煤與瓦斯突出預測敏感指標確定方法探索及應用

齊黎明，盧云婷，關聯合，祁 明

(1.華北科技學院 安全工程學院，北京 101601； 2.開灤(集團)有限責任公司，河北 唐山 063018)

煤與瓦斯突出嚴重威脅著突出礦井的安全生產，《煤礦安全規程》和《防治煤與瓦斯突出細則》(2019)均要求突出礦井采取兩個“四位一體”的綜合防突措施。突出預測是“四位一體”綜合防突措施的第一步，推薦的區域預測方法所涉及的指標較少，只有瓦斯壓力和瓦斯含量；而推薦的局部預測方法所涉及的指標相對較多，包括鉆屑指標法(Δh2、K1和S)、復合指標法和R指標法3大類，具體包括 4種指標(Δh2、K1、S和q),其中Δh2、K1均為鉆屑瓦斯解吸指標，S為鉆屑量，q為鉆孔瓦斯涌出初速度，R為S、q的復合函數。

在不同的地質條件下，上述4種指標在預測煤與瓦斯突出風險的敏感性方面，存在著差異；如果被選用的指標不敏感，會導致風險誤判，易造成事故。為此，許多省份出臺的地方性法規中，明確要求突出礦井開展突出危險性預測敏感指標優選，《河北省煤礦瓦斯綜合治理辦法》第三十九條就明確提出“有突出礦井的煤礦企業應根據所屬礦井煤層的不同狀況，確定符合實際的防突預測預報指標體系”。

有關確定突出預測敏感指標方法的研究，在公開發表的文獻上，研究成果較多，但具有明顯的局限性。為此，本研究對確定煤與瓦斯突出預測敏感指標的新方法進行探索與工程應用。

1 探索突出預測敏感指標確定新方法的必要性

敏感指標指突出預測時，能靈敏反映突出危險程度，明顯地區分煤體是否具有突出危險的預測指標。突出預測敏感指標在進行工作面預測時，突出與非突出的測值要有明顯的界限，交叉較少甚至無交叉[1]。

針對怎樣確定敏感指標的問題，國外相關研究較少，國內近年來進行了較多的研究。屠錫根等給出了確定敏感指標的定量判斷標準，當能夠同時滿足預測突出率低于30%、預測突出準確率超過60%、預測威脅的準確率超過95%時，就認為此指標為該煤層突出預測的敏感指標[2]；王佑安等提出了根據預測數據計算預測突出率、預測突出準確率及預測不突出準確率來確定敏感指標的方法，即“三率法”[3]；“四率法”是在“三率法”的基礎上改進而來，增加了能夠反映突出漏報率的預測準確率；周松元運用專家統計法定量分析預測數據，并根據分析結果與突出危險的關系確定敏感指標[4]；孫東玲運用方差分析法結合噴孔率，分析突出預測指標的敏感度[5]；彭榮富利用灰色關聯分析法分析不同指標與突出的關聯性來確定敏感指標[6]；李成武等在焦作、北漂等地試驗了基于模糊理論確定預測指標臨界值的有效性[7]；王世超等建立了基于模糊數學和多元統計的預測指標敏感度函數數學模型[8]；趙濤濤、張兆一采用了模糊聚類分析方法確定敏感指標[9-10]；楊宏民等提出了基于“三率法”和模糊聚類分析法確定敏感指標的方法[11]；史廣山利用主成分分析和指標的離散性對回采工作面預測指標的敏感性進行了分析[12]；張嘉勇等通過離散回歸理論分析，將瓦斯涌出量特征值作為預警指標[13]。

傳統指標敏感性確定方法的應用，必須擁有大量突出和非突出的基礎數據，否則，無法實施。然而，在突出煤層中，一般認為，真正具有突出危險的區域僅占10%，并且，《煤礦安全規程》和《防治煤與瓦斯突出細則》(2019)均要求“不掘突出頭、不采突出面”，即在開展工作面局部突出預測之前，已經采取了區域綜合防突措施，突出危險性已經基本消除。因此，在井下的局部突出預測中，動力現象很少，甚至幾乎沒有，這正是傳統方法在新的歷史時代所面臨的最大局限。

隨著采掘工作的延伸，很多高瓦斯礦井(甚至包括低瓦斯礦井)都將升級為突出礦井；升級為突出礦井后，就必須優選出突出預測敏感指標。然而，傳統方法在新時代又存在明顯的局限性，急需探索出新的突出預測敏感指標確定方法。

2 突出預測敏感指標確定新方法探索

2.1 探索方案設計

我國是世界上煤與瓦斯突出災害發生最為嚴重的國家，突出礦井主要分布在全國17個省、自治區和直轄市[14]；截至2010年底, 我國已累計發生煤與瓦斯突出20 000余次[15]。很多學者采用傳統敏感指標確定方法，并結合煤與瓦斯突出記錄資料和現場突出預測實踐所掌握的信息，為很多礦井確定了突出預測敏感指標。

