構造煤層突出危險性預測敏感指標臨界值研究

姚向榮,孫澤宏,石必明,柏云飛

(1.淮南職業技術學院, 安徽淮南 232001, 2.安徽理工大學, 安徽淮南 232001, 3.淮南礦業集團顧橋礦, 安徽淮南 232001)

構造煤層突出危險性預測敏感指標臨界值研究

姚向榮1,孫澤宏1,石必明2,柏云飛3

(1.淮南職業技術學院, 安徽淮南 232001, 2.安徽理工大學, 安徽淮南 232001, 3.淮南礦業集團顧橋礦, 安徽淮南 232001)

基于模糊數學理論,在現場考察和試驗模擬的基礎上,提出確定預測敏感指標的數值模型,通過數值關系確定目標煤層的敏感指標;針對試驗礦井目標煤層,采用“三率”法和模糊聚類法分析了B11-2煤層預測指標的敏感性,得出了目標煤層B11-2突出預測敏感指標為鉆屑量S,并測出鉆屑量S指標的臨界值為6.57 kg/m。

復雜構造煤層;敏感指標; 臨界值; 突出預測

淮南新老礦區礦井開采深度正在不斷加大,大部分礦井開采深度均接近-800 m,未來井深可望達到-1 000～1 200 m,如作為國家級深部開采的實驗礦井望峰崗煤礦,第一水平已達-820 m,第二水平達到-960 m,井深可達1 018 m。由于采用綜采、綜掘高強度開采,工作面在高地應力、高溫、高強度擾動下,易發生煤與瓦斯動力現象,給礦井安全高效生產帶來了嚴重威脅。煤與瓦斯突出是發生在煤礦井下的一種極其復雜的瓦斯動力現象,危害性極大。發生突出后,導致煤巖掩埋人員和設備、摧毀井下設施、破壞通風系統、使人員窒息傷亡。突出的大量瓦斯甚至可能引起瓦斯爆炸,造成重大傷亡事故。因此,加強對煤與瓦斯突出預測指標敏感性及其臨界值的研究具有十分重要的意義。

一 試驗礦井目標煤層

位于潘集-陳橋背斜轉折端應力集中區的顧橋井田,煤層瓦斯含量較高,主采B11-2煤層。該煤層下距太灰340 m,煤層低透,屬三軟煤層,結構較簡單,常見1～2層夾矸,頂底板多泥巖,局部頂板為細砂巖,煤厚變異系數為25.6%,屬穩定煤層。

-796 mB11-2煤西翼回風上山地層巖性主要為11-2煤層、砂質泥巖、泥巖、粉細砂巖、細砂巖。其中煤層、泥巖及砂質泥巖局部較碎,裂隙發育,穩定性差。主要標志層是11-2煤層下部普遍有鮞狀泥巖,B11-2煤層頂板富含植物化石。

試驗目標煤層B11-2煤層平均厚度為3.4 m,傾角4°～8°,結構簡單,局部變化較大,黑色,粉末狀,夾含塊狀及亮煤條帶,屬半亮～半暗型煤。直接頂: 6.4 m的粉砂巖。直接底:直接底板為7.15 m的砂質泥巖。

地質構造條件復雜,特別是斷層發育,巷道位于F114、FD16、S111等斷層組成的夾塊內,該巷道揭穿B11-2煤層前須穿過F114(∠50°～∠75°H=34～64 m)斷層。

根據《顧橋井田精查地質報告》及進風井瓦斯情況,B11-2煤層瓦斯含量預計為5.6 m3/tr。

根據進風井井筒揭11-2煤層資料,該煤層突出危險性指標分別為P=0.38 MPa,f=0.4～0.59,△P=4～5.14,k=6.88～12.85,D= -2.75～-4.85預計揭煤時,巷道最大絕對瓦斯涌出量為3.0 m3/min。

