赤峪煤礦煤層突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)敏感指標(biāo)的確定

張逸龍，吳 彥，方書昊，廖 奇，楊印朝，朱紅青

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 應(yīng)急管理與安全工程學(xué)院，北京 100083；2.開灤(集團(tuán))有限責(zé)任公司, 河北 唐山 063020)

在工作面推進(jìn)過程中，其前方煤體處于采前增壓—卸壓—恢復(fù)階段，且隨著工作面持續(xù)推進(jìn)該現(xiàn)象重復(fù)出現(xiàn)[1]，煤巖體內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)及滲流狀態(tài)都會(huì)發(fā)生改變，容易造成瓦斯的不均衡涌出，從而引發(fā)瓦斯事故，因此研究煤層突出敏感性指標(biāo)至關(guān)重要[2-3]。目前，世界各國(guó)煤礦所采用的瓦斯預(yù)測(cè)方法已超過100多種[4-8]，其中，在我國(guó)主要是以鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)(Δh2和K1)、鉆屑量指標(biāo)(S)、鉆孔瓦斯涌出初速度指標(biāo)(q)等[9-11]作為煤與瓦斯突出預(yù)測(cè)指標(biāo)。楊明軍[12]采用“三率法”對(duì)煤層掘進(jìn)考察區(qū)的突出預(yù)測(cè)敏感指標(biāo)及其臨界值進(jìn)行了研究；張書金等[13]利用“三率法”和突出危險(xiǎn)性相關(guān)性分析2種方法，對(duì)貴州突出礦區(qū)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)敏感性指標(biāo)進(jìn)行了研究；雷紅艷[14]建立了鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1與ΔP的量化關(guān)系以快速確定鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1臨界值?！岸笜?biāo)”指的是鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)(Δh2)及鉆屑量指標(biāo)(S)，“二指標(biāo)”對(duì)于煤與瓦斯突出預(yù)測(cè)及防治起到了關(guān)鍵性的作用[15]?；疑到y(tǒng)理論主要基于對(duì)灰色理論中的各因素間的影響進(jìn)行分析，包括系統(tǒng)行為分析和系統(tǒng)因素分析[16-18]。

由于各個(gè)礦區(qū)地質(zhì)條件及煤層性質(zhì)差異，不同突出礦井預(yù)測(cè)的敏感性指標(biāo)亦不同，需要對(duì)同一區(qū)域危險(xiǎn)性進(jìn)行相關(guān)研究，并確定其臨界值[19]?；诖?，以赤峪煤礦2號(hào)煤層為研究對(duì)象，通過灰色關(guān)聯(lián)分析法對(duì)“二指標(biāo)”(S和Δh2)進(jìn)行預(yù)測(cè)，以期確定哪個(gè)指標(biāo)的敏感性更強(qiáng)。同時(shí)，結(jié)合“三率”法對(duì)工作面突出預(yù)測(cè)及效果檢驗(yàn)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析論證，以確定煤層突出預(yù)測(cè)敏感指標(biāo)臨界值。

1 突出預(yù)測(cè)指標(biāo)敏感性灰色關(guān)聯(lián)模型構(gòu)建

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)概況

赤峪煤礦為突出礦井，2號(hào)煤層平均厚度1.8 m，平均傾角7°，最大瓦斯壓力為2.66 MPa，最大原始瓦斯含量為11.29 m3/t。C1203運(yùn)輸巷、回風(fēng)巷掘進(jìn)工作面每掘進(jìn)5 m進(jìn)行一次區(qū)域驗(yàn)證，每個(gè)循環(huán)保留不小于2 m的超前距。鉆孔在掘進(jìn)工作面上下兩層，各布置3個(gè)直徑42 mm、深度8 m的鉆孔。中間鉆孔沿巷道掘進(jìn)方向，兩邊鉆孔在兩側(cè)向外施工?；夭晒ぷ髅鎱^(qū)域驗(yàn)證在沿其推進(jìn)的方向上每隔15 m間距位置施工一個(gè)直徑42 mm、深度10 m的鉆孔。

1.2 模型構(gòu)建

將S和Δh2作為映射量指標(biāo)，建立表征突出風(fēng)險(xiǎn)大小的系統(tǒng)映射函數(shù)如下：

E1(i)=f(X)

