屯蘭礦2#、4#煤層區域預測突出敏感性指標研究

張建軍，郭化博

(1.西山煤電集團公司， 山西 太原 030024； 2.太原理工大學， 山西 太原 030024)

煤與瓦斯突出是威脅煤礦尤其是開采深度較大礦井安全的重要災害之一。近年來隨著礦井開采深度加大，我國成為煤與瓦斯突出事故多發國家。瓦斯突出敏感性指標是判定煤與瓦斯突出的重要判據，它是指既能保證礦井生產安全，又能在最小區域內實施防突技術措施，預測突出危險的指標[1]. 只有對煤與瓦斯突出進行精準預測，才能有利于解決煤礦安全生產問題，從而提高采掘進度，提高企業經濟效益。近年來，國內外眾多學者對煤與瓦斯突出預測進行了相關研究。石顯鑫等[2]利用聲發射技術，開發多道聲發射實時監測系統及有關的軟件系統來對煤與瓦斯突出進行預測；王恩元等[3]論證了用電磁輻射法預測預報煤與瓦斯突出的可行性；Zhang G等[4]通過BP神經網絡來對煤與瓦斯突出進行預測；郭德勇等[5]運用層次分析-模糊綜合評判法建立了煤與瓦斯突出預測模型；付華等[6]提出多層去噪自編碼器(Multi-layer DAE)搭載最小二乘支持向量機(LSSVM)的瓦斯突出預測模型。上述成果目的均在于對煤與瓦斯突出進行預測，并盡可能的提高預測結果的準確性。

為了確定適合屯蘭礦的區域預測突出敏感性指標及其臨界值，本文對屯蘭礦2#、4#煤層進行突出模擬實驗，預測并判定其區域突出敏感指標臨界值，并判斷區域突出敏感指標敏感順序，對防治煤與瓦斯突出工作，具有十分重要的現實指導意義。

1 礦井概況

屯蘭礦是山西焦煤西山煤電集團公司下屬礦井，位于太原地區古交市西南。井田內全區可采、大部分可采或局部可采煤層共8層。其中2#煤層煤厚為1.47～5.22 m,平均3.28 m，煤層結構較簡單，為全井田可采的穩定煤層；4#煤層煤厚為0～3.54 m，平均1.26 m，為大部分可采的不穩定煤層。2#煤層頂板以砂質泥巖和泥巖為主，次為細粒砂巖和炭質泥巖，底板以炭質泥巖為主，次為砂質泥巖。有肥煤、焦煤、瘦煤3種，其中以焦煤為主，瘦煤次之，肥煤最少。4#煤層頂板以泥巖、炭質泥巖為主，其次為細粒砂巖，底板以砂質泥巖為主。有肥煤、焦煤、瘦煤3種，以焦煤為主，占70%. 2012年，被鑒定為煤與瓦斯突出礦井。2017年，礦井絕對瓦斯涌出量為277.74 m3/min，相對瓦斯涌出量為31.76 m3/t.

2 研究方法

2.1 技術原理

區域突出敏感預測指標主要是瓦斯壓力P與瓦斯含量W，本次區域突出敏感預測指標敏感性研究通過突出模擬實驗獲得。其主要技術原理：先采集煤層的典型煤樣(2#、4#煤層煤樣)，進行突出粉碎，在突出模擬裝置中壓制成型，抽真空后充入瓦斯氣體，吸附平衡后打開蓋子，觀察有無突出，并進行采樣測試瓦斯含量。按照突出是否發生，結合瓦斯壓力和含量確定出臨界值。

2.2 突出模擬實驗

1) 煤樣制備。

原煤從煤礦取出并運至實驗室后，進行破碎、篩分，篩下2 mm以下的煤樣，加入適量的水并充分攪拌均勻。為排除水分對煤樣的影響，每次壓制煤樣的水分應該保持一致。

2) 煤層壓制。

煤層壓制系統見圖1. 壓制的過程分為5次，每次壓制的煤層厚度控制在45 mm左右，成型壓力加載至預設值后應保持30 min. 壓制過程中，壓力機的實際試驗力控制在預設值±20 kN范圍內。圍巖壓力是按照煤層的埋深計算獲得，屯蘭礦的埋深約700 m，計算其應力約為18.2 MPa. 煤層壓制相關系數見表1.

圖1 煤層壓制系統示意圖

表1 煤層壓制相關參數表

3) 抽真空。

煤層壓制后，為縮短煤層抽真空的時間，先用鉆頭對兩個充氣孔及壓力監測孔鉆進煤層深度約200 mm，再對煤層抽真空12 h以上。

4) 充氣及圍巖壓力加載。

為保證瓦斯吸附平衡，充氣時間均應達到24 h以上。充氣過程和圍巖壓力的加載過程同時進行，且圍巖壓力是逐漸加載至預設值。如果圍巖壓力在煤層吸附瓦斯的初期加載完成，則不利于瓦斯在煤層中的運移，將增加瓦斯吸附平衡的時間。一般進行3次壓載，第一次加載100～400 kN；第二次加載圍巖壓力預設值的一半；第三次加載至圍巖壓力預設值。

