāo)，其中堅固性系數(shù)反映煤體自身強(qiáng)度大小，即抵抗突出發(fā)生能力的大小[1]，而瓦斯放散初速度是反映煤體瓦斯放散能力的大小，即突出時突出能量源供應(yīng)能力的大小[2]，同時防突規(guī)定中還存在一個與兩個指標(biāo)密切相關(guān)的綜合指標(biāo)K值，它是由瓦斯放散初速度與堅固性系數(shù)比值。綜合指標(biāo)確定原則之一是用來確定綜合指標(biāo)的各個單項指標(biāo)不能過多重疊，否則評價結(jié)果就會失真[3]。那么堅固性系數(shù)與瓦斯放散初速度之間關(guān)聯(lián)性如何，綜合指標(biāo)K值的設(shè)置是否合理，有待進(jìn)一步研究。

1 f值與ΔP影響因素分析

在前人研究成果基礎(chǔ)上，將f值與ΔP影響因素分為兩類：可控制因素與不可控制因素?？煽刂埔蛩丶纯梢匀藶楦淖兊目刂埔蛩?，主要是指標(biāo)參數(shù)在測定過程中的一些人為限制條件，如f值測定過程中落錘次數(shù)、測煤粒徑范圍、測煤質(zhì)量、搗筒高度、重錘質(zhì)量等。ΔP的可控制因素包括：煤粒徑、固定空間體積、溫度、放散時間等。國標(biāo)中對兩個指標(biāo)參數(shù)測定過程中各個可控因素都有明確規(guī)定，保證了f值與ΔP都是在各個相同實驗條件下測定，這樣使得兩個指標(biāo)各自之間普適性、對比性增加，為標(biāo)準(zhǔn)及臨界值測定提供了基礎(chǔ)，也為分析兩者之間關(guān)系提供了可能。

不可控制因素，顧名思義指人為難以控制的影響因素，主要指煤體自身性質(zhì)或成分的影響。近些年國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者做了大量實驗研究，發(fā)現(xiàn)煤體變質(zhì)程度[4-5]、破壞類型[6-8]、水分[9-10]、灰分[4]對f值與ΔP影響顯著。變質(zhì)程度越高、破壞程度越嚴(yán)重、煤體中水分灰分越高，煤體f值越小，ΔP越大。

2 f值與ΔP的相關(guān)性

2.1 f值與ΔP相關(guān)性分析

研究成果已證明煤堅固性系數(shù)及瓦斯放散初速度具有共同不可控影響因素，如破壞類型、煤變質(zhì)程度、灰分、水分等。有學(xué)者研究表明煤比表面積與煤與瓦斯突出密切相關(guān)，即比表面積越大，瓦斯吸附量越高，瓦斯放散速度越高，突出危險性越高[11]。由此可知：煤的比表面積直接影響ΔP大小，而煤破壞類型、煤變質(zhì)程度、灰分、水分等因素通過不同方式改變煤體的比表面積，進(jìn)而間接影響ΔP的大小，其作用方式分別為：煤體破壞越嚴(yán)重，其內(nèi)部孔裂隙發(fā)育越充分，主要為孔徑小于100 nm微孔數(shù)量增加，進(jìn)而比表面積增加；煤變質(zhì)程度越高，煤體熱揮發(fā)量越大，導(dǎo)致煤體內(nèi)孔隙率增加，進(jìn)而增加比表面積；煤中灰分致密性遠(yuǎn)大于煤體，灰分的增加造成煤分相對減小，煤比表面積增加；煤中水分會占據(jù)煤體表面上一定數(shù)量的吸附空位，同時水分能夠造成裂隙堵塞，阻礙瓦斯的放散。

羅志明統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)煤的堅固性系數(shù)f值與煤的孔隙有關(guān)，孔隙率越大,強(qiáng)度越小[12]，但并未給出詳細(xì)解釋。筆者通過分析前人結(jié)果認(rèn)為：煤的堅固性系數(shù)與煤體比表面積直接相關(guān)，煤體比表面積越大，煤體中自由面越大，當(dāng)破碎功一定時，自由面越大煤體沖擊破壞產(chǎn)生的新表面積就越多，產(chǎn)生小粒徑煤粒也越多。根據(jù)f值計算公式，落錘次數(shù)一定條件下，0.5 mm以下煤粒越多，f值越小，那么，煤體破壞程度越嚴(yán)重、變質(zhì)程度越高、水分、灰分越高，造成煤體比表面積增加，f測量值就會越小。這與前人統(tǒng)計分析結(jié)果是一致的。

