東曲礦瓦斯突出敏感指標預(yù)測及臨界值研究

楊 威

(山西焦煤西山煤電集團有限責任公司,山西 太原 030053)

當前對于突出煤層敏感指標及其臨界值主要通過統(tǒng)計法進行確定，且不同的突出指標在反映煤與瓦斯突出危險性方面存在著較大差異，所以其準確性主要取決于實驗樣品的真實性與可靠性[1-2]。

目前，國內(nèi)外學者對瓦斯突出性預(yù)測指標進行了大量研究。張文勇等人針對掘進工作面條件，對突出指標及臨界值計算方法進行了研究；張玉明等人采用三色法與灰色關(guān)聯(lián)法，對突出礦井煤層預(yù)測指標的計算方法進行了研究；周紅星等人采用實驗室試驗方法，對各類煤體試驗分析，從而對煤體指標之間的單值對應(yīng)關(guān)系進行了研究[3-4]。

煤與瓦斯突出礦井開采依據(jù)主要是《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》，但該規(guī)定中各類指標參考臨界值具有著一定普遍性，并不一定適合所有煤礦，各類礦井受煤質(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造不同等因素影響，其指標的敏感性及臨界值各不相同，因此有必要根據(jù)本礦特點摸索適合本礦的敏感指標及臨界值。本文以東曲煤礦為背景，采用理論計算、實驗室試驗、現(xiàn)場實測等方法對該礦井8號煤與瓦斯突出區(qū)域敏感指標及臨界值進行研究，為礦井后續(xù)開采提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 礦井概況

東曲煤礦當前開采8號煤層，厚度平均3.62 m，傾角平均6°，為近水平煤層；煤層結(jié)構(gòu)簡單，含夾矸0～4層，在整個礦井內(nèi)穩(wěn)定可采。

礦井共布置有8個進風井，5個回風井，采用分區(qū)抽出式通風。根據(jù)2015年中煤科工集團重慶研究院有限公司鑒定報告，8號煤層為突出煤層，因此必須對礦井煤與瓦斯突出預(yù)測指標及臨界值進行研究確定。

2 突出預(yù)測指標分析

工作面突出危險性預(yù)測是我國防治突出體系中的一個重要環(huán)節(jié)，常用的預(yù)測方法包括鉆屑指標法、R值指標法、綜合指標法和復(fù)合指標法[5]，本文通過鉆屑指標法對指標敏感性進行研究。

2.1 鉆屑瓦斯解吸指標

鉆屑瓦斯解吸指標是根據(jù)特定粒徑煤樣的瓦斯解吸規(guī)律判斷突出危險性的一種預(yù)測指標，k1、△h2是突出礦井中常用的兩個工作面突出預(yù)測指標。鉆屑瓦斯解吸指標k1值是指煤樣自暴露于自由大氣空間中解吸第一分鐘內(nèi)單位質(zhì)量(每克)煤樣的瓦斯解吸總量，反映煤樣初始時瓦斯解吸速度的快慢；鉆屑瓦斯解吸指標△h2是指10 g煤樣自暴露于自由空間中第四分鐘和第五分鐘的瓦斯解吸量[5]。從鉆屑解吸指標△h2和k1值的物理意義及測定原理可以看出，本質(zhì)上它們屬于同一類指標，兩指標都是一段時間內(nèi)的累計解吸量，但△h2是實際測量的解吸量大小，k1值是按照解吸規(guī)律依據(jù)巴雷爾式推算出來的。根據(jù)巴雷爾公式，兩者之間的聯(lián)系可表示為：

(1)

由公式(1)可知，兩指標之間存在著正比例關(guān)系，比例常數(shù)n是由煤質(zhì)特性和瓦斯解吸性質(zhì)決定的。

表1為8號煤實驗室測定得到的參數(shù)表。由于k1值指標與吸附平衡壓力P之間存在k1=APB的冪函數(shù)關(guān)系，對上述測定結(jié)果進行冪函數(shù)擬合，可得結(jié)果如圖1所示，擬合曲線方程為：k1=0.354P0.117，相關(guān)性系數(shù)R2為0.995；△h2=194.71P0.281，相關(guān)性系數(shù)R2為0.98.對兩指標關(guān)系曲線進行擬合，結(jié)果如圖2所示，從圖中可以看出，兩指標值與平衡壓力之間存在著密切的正相關(guān)關(guān)系，其上升趨勢基本一致；對兩指標進行擬合后發(fā)現(xiàn)，其具有著較好的線性關(guān)系。