二 瓦斯放散動力特征試驗

基于目標礦井B11-2煤層煤瓦斯放散動力特征的研究,從而為突出預測敏感指標的選取和臨界值的確定提供試驗依據,采集了試驗礦井目標煤層B11-2回風上山掘進工作面煤樣,進行了瓦斯放散動力特征試驗。根據相似模擬研究,分析B11-2瓦斯壓力P與鉆屑瓦斯解吸指標K1的關系,繪制了不同煤樣的鉆屑瓦斯解吸指標K1與瓦斯吸附平衡壓力P的關系圖如圖1所示。

圖1 B11-2煤層專用回風上山煤層K1-P關系散點圖

圖2 N I11-2下山采區煤層回風下山(1)S、K1指標預測值

與此同時,對試驗礦井目標煤層B11-2煤層專用回風下山掘進工作面構造煤堅固性系數進行了測定,其值為0.395,并參照《防治煤與瓦斯突出規定》規定的煤層發生瓦斯突出的臨界瓦斯壓力Pmin為0.74MPa。在已知鉆屑瓦斯解吸指標K1值與煤層瓦斯壓力的關系K1=0.4512X0.8845和Pmin時,可以初步確定鉆屑瓦斯解吸指標K1預測瓦斯突出危險性的理論臨界值。經計算,B11-2煤層預測瓦斯突出的K1理論臨界值為0.34 ml/(g·min1/2)。

三 現場考察情況

針對目標礦井是“三軟”煤層,采用鉆屑量S指標和鉆屑瓦斯解吸指標K1作為瓦斯突出預測指標,為了擴大考察范圍,增加考察了鉆孔瓦斯涌出初速度q指標和鉆屑瓦斯解吸指標△h2。顧橋(南)區采掘深度較深,下山采區已經超過-800 m,礦山壓力顯現較為明顯,故將與地應力密切相關的鉆屑量預測指標S作為主要預測指標和重點跟蹤考察對象。通過對各種預測指標的跟蹤監測,發現各預測指標具有如下規律:

N I下山采區B11-2煤層回風下山(1)。對于N I采區B11-2煤層采區回風下山(1)而言,鉆屑量S指標的一般測值不大,每次循環預測最大值的平均為3.9 kg/m,最大值為18 kg/m。對應K1最大值為0.20,平均值為0.054。Δh2最大值為90 Pa,平均值為27 Pa。如圖2、圖3所示。

圖3 N I11-2下山采區煤層回風下山(1)Δh2、K1指標預測值

對于S指標而言,在指標超標地段進行預測時,測值一般在6 m左右開始突然增大,超標地段一般在孔深4～6 m處。由圖3可以看出,在S指標超標時,S測值總體上隨鉆孔深度的增加而增大,但在孔深5～6 m后,S指標測值開始急劇增大,且一般在6 m以后S指標超標。出現上述現象主要是因為在超標地點,構造較為發育,使得在4 m以前,煤體處于卸壓帶,使得S指標測值較小;在4～6 m階段,煤體處于應力集中區域,使得S指標測值急劇增大,且最終造成S指標超標;在6 m以后,煤體進入原始應力帶,S指標測值又逐漸減小。如圖4所示。

圖4 1122(1)運輸順槽超標地點S測值隨鉆孔深度變化曲線圖

四 突出敏感性指標分析

實際突出礦井所采取的預測指標中,由于地質條件的差異,各預測指標對不同的礦井可能有不同的敏感性,突出敏感指標分散性較大,即當某一指標很大時,考察區域沒有突出危險性,而某一指標很小時,考察區域卻發生了突出。這就需要研究不同指標對同一區域危險性的敏感程度。

目前,預測采掘工作面突出危險性的大多數指標都有比較嚴格和成熟的預測方。在我國大部分突出礦井采取鉆屑量指標S、鉆孔瓦斯涌出初速度指標q、鉆屑瓦斯解吸指標K1(Δh2),另外還有綜合指標R以及其他經試驗證實有效的方法(鉆屑溫度、煤體溫度、放炮后瓦斯涌出量等),但這些指標僅在個別礦井預測中得到了應用。