(1)

(2)

式中：X為由Xj(i)組成的階矩陣；f(X)為映射量函數(shù)；Xj(i)為第i次預(yù)測(cè)的j指標(biāo)實(shí)際測(cè)值；i為測(cè)定數(shù)據(jù)組序號(hào)，i=1，2，…，n；n為指標(biāo)數(shù)據(jù)組數(shù)；j為指標(biāo)數(shù)據(jù)序列號(hào)，j=1，2，…，m；m為指標(biāo)體系采用的指標(biāo)容量，取2。

經(jīng)過量綱變換后的系統(tǒng)映射量為：

E2(i)=f(X′)

(3)

灰色關(guān)聯(lián)函數(shù)pj(i)的計(jì)算公式如下[20]：

(4)

式中：pj(i)為第i時(shí)刻指標(biāo)序列Xj與參考序列X0的相對(duì)差值，即Xj對(duì)X0在i時(shí)刻的關(guān)聯(lián)系數(shù)；K為分辨系數(shù)，由于系統(tǒng)中各指標(biāo)的平等性，取0.5；X0(i)為參考序列，即建立的系統(tǒng)映射量。

各指標(biāo)與突出危險(xiǎn)性的關(guān)聯(lián)度表示如下：

(5)

2 突出預(yù)測(cè)指標(biāo)敏感性數(shù)值計(jì)算

記錄是否出現(xiàn)卡鉆及瓦斯異常等動(dòng)力現(xiàn)象，測(cè)試了C1203工作面運(yùn)輸巷的“二指標(biāo)”數(shù)據(jù)，每個(gè)指標(biāo)各131組數(shù)據(jù)。鉆屑量Smax和Δh2max曲線見圖1。

圖1 鉆屑量Smax和Δh2max曲線

由圖1可知，S的最大值普遍大于4 kg/m，表明C1203工作面巷道在掘進(jìn)過程中，煤層受地應(yīng)力影響較大。Δh2在前期小于100 Pa，之后Δh2首次超過200 Pa且振動(dòng)幅度變大，表明巷道掘進(jìn)進(jìn)入了瓦斯含量大且壓力高的區(qū)域，發(fā)生突出的可能性也在逐漸增高。

將圖1各指標(biāo)進(jìn)行無量綱化處理，結(jié)果見圖2(a)和(b)。

圖2 無量綱化指標(biāo)數(shù)據(jù)

由圖2(a)和(b)可以看出，S和Δh2的曲線變化大體同步，例如出現(xiàn)典型瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象時(shí)2條曲線均明顯升高。

設(shè)灰色關(guān)聯(lián)分析模型參考序列為X0，基于相對(duì)優(yōu)化原則，選取各指標(biāo)中最優(yōu)值作為灰色關(guān)聯(lián)分析參考值，見圖2(c)。

將“二指標(biāo)”數(shù)據(jù)代入式(4)和(5)，計(jì)算得到相對(duì)差值，求得S、Δh2與突出危險(xiǎn)性之間的灰色關(guān)聯(lián)度分別為：P(S)=0.909，P(Δh2)=0.896，鉆屑量S與突出危險(xiǎn)性的灰色關(guān)聯(lián)度更高，敏感度關(guān)系為S>Δh2。

3 突出預(yù)測(cè)敏感指標(biāo)臨界值

3.1 鉆屑量指標(biāo)臨界值

分析現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試得到的131組數(shù)據(jù)(見圖1)，結(jié)合S的參考臨界值，得出：鉆屑量S單項(xiàng)指標(biāo)超限72次，其中出現(xiàn)煤炮、頂鉆等異常現(xiàn)象26次；未超限59次，其中出現(xiàn)煤炮、頂鉆等異?，F(xiàn)象4次。對(duì)S的參考臨界值為6 kg/m的情況進(jìn)行“三率”法分析，計(jì)算得到預(yù)測(cè)突出率為54.96%，預(yù)測(cè)突出準(zhǔn)確率為36.11%，預(yù)測(cè)不突出準(zhǔn)確率為91.53%，可見預(yù)測(cè)突出率偏高，預(yù)測(cè)突出準(zhǔn)確率偏低，盡管保障了掘進(jìn)工作面的安全，但需要進(jìn)行瓦斯治理的施工面積較大，增加了防突措施工程量。