5) 打開突出口。

為了保證煤層已充分吸附瓦斯達到平衡，打開突出口之前，應保證至少2 h內電子壓力表和機械壓力表的讀數不發生變化，此時方可將突出口打開。記錄壓力表讀數、大氣壓、室溫和煤厚等相關參數。

6) 對突出模擬結果分類。

瓦斯動力現象分為兩類：第一類是不突出。在打開突出口后無瓦斯動力現象，堵頭未從缸體中掉落下來，需人工將其取出，取出堵頭后能發現煤壁保持完好無損或有少量的煤體垮落，垮落的煤量占壓制煤層所用總煤量的0～5%；第二類突出。具有瓦斯動力現象，在打開突出口后，堵頭被推出，煤壁遭受破壞，拋出的煤量占總煤量的5%以上。根據分類原則，對突出模擬實驗結果進行了分類。實驗照片見圖2.

3 研究結果

利用上述設備對屯蘭礦2#、4#煤層進行實驗，實驗時記錄煤層瓦斯壓力，該瓦斯壓力即突出時壓力。壓制完成后，從取樣孔取得煤樣，并利用直接法對瓦斯含量進行測試。

對2#煤層進行瓦斯突出壓力、突出瓦斯含量實驗，分別記錄瓦斯壓力與瓦斯質量、瓦斯含量與瓦斯質量數值，計算突出質量百分比，判斷突出種類，將其進行擬合，得到2#煤層突出壓力與突出關系、2#煤層突出瓦斯含量與突出關系，分別見圖3、4. 由圖3可知：進行突出預測時，2#煤層發生突出的最低瓦斯壓力為0.727 MPa，即預測臨界值為0.727 MPa. 由圖4可知，進行突出預測時，2#煤層發生突出的最低瓦斯含量為7.689 m3/t，即預測的臨界值為7.689 m3/t. 按照《防治煤與瓦斯突出規定》[7]采取防突措施，做到絕對安全，預測結果有一定的安全系數的原則預算臨界值。因此預測突出瓦斯壓力臨界值位于0.727 MPa附近；突出瓦斯含量臨界值位于7.689 m3/t附近。

圖2 突出模擬照片

圖3 2#煤層突出瓦斯壓力與突出的關系圖

圖4 2#煤層突出瓦斯含量與突出的關系圖

同理，對4#煤層進行瓦斯突出壓力、突出瓦斯含量實驗，得到4#煤層突出壓力與突出關系、4#煤層突出瓦斯含量與突出關系圖，分別見圖5、6. 由圖5可知：進行突出預測時，4#煤層發生突出的最低瓦斯壓力為0.718 MPa，預測突出瓦斯壓力臨界值為0.718 MPa. 由圖6可知，進行突出預測時，4#煤層發生突出的最低瓦斯含量為7.564 m3/t，預測突出瓦斯含量臨界值位于7.564 m3/t附近。

圖5 4#煤層的突出瓦斯壓力與突出的關系圖

圖6 4#煤層的突出瓦斯含量與突出的關系圖

4 分析與討論

4.1 利用Fisher準則進行線性判別計算和檢驗

Fisher判別方法是多元統計分析中常用方法之一。假定從A、B總體中各取n1、n2個樣品，均測定p個判別指標。尋找一個降為一維數值的線性判別函數y(x)：

y(x)=c1x1+c2x2+...+cpxp

(1)

(2)

使y=c1x1+c2x2+…+cpxp

檢驗兩個總體之間是否具有顯著差異。統計量F是以Maha-Lanobis距離(D2)為基礎構成的：

(3)

其中，

(4)

統計量F遵從分布：F(p,n1+n2-p-1). 通過式(3)獲得F統計量的檢驗值，查F分布表得Fα(p,n1+n2-p-1)，α為檢驗顯著性水平，取0.05或0.01. 將F的檢驗值和Fα(p,n1+n2-p-1)值進行比較。

住建部在4個定點扶貧縣中選擇青海省湟中縣黑城村、大通縣土關村和湖北省紅安縣柏林寺村、麻城市石橋垸村，深入開展“美好環境與幸福生活共同締造”示范村建設，以探索總結形成可復制、可推廣的黨組織引領、村民為主、問題導向的“共謀、共建、共管、共評、共享”的鄉村治理模式，提高群眾獲得感、幸福感。

1) 2#煤層突出臨界值判別計算。

預測指標只有瓦斯壓力一個，p=1，判別函數為y=cx. 而x=P，瓦斯壓力突出臨界值為P=yc/c=1.452 0/1.993 6=0.728 MPa. 即瓦斯壓力小于0.728 MPa，判定不具有突出危險性；大于或等于0.728 MPa，具有突出危險性。由于p=1，則：

檢驗所用統計量：

計算得，F=14.816 2，查F分布表得：

Fα(p,n1+n2-p-1)=Fα(1，16)=

突出預測的安全至關重要，取α=0.01進行判斷，F1=14.816 2>F0.01(1,16)=8.53，故在統計上差異顯著，判別有效，判別臨界值0.728 MPa是準確的。

計算得統計量檢驗值F=9.858 8. 查F分布表得：

同理，F=9.859 9>F0.01(1,16)=8.53，在統計上的差異顯著，判別是有效的。其判別臨界值7.665 m3/t是準確的。

經上判別分析，認為屯蘭礦2#煤層區域預測臨界值為瓦斯壓力0.728 MPa，瓦斯含量為7.665 m3/t.