圖1 △h2、k1與平衡壓力擬合曲線圖

圖2 △h2、k1擬合曲線圖

2.2 鉆屑量指標

鉆屑量指標S是指以每米鉆孔鉆進過程中排出的鉆屑重量作為衡量煤層突出危險性的大小，該指標測定方法比較簡單，在現(xiàn)場應(yīng)用中很容易實現(xiàn)[6]。

根據(jù)《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》，采用直徑42 mm的鉆孔鉆屑量為6 kg/m或5.4 L/m作為礦井煤層瓦斯突出預(yù)測的臨界值[6]。由于鉆屑量指標測定方法比較簡單，容易受客觀存在的地質(zhì)、應(yīng)力和瓦斯、鉆進速度、鉆桿彎曲程度及鉆桿連接形式、打鉆及鉆屑量測定人員的技術(shù)水平等因素影響，因此鉆屑量S準確性較差，通常作為參考指標。

3 預(yù)測指標敏感性分析及臨界值研究

3.1 突出預(yù)測指標敏感性分析

為驗證8號煤層瓦斯突出指標敏感性，在8號煤層18414專用回風巷掘進過程中選取數(shù)據(jù)對鉆屑解吸指標k1、△h2及鉆屑量指標S的敏感性進行論證，跟蹤數(shù)據(jù)如表2所示。

采用最小方差法對各敏感指標敏感性進行分析，方差計算公式為[6]：

式中:sj為第j個預(yù)測指標的評價值的樣本均方差；xj為第j個預(yù)測指標的評價值的平均值[6]。

表2 k1、△h2和S的跟蹤數(shù)據(jù)

對于k0(1≤k0≤n)，令:

Sk0=min{sj}

(1≤j≤n)

當Sk0值越大則對應(yīng)指標敏感性越強，反之則為不敏感。

根據(jù)表中數(shù)據(jù)，對上述三個指標方差進行計算，則k1、△h2、S對應(yīng)計算結(jié)果分別為0.55、0.54、0.18，表明上述指標中，△h2最敏感，k1次之，S最不敏感。

3.2 突出預(yù)測指標臨界值確定

東曲煤礦目前采用k1值作為突出預(yù)測指標，并且根據(jù)上述研究，△h2與k1的敏感性相差不大，均有很好的敏感度，因此對預(yù)測指標k1臨界值進行計算確定。通過計算預(yù)測突出率η1、預(yù)測突出準確率η2和預(yù)測不突出準確率η3三個指標，作為評價煤與瓦斯突出臨界值是否合適的重要依據(jù)，其計算公式為[7]：

式中:n為預(yù)測有突出危險次數(shù)，次；N為預(yù)測總次數(shù)，次；n1為在預(yù)測有突出危險次數(shù)中，真正有突出危險的次數(shù)，次；n2為預(yù)測不突出次數(shù)中真正無突出危險的次數(shù)，次；n3為預(yù)測不突出次數(shù)，次。

對東曲煤礦8號煤k1值的預(yù)測突出率η1、預(yù)測突出準確率η2和預(yù)測不突出準確率η3三個指標進行計算，結(jié)果如表3所示。該結(jié)果表明，當k1臨界值設(shè)定為0.46時，其能夠滿足現(xiàn)場要求。

表3 k1值臨界指標分析

4 結(jié) 語

1) △h2與k1的敏感性相差不大，均可作為預(yù)測的敏感指標，鉆屑量S的敏感性最差，作為參考指標。

2) 確定8號煤以k1值作為瓦斯突出預(yù)測指標，臨界值為0.46 mL/(g·min0.5)，用以判斷東曲煤礦煤與瓦斯突出危險性。