煤層突出敏感指標是指對某一礦井目標煤層工作面進行瓦斯突出危險性預測時,能夠明顯區分突出危險和非突出危險的突出預測指標,即在突出危險工作面和非突出危險工作面實測該指標的測值無交叉或交叉較少。本研究采用“三率”分析法和模糊聚類分析法,現將兩種方法介紹如下:

(一) “三率”分析法

預測指標的敏感性可根據預測突出率、預測突出準確率、預測不突出準確率即“三率法”來確定,當某個預測指標是敏感指標時,要求它具有較小的預測突出率、較高的預測突出準確率和較高的預測不突出準確率。它們的計算公式如下:

(1)式中:η1--預測突出率,%;

n為預測有突出危險次數,次;

N為預測總次數,次。

2 預測突出準確率

(2)式中:η2為預測突出準確率,%;

n1為在預測有突出危險次數中有突出危險的次數(其中包括發生了突出以及預測中噴孔、卡鉆、頂鉆、煤炮頻繁等嚴重突出征兆),次。

3 預測不突出準確率

式中:η3為預測不突出準確率,%。

n2為預測不突出次數中果真無突險的次數,次;

n3為預測不突出次數,次。

預測突出率η1代表預測有突出危險區段的比例大小,η1越小,需要采取防突措施的范圍越小。

因此,在保證預測準確的前提下,η1越小越好,預測不突出率應達到100%,預測突出的準確率達到60%左右,此時的臨界指標即可滿足現場要求。上述三率是互有關聯的,預測敏感指標臨界值越低,雖η3提高了,但η1也同樣提高,η2也相應降低了。反之臨界值取得高,雖η2提高了,η1下降下,但η3也下降了。

(二) 模糊聚類分析法

該方法是在分析大量跟蹤考察數據的基礎上,建立預測敏感指標的數學模型,把抽象的敏感指標的確定問題通過具體的數值表示出來。其具體計算步驟可以簡化為以下3步:

1 預測結果的無量綱化

將單位不同的各項指標按下式進行無量綱化處理:

(4)式中:X′i為預測結果的無量綱量;

Xi為原始數據;

X 為原始數據的平均值;

C為原始數據的標準差,按式(5)計算。

2 預測結果的標準化

無量綱標準化即是把無量綱數據壓縮在區間[0,1]內,按公式(6)進行:

顯然X′i=X′max時X″i=1,X′i=X′min時X″i= 0這樣就把標準化后的數據壓縮在了區間[0,1]之內了。

3 煤與瓦斯突出預測敏感指標的敏感度函數

預測指標的數學期望值用式(7)表示:

預測指標的靈敏度函數M(i)用下列關系式表示:

通過上述計算,即可得到各個突出預測指標的敏感度M(i),M(i)越大該指標越敏感,通過比較M(i)的大小,即可得到各指標的敏感性。

(三) 預測指標敏感性“三率”分析結果

跟蹤考察了目標煤層4個采掘工作面預測指標的測值情況。現場跟蹤考察工作量匯總見表2。考慮到淮南礦區瓦斯突出主要發生在地質構造帶,尤其是斷層附近,因此,在進行“三率”分析時,將斷層等地質構造帶附近、煤體賦存發生較大變化區域作為有瓦斯突出危險性對待,將斷層附近及煤體賦存發生較大變化區域的預測指標作為有突出危險性的指標處理,對各預測指標依次進行“三率”計算,計算結果如表3所示。

表2現場跟蹤考察工作量匯總表

表3 目標煤層各預測指標“三率”計算結果表

由表3可以看出:鉆屑量指標S的預測突出率為3.75%,預測突出準確率為100%,預測不突出準確率為100%。說明預測指標S在現有臨界值的條件下較敏感。鉆孔瓦斯涌出初速度指標q的預測突出率為0,預測突出準確率為0,預測不突出準確率為90.47%。鉆屑瓦斯解吸指標△h2的預測突出率為0.8%,預測突出準確率為25%,預測不突出準確率為97.58%。鉆屑瓦斯解吸指標K1,在760次跟蹤考察測值中沒有出現過超標情況,預測突出率為0,預測突出準確率為0,預測不突出準確率為98.42%。