水分與灰分除改變煤體比表面積外仍可通過其他方式改變f值與ΔP。水分增加可造成孔裂隙堵塞，導(dǎo)致ΔP減小，同時也會增加煤體塑形，造成f值增加。因灰分自身強(qiáng)度遠(yuǎn)大于煤體，灰分增加會造成f值增加。破壞類型及煤變質(zhì)程度都是通過改變煤體內(nèi)比表面積進(jìn)而影響f值及ΔP大小，兩者可由比表面積一個參量表示，由此各影響因素與兩個指標(biāo)之間關(guān)系如圖1所示。從圖1中可得，各個不可控因素與兩個指標(biāo)之間的關(guān)系是截然相反的，由此可推斷f值與ΔP呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

圖1 不可控因素與f值與ΔΡ關(guān)系圖

2.2 f值與ΔP統(tǒng)計分析

對全國30多個礦井的200多個煤樣的堅固性系數(shù)及瓦斯放散初速度數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)其基本存在相同規(guī)律，因數(shù)據(jù)量較大，在此不一一列舉，僅選擇其中部分礦井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行分析。不同礦井煤樣因物理成分、孔隙結(jié)構(gòu)差別比較大，兩指標(biāo)間規(guī)律不明顯，而同一礦井同一煤層其成分、孔隙往往相差不大，具有可比性，以下以礦為單位做兩者關(guān)系圖，見圖2、圖3、圖4和圖5。

圖2 陽泉煤礦3號煤層(無煙煤)

圖3 薛莊村煤礦(貧瘦煤)

圖4 丁集煤礦(焦煤)

圖5 臨漳煤礦(無煙煤)

由圖2、圖3、圖4和圖5可得，不同礦井不同煤質(zhì)的f值與ΔP呈現(xiàn)出相同規(guī)律性，即隨著堅固性系數(shù)的增加瓦斯放散初速度呈減小趨勢，這與前邊分析結(jié)果是一致的。因參數(shù)測定過程Px即使煤樣來自同一礦井同一煤層，因地質(zhì)環(huán)境變化其成分差別依舊比較大，因此，個別礦井?dāng)?shù)據(jù)具有一定的離散性，但整體趨勢依舊明顯。

3 f值與ΔP預(yù)測模型建立及分析

根據(jù)以上分析結(jié)果，假設(shè)f值為一個由比表面積、水分、灰分共同決定的多元函數(shù)，即：

f=F1(S,M,A)

(1)

針對放散初速度，因灰分仍是通過改變煤體內(nèi)比表面積而影響，即：

ΔP=F2(S,M)

(2)

由前文分析可知，各影響因素與f值與ΔP之間大致呈線性關(guān)系，由此假設(shè)：

f=a1S+a2M+a3A+a4

(3)

ΔP=b1S+b2M+b3

(4)

以九里山礦為例，計算公式(3)、公式(4)中各個系數(shù)值，并驗證公式的正確性。九里山礦參數(shù)測定結(jié)果見表1，利用origin軟件及九里山數(shù)據(jù)(前4個式樣)進(jìn)行多元回歸分析，各系數(shù)回歸結(jié)果見表2。

表1 九里山礦煤樣基礎(chǔ)參數(shù)

表2 各系數(shù)回歸值

因比表面積與f值負(fù)相關(guān)，所以a1值理應(yīng)為負(fù)，而水分、灰分與f值正相關(guān)，a2、a3值理應(yīng)為正。同理，b1值應(yīng)為正，b2值為負(fù)。系數(shù)回歸結(jié)果發(fā)現(xiàn)，其中，a1、a3、b1與前邊的分析結(jié)果是一致的，但水分卻截然相反，分析其原因為比表面積對兩個指標(biāo)影響程度遠(yuǎn)大于水分對其影響，其覆蓋了水分的影響作用。回歸分析得到各個系數(shù)后，利用公式(3)和公式(4)對f值及ΔP進(jìn)行預(yù)測，并分析其與真實值間誤差，見表3。

表3 誤差分析

由表3可以看出：f值預(yù)測模型最大誤差率為12.1%，ΔP預(yù)測模型最大誤差率為7.6%，這說明模型是基本可靠的。

4 結(jié) 語

1)f值與ΔP受相同不可控因素影響，其分別為煤體破壞類型、變質(zhì)程度、水分、灰分，各個影響因素都通過改變煤體比表面積大小來實現(xiàn)對f值與ΔP的控制。

2)f值與ΔP呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，兩者之間關(guān)系是通過其共同影響因素決定的，比表面積與f值負(fù)相關(guān)，與ΔP正相關(guān)；水分、灰分與f值正相關(guān)，與ΔP負(fù)相關(guān)。

3) 根據(jù)各個影響因素與f值、ΔP之間關(guān)系，分別建立兩個指標(biāo)預(yù)測模型，并驗證了模型的可靠性。