中泰煤礦煤與瓦斯突出預測指標敏感性研究

盧衛永，宋維賓

（河南理工大學能源科學與工程學院，河南 焦作 454000）

·試驗研究·

中泰煤礦煤與瓦斯突出預測指標敏感性研究

盧衛永，宋維賓

（河南理工大學能源科學與工程學院，河南 焦作 454000）

為了考察鶴壁中泰煤礦鉆屑量最大值Smax、鉆屑瓦斯涌出初速度qm以及鉆屑瓦斯解吸指標△h2對該礦煤與瓦斯突出預測的敏感性，運用灰色關聯分析法對這三個指標的實測數據進行了分析處理，比較其突出危險敏感性的大小，得到了突出最敏感的預測指標，可以提高突出預測預報的可靠性。

煤與瓦斯突出；敏感性指標；灰色關聯分析法；預測預報的可靠性

全國煤與瓦斯突出統計情況表明：80%以上的煤與瓦斯突出都發生在煤巷掘進工作面［1］。各煤與瓦斯突出礦井，均按照《防治煤與瓦斯突出細則》［2］的規定指標，進行煤巷掘進工作面突出危險性的預測，然而由于各個礦井實際地質條件的不同，很難判別選取那種指標來進行決策。如何選取適合各自礦井的預測指標來進行預測預報成為迫切需要解決的問題。為提高中泰煤礦煤巷掘進突出預測的準確性及有效性，作者采用鉆屑量最大值Smax值、鉆孔瓦斯涌出初速度qm值和鉆屑解吸指標△h2這三項指標在鶴壁礦區中泰煤礦33071下順槽掘進工作面進行了探索性試驗，運用理論分析與現場試驗相結合的方法，比較這三項煤與瓦斯突出預測指標的關聯度的大小，從而得到敏感度最高的預測指標，以該指標作為突出預測的最可靠指標，這對礦井的安全、高效生產有著重要的現實意義。

1 煤與瓦斯突出預測指標

在國內，《防治煤與瓦斯突出細則》中規定的煤巷掘進工作面突出危險性預測指標的具體情況見表1。

表1 煤巷掘進工作面突出危險性預測指標表

△h2的物理意義是10 g煤樣自煤體脫落暴露在大氣中，第3分鐘到第5分鐘的累積瓦斯解吸量，即煤樣開始解吸測定頭兩分鐘的瓦斯解吸量，以水柱計壓差值來表示；K1值的物理意義是煤樣自煤體脫落暴露在大氣中后第1分鐘內，每克煤的瓦斯解吸量。即△h2和K1都代表了煤體暴露后的瓦斯解吸量，所以在突出危險性預測時選用一個即可［3-4］。

按照《防治煤與瓦斯突出細則》的規定，鉆屑量的最大值Smax的測定方法包括容量法和重量法，即鉆孔每鉆進1 m，收集該1 m的全部鉆屑量，用量具測量鉆屑的體積或用彈簧秤進行稱重，取最大的鉆屑量值記為Smax，單位是kg／m［5］，此次試驗采用重量法。

瓦斯涌出初速度qm的測定方法為：沿著工作面采煤和掘進方向，在煤層內打深為3．5 m、直徑為42mm的鉆孔，再用專門的封孔器密封住孔底0．5m長的鉆孔用作測量室。在封孔以后2min時測定的由導氣管流出的瓦斯流量即是鉆孔瓦斯涌出初速度qm。

按照《防治煤與瓦斯突出細則》的規定，鉆屑瓦斯解吸指標△h2的測定方法為：打鉆時，在預定的位置取出鉆屑，用孔徑d1mm和d3mm的篩子篩分（d1 mm的篩子在下，d3mm的篩子在上）將篩分好的d1 mm～d3mm粒度的試樣裝入MD-2型解吸儀的煤樣瓶中，試樣裝至煤樣憑刻度線水平（10g左右），自鉆孔打至該采樣段起3min后，啟動秒表，轉動三通閥，使煤樣與大氣隔離，在2min時記錄解吸儀讀數，該值即為△h2，單位為Pa［5］。

2 試驗地點選取

試驗地點選在中泰煤礦井下33071下順槽，該工作面煤層堅固性系數為0．26～0．47，煤的破壞類型為Ⅳ、Ⅴ類，煤層原始瓦斯含量為15．8～20．8m3／t，測定煤層瓦斯壓力為0．6～1．44MPa，透氣性系數λ為0．0213～0．1819m2／（MPa2·d），瓦斯放散指數ΔP為12～20，屬于嚴重突出危險工作面。

3 突出指標敏感性的應用

3．1 建立指標體系和系統映射量

以鉆屑量最大值Smax、鉆孔瓦斯涌出初速度qm和鉆屑瓦斯解吸△h2三項指標建立指標體系，組成映射量［6-7］。

建立反映突出危險程度的系統映射函數的方法如下：

式中：

X—由Smax、qm和△h2實測的數據所構成的矩陣；

f（X）—映射量函數；

Xj（i）—同一次實測所得到的的原始數據Si、qi、△h2i，i=1，2，…，22，j=1，2，3；

i—數據組編排序號；

j—指標數據的編排序列號；

n—指標數據所在的組數；

m—指標體系指標容量的大?。?-7］。

3．2 無量綱化處理原始數據

因為三種預測指標所用的量綱單位不同，數值也有較大差異，無量綱化處理原始數據，以此來消除各指標的不同單位和數量級給分析結果所帶來的不利影響。運用如下函數進行無量綱化處理：