(四) 預測指標敏感性模糊聚類分析結果

將各試驗目標煤層跟蹤考察測得的采掘工作面瓦斯突出預測指標值,代入式(4)～式(8),計算得到各考察煤層突出預測指標的敏感度M(S)=0. 571;M(q)=0.414;M(K1)=0.435;M(△h2) =0.534。顯然,目標煤層B11-2煤層斯突出預測指標的敏感性由大到小依次為:鉆屑量S>鉆屑瓦斯解吸指標△h2>鉆屑瓦斯解吸指標K1>鉆孔瓦斯涌出初速度q。

五 臨界值的確定

對于目標煤層預測敏感指標的臨界值,總希望瓦斯突出預測敏感指標存在一個理想的值,超過該值會發生突出,否則就不突出。可是,由于煤與瓦斯突出是由地應力、瓦斯和煤的物理力學性質等諸多因素綜合作用的結果,而敏感指標往往只反映瓦斯突出部分影響因素,而且測值還受到外部條件和人為因素影響,使得根據敏感指標測值判定瓦斯突出危險性是一個概率概念,一般隨著指標測值的增大,發生突出的概率會增大。目標煤層B11-2敏感指標及臨界值現場測定考察結果如下:

B11-2煤層整體而言呈現規則的層狀結構,節理發育,斷口參差多角,但是煤層中上部存有一厚度為0.2～0.3 m的軟煤。實驗室煤樣測定結果表明:煤層堅固性系數f=0.53,瓦斯初散初速度△P= 2,見表4。其破壞類型在Ⅲ～Ⅳ之間,B11-2煤層屬于突出煤破壞類型,掘進工作面突出危險性預測單項指標最大為Smax=3.5<6(kg/m)、K1=0.27< 0.5 ml/(g·min1/2)。且該區(-800 m以上)在石門揭煤及B11-2煤層首采面掘進施工過程中,至今未發生煤與瓦斯突出動力現象,打鉆過程中未見噴孔、卡鉆等現象。且進行的工作面預測預報單項指標K1、Smax小于臨界指標,掘進過程中瓦斯涌出量一般為:3～4.5 m3/min,最大為6.62 m3/min。B11-2煤層瓦斯壓力最大0.722 MPa,但煤層的堅固性系數和放散初速度等指標均未超過《防治煤與瓦斯突出細則》規定的指標的臨界值。考慮到瓦斯壓力普遍大于0.74 MPa,且地質構造較復雜,小斷層較多。B11-2煤層在采掘過程中遇有地質構造或瓦斯涌出異常時必須隨時進行突出危險性預測預報。當K1達到0.4 ml/(g·min1/2)時,必須采取打鉆排放等防突措施,以確保安全生產。

表4 B11-2煤層突出危險性指標測定結果

現實中存在的是一個臨界范圍(臨界域),當指標的測值大于該范圍時會發生突出,小于該范圍時不突出,而在此范圍內時,可能發生突出,也可能不突出。生產中為了便于使用和管理,通常在此范圍內確定一個能夠使安全和經濟得到最大平衡的合理分界點,即使用它后,既能保證安全生產,又能盡可能地解放生產力,減少消突工程量,提高采掘進度。這個合理的分界點就是敏感指標的臨界值。根據我國目前預測技術水平的實際情況,一般情況下,合適的臨界值應該是:當測定值大于它時發生突出的可能性為50%～60%,而小于該值時基本不發生突出,即突出的可能性很小,礦井的預測突出危險率根據煤層危險程度的不同會有所不同,一般礦井可控制在20%～30%。