選取8個(gè)待定臨界值分別計(jì)算相對(duì)應(yīng)的預(yù)測(cè)突出率、預(yù)測(cè)突出準(zhǔn)確率和預(yù)測(cè)不突出準(zhǔn)確率，結(jié)果見表1。

表1 C1203工作面S臨界值“三率”法分析

由表1可見，鉆屑量S在7.2～8.0 kg/m內(nèi)預(yù)測(cè)突出率均為19.08%，預(yù)測(cè)突出準(zhǔn)確率為88.00%，預(yù)測(cè)不突出準(zhǔn)確率91.51%。由于131組突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)中的最大S值均不在7.2～8.0 kg/m內(nèi)，需要對(duì)S的臨界值作進(jìn)一步分析。

選取C1204回風(fēng)巷掘進(jìn)工作面突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)的121組數(shù)據(jù)對(duì)鉆屑量指標(biāo)S的臨界值范圍進(jìn)行分析。根據(jù)S臨界值范圍，S值單項(xiàng)指標(biāo)超限61次，其中發(fā)生煤炮、夾鉆、噴孔等瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象共25次。

選取5個(gè)待定臨界值分別計(jì)算“三率”，結(jié)果見表2。

表2 C1204工作面S臨界值“三率”法分析

由表2可知，當(dāng)S的臨界值取7.2、7.4 kg/m時(shí)，預(yù)測(cè)不突出準(zhǔn)確率(均高于95%)明顯高于S的臨界值在7.6～8.0 kg/m內(nèi)的準(zhǔn)確率，同時(shí)S的臨界值取7.2 kg/m時(shí)，預(yù)測(cè)突出率上升，預(yù)測(cè)突出準(zhǔn)確率反而有所降低。因此S的臨界值取7.4 kg/m較為合適。

3.2 鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)Δh2臨界值

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試得到的131組數(shù)據(jù)(見圖1)，以及Δh2參考臨界值，可發(fā)現(xiàn)Δh2出現(xiàn)異?，F(xiàn)象16次；未超限108次，其中異常現(xiàn)象15次。選取8個(gè)待定臨界值，分別計(jì)算“三率”，結(jié)果見表3。

表3 C1203工作面Δh2臨界值“三率”法分析

由表3可見，當(dāng)Δh2臨界值取200 Pa時(shí)，預(yù)測(cè)突出率為17.56%，預(yù)測(cè)突出準(zhǔn)確率為69.57%，預(yù)測(cè)不突出準(zhǔn)確率為86.11%。從整體上看，當(dāng)Δh2臨界值低于180 Pa時(shí)，預(yù)測(cè)突出準(zhǔn)確率低于60%，預(yù)測(cè)突出率卻高于30%，需要進(jìn)行瓦斯治理的施工面積較大，增加防突措施工程量。當(dāng)Δh2臨界值高于200 Pa時(shí)，預(yù)測(cè)突出率降低，但預(yù)測(cè)突出準(zhǔn)確率和預(yù)測(cè)不突出準(zhǔn)確率也會(huì)隨之下降，導(dǎo)致不安全。當(dāng)Δh2取值為180 Pa時(shí)，“三率”與200 Pa時(shí)的最為接近，但效果仍不如200 Pa時(shí)的結(jié)果。綜上所述，為保障礦井安全，鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)Δh2臨界值取200 Pa較為合理。

3.3 “二指標(biāo)”突出預(yù)測(cè)臨界值

對(duì)2個(gè)突出預(yù)測(cè)指標(biāo)同時(shí)進(jìn)行“三率”法分析，當(dāng)S=7.4 kg/m，Δh2=200 Pa時(shí)，對(duì)突出預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行“三率”法分析，結(jié)果見表4。

表4 C1203工作面S和Δh2臨界值“三率”法分析

由表4可見，當(dāng)采用2個(gè)敏感指標(biāo)同時(shí)預(yù)測(cè)時(shí)，預(yù)測(cè)不突出準(zhǔn)確率達(dá)到了100%，同時(shí)預(yù)測(cè)突出率為31.30%，預(yù)測(cè)突出準(zhǔn)確率達(dá)到75.61%。選取2個(gè)指標(biāo)同時(shí)開展預(yù)測(cè)，并沒有新增防突措施，實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)效益最大化。