式中：

無量綱處理后的系統映射量記作：

式中：

E2（i）—突出危險程度的系統映射量。

3．3 突出預測指標與危險程度關聯分析計算方法

把煤與瓦斯突出看做是一個灰色信息系統，該系統不僅含有已知的內部特性，而且含有未知的、非確定的內部特性的系統，系統映射量E1（i）、E2（i）分別為關聯分析的參考數列分，Xj（i）、Xj（i）′分別為對應的比較數列，比較數列是由預測指標鉆屑量最大值Smax、鉆孔瓦斯涌出初速度qm和鉆屑瓦斯解吸指標△h2以及經過無量綱處理后的三個指標數據［6-7］。

灰色關聯函數為［8-9］：

式中，ξk，j為第i時刻比較序列Xj與參考序列E1（E2）的相對關聯度，即Xj（或Xj（i）′）對E1（E2）在第i時刻的關聯度；因為各指標具有平等性，所以取分辨系數K=0．5；參考數列Xk（i）也就是指建立的系統映射量。

各指標與突出危險性間的關聯度可表示為：

3．4 突出預測敏感指標的確定方法

利用前面分析所建立的模型，輸入實際測得指標的原始數據，可以計算出三個預測指標與突出危險程度E1（i）以及經過無量綱處理后的三個指標與突出危險程度E2（i）之間的灰色關聯度。按照灰色關聯度理論的結論可得：兩個量之間的關聯度越大，這兩個量之間的關系越密切，即關聯度最大的就是最敏感指標，關聯度最小的為最不敏感指標［10］。

3．5 灰色關聯分析法的應用

收集到中泰礦33071工作面實測的最大鉆屑量Smax數據、瓦斯涌出初速度qm和鉆屑瓦斯解吸指標△h2，見表2。

表2 33071工作面突出指標所測的數據表

由表3的最后一行，可得出建立的指標體系與突出危險程度之間的關聯度見表4。

表3 灰色關聯法分析處理突出指標數據結果表

表4 突出指標與突出危險性關聯度分析結果表

由表4可以看出，最大鉆屑量Smax與系統映射量E1（i）、E2（i）的關聯度，在三個指標中為最大，其敏感性最強；鉆孔瓦斯涌出初速度qm次之，鉆屑瓦斯解吸指標△h2的關聯度最小，其敏感程度最差。

4 結 語

1）運用灰色關聯分析法，通過有量綱關聯度分析和無量綱關聯度分析處理了同一地點的突出預測指標的實測數據，得出了各個指標與突出危險性的關聯度。最大鉆屑量Smax為33071工作面最敏感的預測指標，所以最大鉆屑量Smax能更準確地反映工作面前方煤體的突出危險程度，可作為中泰煤礦煤巷掘進突出預測的敏感指標，提高煤與瓦斯突出預測、預報的可靠性。

2）本文存在的不足是所收集的原始數據偏少，未能確定出適合該礦實際情況的突出預測指標的較準確的臨界值，缺乏實際可參考價值和可操作性。為了最終可以確定符合中泰煤礦實際情況的突出預測指標較準確的臨界值，需要實測搜集中泰煤礦的原始數據，理論分析和現場試驗并重，以期得到更加準確的結果，解決實際問題。

［1］ 劉 操，張瀾濤．煤巷掘進突出預測指標研究［J］．河南理工大學學報（自然科學版），2009，28（2）：146-149．

［2］ 國家安全生產監督管理總局，國家煤礦安全監察局．防治煤與瓦斯突出規定［M］．北京：煤炭工業出版社，2009：22-26．

［3］ 孟絮屹，桂祥友，郁鐘銘．鉆屑量與鉆屑瓦斯解吸指標預測突出的應用研究［J］．礦業研究與開發，2008，28（4）：64-66．

［4］ 廖志恒，桂祥友，徐佑林．煤礦鉆屑量與解吸指標的測定及誤差分析［J］．礦業研究與開發，2008，28（2）：75-77．

［5］ 國家安全生產監督管理總局，國家煤礦安全監察局．防治煤與瓦斯突出細則［M］．北京：煤炭工業出版社，2009：22-26．

［6］ 李國禎．某礦煤與瓦斯突出預測指標敏感性研究［J］．現代礦業，2010，490（2）：82-86．

［7］ 李國禎．發耳煤礦煤與瓦斯突出預測指標敏感性探討［J］．工業安全與環保，2010，37（5）：33-35．

［8］ 鄧聚龍．灰色系統基本方法［M］．武漢：華中工學院出版社，1987：55-58．

［9］ 鄧聚龍．灰色系統理論教程［M］．武漢：華中理工大學出版社，1990：73-78．

［10］ 朱運華．基于灰色關聯分析法確定突出敏感指標［J］．煤礦開采，2007，76（3）：11-13．

Research on Sensibility of Coal and Gas Outburst Forecast Index in Zhongtai Coal Mine

Lu Wei-yong，Song Wei-bin

In order to compare the sensibility of forecast on coal and gas outburst in Zhongtai coal mine of Hebi city，Smax index of the biggest amount drilling filings，initial velocity qm of drilling filings gas emission and△h2index of drilling filings gas desorption are analyzed and processed by using gray relating analysis method．The sensibility risk of coal and gas outburst is compared，the most sensible forecast index of outburst is found．It can increase the reliability of outburst forecast．

Coal and gas outburst；Sensibility index；Gray relating analysis method；Reliability of forecast

TD713

B

1672-0652（2013）10-0021-04

2013-07-22

盧衛永（1987—），男，河南周口人，2012級河南理工大學在讀碩士研究生，主要從事煤礦資源開采技術方面的研究（E-mail）489698551＠qq．com