2) 4#煤層突出臨界值判別計算。

預測指標只有瓦斯壓力一個，p=1，判別函數為y=cx. 而x=P，瓦斯壓力突出臨界值為P=yc/c=0.767 0/1.071 3=0.716 MPa. 即瓦斯壓力小于0.716 MPa，判定不具有突出危險性；大于或等于0.716 MPa，具有突出危險性。由于p=1，則：D2與F值與上述相同。

計算得，F=9.003 9,查F分布表得：

突出預測的安全至關重要，取α=0.01進行判斷，F1=9.003 9>F0.01(1,16)=8.53，故統計上差異顯著，判別有效，判別臨界值0.716 MPa是準確的。

計算得，F=12.827 4.查F分布表得：

同理，F=12.827 4>F0.01(1,16)=8.53，統計上的差異顯著，判別是有效的，判別臨界值7.731 m3/t是準確的。

經上判別分析，認為屯蘭礦4#煤層區域預測臨界值為瓦斯壓力0.716 MPa，瓦斯含量為7.731 m3/t.

4.2 區域突出敏感指標敏感順序的判斷

為判別敏感性，可按照各自的判別臨界值，換算出對應的瓦斯壓力及瓦斯含量，一般認為指標越低其和突出的相關性更好，其敏感性也越強，不易出現誤判斷。換算過程如下：

根據朗格繆爾方程確定煤層的吸附瓦斯量后，再加上游離瓦斯量，即為判別壓力下煤層的瓦斯含量。同理反算可得判別含量下的瓦斯壓力。計算公式為：

(5)

式中：

W—煤層瓦斯含量，m3/t；

a，b—吸附常數；

p—煤層絕對瓦斯壓力，MPa；

Ad—煤的灰分，%；

Mad—煤的水分，%；

ARD—視密度，t/m3；

n—與瓦斯壓力有關的常數，n=0.02/(0.993+0.07p)；

ts—井下煤層溫度，℃，取30；

t—煤樣吸附實驗室溫度，℃，取30；

F—煤的孔隙率，%.

2#煤層判別瓦斯壓力0.728 MPa時發生突出，但按照判別含量7.665 m3/t，計算瓦斯壓力在0.723 MPa時即可發生突出，因此從敏感指標上判斷，瓦斯含量W指標敏感性強于瓦斯壓力P. 同理，判別瓦斯含量在7.665 m3/t發生突出，按照判別壓力0.728 MPa計算瓦斯含量在7.079 m3/t，因此判斷瓦斯含量W指標敏感性強于瓦斯壓力P. 2#煤層區域預測突出敏感性指標的敏感序列為W>P.

4#煤層判別瓦斯壓力0.716 MPa時發生突出，但按照判別含量7.731 m3/t，計算瓦斯壓力在0.715 MPa時即可發生突出，因此從敏感指標上判斷，瓦斯含量W指標敏感性強于瓦斯壓力P. 同理，判別瓦斯含量在7.731 m3/t發生突出，按照判別壓力0.716 MPa計算瓦斯含量在7.344 m3/t，因此判斷瓦斯含量W指標敏感性強于瓦斯壓力P. 4#煤層區域預測突出敏感性指標的敏感序列為W>P.

經過2018年安全生產實踐經驗的驗證，采用上述瓦斯壓力和瓦斯含量，以及敏感序列用于屯蘭礦工作面突出危險防治工作，對消除瓦斯突出事故起到了積極作用，符合礦井實際。

5 結 論

1) 通過突出模擬實驗測定，發現屯蘭礦2#煤層區域預測瓦斯壓力臨界值位于0.727 MPa附近，瓦斯含量臨界值位于7.689 m3/t附近；發現4#煤層區域預測瓦斯壓力臨界值位于0.718 MPa附近，瓦斯含量臨界值位于7.564 m3/t附近。

2) 利用Fish準則的線性判別法，判定2#煤層區域預測臨界值為瓦斯壓力0.728 MPa，瓦斯含量7.665 m3/t；判定4#煤層區域預測臨界值為瓦斯壓力0.716 MPa，瓦斯含量為7.731 m3/t.

3) 經過測定煤層瓦斯參數，2#煤層判別瓦斯壓力0.728 MPa時發生突出，但按照判別含量7.665 m3/t，計算瓦斯壓力在0.723 MPa時即可發生突出，因此從敏感指標上判斷，2#煤層區域預測突出敏感性指標的敏感序列為W>P.

4) 經過測定煤層瓦斯參數，4#煤層判別瓦斯壓力0.716 MPa時發生突出，但按照判別含量7.731 m3/t，計算瓦斯壓力在0.715 MPa時即可發生突出，因此從敏感指標上判斷，4#煤層區域預測突出敏感性指標的敏感序列為W>P.