試驗礦井目標煤層B11-2瓦斯突出預測主要敏感指標是鉆屑量指標S。表5為B11-2煤層瓦斯突出預測敏感指標S值取不同預測臨界值時的“三率”計算結果。

表5 目標煤層B11-2煤敏感指標S臨界值“三率”計算結果

由表5可以看出,以6.0 kg/m作為B11-2煤預測敏感指標S的臨界值,具有較低預測突出率(1.79%)、較高預測突出準確率(100%)和較高預測不突出準確率(100%),而將S指標臨界值升為8.0 kg/m時,不能滿足預測不突出準確率100%的要求。

六 結論

試驗模擬了目標礦井B11-2煤層K1-P關系為K1=0.4 512X0.8845,并通過計算得出B11-2煤層預測瓦斯突出的K1理論臨界值為0.34 ml/(g·min1/2)。分析了現場跟蹤考察情況得出,在地質構造附近鉆屑量變化較大,反應了地質構造對煤與瓦斯突出危險性的影響,并出現了一定的超標現象。

采用“三率”分析法和模糊聚類分析法分析了B11-2煤層預測指標的敏感性,得出各預測指標鉆屑量指標S是B11-2煤的突出預測敏感指標,鉆屑瓦斯解吸指標K1作為輔助指標。分析了B11-2煤層預測指標臨界值,以6.0 kg/m作為B11-2煤預測敏感指標S的臨界值,具有較低預測突出率(1.79%)、較高預測突出準確率(100%)和較高預測不突出準確率(100%)采用從理論分析和實驗初步確定,然后結合現場驗證的方法確定敏感性指標與臨界值是可靠的。

通過對敏感性指標及臨界值的確定,不僅可以評估掘進工作面前方煤體突出危險性,而且可以為突出煤層安全掘進提供科學的依據和保證。

[1] 周世寧,林柏泉.煤層瓦斯賦存與流動理論[M].北京:煤炭工業出版社,1999.

[2] 袁亮,松軟低透煤層群瓦斯抽采理論與技術[M],北京:煤炭工業出版社,2004.

[3] 俞啟香.礦井瓦斯防治[M].徐州,中國礦業大學出版社,1992.

[4] 張鐵崗.礦井瓦斯綜合治理技術[M].北京:煤炭工業出版社,2001.

[5] 王顯政,揚富.煤礦安全新技術[M].北京:煤炭工業出版社,2002.

[6] 孫東玲.突出敏感指標及臨界值確定方法的探討與嘗試[J].煤炭工程師,1996,(4):3-7.

[7] 屠錫根,哈明杰.突出敏感指標初探[J].煤礦安全, 1997,(3):27-29.

[8] 孫東鈴,董鋼峰.煤與瓦斯突出預測指標臨界值的選取對預測準確率的影響[J].煤炭學報,1997,(11):24 -27.

AbstractBased on vague mathematics and probability theory and in the field visit and laboratory test s imulates on the basis of established forecasts sensitive indicators of the mathematicalmodel,the abstract sensitive issue of specific indicators determine the value to test the target.coal seams intermixed with the"three rate"and vague clustering law analyzed B11-2coal seams inter mixed forecast level of sensitivity,the target coal seams intermixed B11-2outstanding forecast sensitive to get indicators and what’s the measure through the crumbs off the critical value’s target for 6.57kg/m.

Key wordscomplex structured coal seams;sensitive indicators;critical value;outstanding forecast

Research on Highlighted CriticalDanger to the Sensitive TargetValue in the Construction of Coal Seams

YAO Xiang-rong1,SUN Ze-hong1,SH IBi-ming2,Bai Yun-fei3
(1.Huainan Vocational and Technical College,Huainan Anhui232001;2.Anhui University of Science and Technology Huainan232001;3.GuqiaoM ine of Huainan M ining Group Co.L td.Huainan Aanhui232001.)

TD713

A

1671-4733(2010)04-0001-05

DO I:10.3969/j.issn.1671-4733.2010.04.001

2010-10-18

安徽省高校省級自然科學研究重點項目(項目編號:KJ2009A153)

姚向榮(1958-),男,安徽霍邱人,副教授,從事煤礦采掘、安全技術及工程教學及科研工作,電話:13855432846。