3.4 煤層突出預(yù)測(cè)敏感指標(biāo)臨界值

通過灰色關(guān)聯(lián)分析，得出S的敏感性要略好。而使用“二指標(biāo)”同時(shí)進(jìn)行突出預(yù)測(cè)檢測(cè)出的具有實(shí)際突出危險(xiǎn)的31次中，S貢獻(xiàn)次數(shù)為25次，占比80.65%；Δh2貢獻(xiàn)次數(shù)為23次，占比74.19%；其中，“二指標(biāo)”同時(shí)預(yù)測(cè)有突出風(fēng)險(xiǎn)的次數(shù)為7次，分別僅占S與Δh2單獨(dú)預(yù)測(cè)具有突出危險(xiǎn)的次數(shù)比重為28.00%和30.43%。因此，盡管S值相比于Δh2對(duì)突出的敏感性更好，但Δh2仍然具有不可替代性。此外，在圖2中，“二指標(biāo)”曲線的變化趨勢(shì)基本一致，但其中一項(xiàng)指標(biāo)(Δh2)超出臨界值時(shí)，而另一指標(biāo)(S)達(dá)到峰值卻并未超出臨界值的情況較為常見，說明“二指標(biāo)”在2號(hào)煤層的突出預(yù)測(cè)中均不可或缺。

綜上所述，鉆屑量S和鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)Δh2應(yīng)同時(shí)作為2號(hào)煤層突出預(yù)測(cè)敏感指標(biāo)，臨界值分別取7.4 kg/m 和200 Pa。

4 現(xiàn)場(chǎng)工程應(yīng)用

2號(hào)煤層的各個(gè)工作面在掘進(jìn)和回采期間均按照突出煤層進(jìn)行管理，其預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)見表5。

表5 瓦斯參數(shù)測(cè)定結(jié)果

各個(gè)指標(biāo)的臨界值分別為壓力小于0.74 MPa、瓦斯含量小于8 m3/t、Smax小于7.4 kg/m、Δh2小于200 Pa。由表5可見，幾個(gè)測(cè)試地點(diǎn)均沒有發(fā)生效果檢驗(yàn)指標(biāo)超標(biāo)情況，瓦斯含量最大為6.89 m3/t，且在開切眼處，表明選擇該類指標(biāo)是合理的。

5 結(jié)論

1)鉆屑量S和鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)Δh2應(yīng)同時(shí)作為赤峪煤礦2號(hào)煤層突出預(yù)測(cè)敏感指標(biāo)。通過灰色關(guān)聯(lián)度建模分析，計(jì)算敏感指標(biāo)與突出危險(xiǎn)之間的關(guān)聯(lián)度，得到灰色關(guān)聯(lián)度結(jié)果P(S)=0.909>P(Δh2)=0.896，表明鉆屑量S作為預(yù)測(cè)指標(biāo)的敏感度更高。

2)對(duì)C1203、C1204工作面突出預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行“三率”法分析，當(dāng)Δh2為200 Pa時(shí)，預(yù)測(cè)突出率為17.56%，預(yù)測(cè)突出準(zhǔn)確率為69.57%，預(yù)測(cè)不突出準(zhǔn)確率為86.11%；當(dāng)S為7.4 kg/m時(shí)，預(yù)測(cè)突出率39.67%，預(yù)測(cè)突出準(zhǔn)確率50%，預(yù)測(cè)不突出準(zhǔn)確率為98.63%。對(duì)2個(gè)指標(biāo)同時(shí)進(jìn)行“三率”法分析，預(yù)測(cè)突出率為31.30%，預(yù)測(cè)突出準(zhǔn)確率為75.61%，預(yù)測(cè)不突出準(zhǔn)確率達(dá)到100%。確定S和Δh2臨界值分別為7.4 kg/m和200 Pa。

3)通過對(duì)2號(hào)煤層各個(gè)工作面的S和Δh2的效果檢驗(yàn)，證明了其臨界值的合理性。隨著開采深度的增加，區(qū)域效果檢驗(yàn)指標(biāo)(S、Δh2)在現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)過程中需要反復(fù)檢驗(yàn)，以保證礦井生產(chǎn)的有序進(jìn)行。