對已經確定了突出預測敏感指標的礦井(或煤層)進行調研、統計和分析，并最終得出各預測指標所適用的地質條件，該指標即為該地質條件下的敏感指標，簡稱統計分析法。調研對象為已經確定了突出預測敏感指標的礦井(或煤層)，調研方式包括通訊咨詢、現場考察和網絡搜索等，調研內容主要包括突出預測敏感指標的選用情況及地質條件(主要包括地應力、瓦斯壓力、煤體強度、瓦斯放散初速度及煤的構造種類等)。

2.2 探索方案實施

根據設計的探索方案，調研共獲取了100多份樣本；對于信息不完整的樣本(比如只有敏感指標信息，而缺少煤層特點方面的資料)，直接刪除；對于從不同渠道獲取的同類信息(比如從不同期刊獲取的同一煤層突出資料信息)，進行合并。經整理、合并及刪減后，樣本信息比較完整、可靠的有59個，部分(26個)樣本信息如表1所示。

表1 部分(26個)樣本信息

由表1可知，鉆孔瓦斯涌出初速度q在河南得到廣泛使用，將鉆孔瓦斯涌出初速度q列為突出預測敏感指標的區域，有一個共同的特點是屬于典型的突出煤層(f值低、ΔP高和Ⅳ、Ⅴ類煤)，因此，對于典型的突出煤層，建議選擇q為敏感指標。將瓦斯解吸指標Δh2和K1作為敏感指標的應用非常廣泛，除了典型的突出煤層區域和高應力區域(采深大、構造復雜)，一般都是優先選用瓦斯解吸指標Δh2和K1作為敏感指標，并且，選擇二者的區域一般瓦斯濃度都比較高，因此，對于以瓦斯為主導的突出，建議選擇Δh2、K1指標為敏感指標。除了局部區域外，幾乎所有的調研對象都將鉆屑量S作為敏感指標，特別是在采深大、構造復雜的區域，該指標的地位更加重要，因此，對于以應力為主導的突出，建議選擇鉆屑量S為敏感指標。

2.3 新方法的應用

根據上述分析結果可知，q適用于典型的突出煤層，Δh2和K1適用于以瓦斯為主導的突出煤層，S適用于以應力為主導的突出煤層。各突出預測指標的適用性如表2所示。

表2 各突出預測指標的適用性

在應用統計分析法確定突出預測敏感指標時，首先，應摸清煤層的地質條件，并分析其煤與瓦斯突出控制性因素；然后，根據表2的對應關系，確定1～2個指標為其突出預測敏感指標；最后，在突出預測實踐中，進行檢驗。

3 工程應用

3.1 開灤礦區瓦斯動力災害控制性因素分析

在開灤礦區，共有3個突出礦井，分別是馬家溝礦、趙各莊礦和錢家營礦。本研究共收集了開灤礦區47次煤與瓦斯突出的記錄卡片，記錄的信息包括每次突出發生的條件(包括采深、采掘作業類型、煤層厚度、傾角、煤體硬度、頂底板巖性、動力災害發生時的相對瓦斯涌出量、鄰近層開采情況和地質條件)及動力災害的強度(拋出煤量和瓦斯涌出量)。

有些條件(采深、煤層厚度、傾角、動力災害發生時的相對瓦斯涌出量)是定量的，有些條件(采掘作業類型、煤體硬度、頂底板巖性、鄰近層開采情況和地質構造)是定性的。在采用數學方法分析其權重時，需要將定性的條件量化。另外，瓦斯動力災害結果包括拋出煤量和瓦斯涌出量，這兩個方面需要聯合起來，形成一個評價瓦斯動力災害后果的指標。

由于突出地點全部發生在掘進過程中，作業類型包括石門揭煤、上山掘進和平巷掘進，將發生事故的采掘作業類型量化為1，其余兩個為0；將松軟煤層量化為1，中硬煤層量化為0；巖性包括頁巖、中粒砂巖、細砂巖和粉砂巖4種，將相應的量化為1，其余為0；鄰近層開采情況包括停采位置、不可采、未開采和已采4種，同樣，將相應的量化為1，其余為0；地質條件比較復雜，但是，主要為地質構造和煤層重疊，有就量化為1，否則為0；拋出煤量比瓦斯涌出量要小約2個數量級，因此，將瓦斯動力災害嚴重程度量化為拋出煤量和瓦斯涌出量的1%之和。

在量化處理后，根據神經網絡預測法，編制好相應的計算程序；輸入量化處理后的數據，并運行程序，即可得出各影響因素與瓦斯動力災害結果之間的相關性。計算結果越接近于1，表明其相對應的自變量與因變量的相關關系越顯著，即該因素對瓦斯動力災害的影響權重越大。

運行計算結果顯示，與瓦斯動力災害的相關性最緊密的前5位因素是：煤厚、粉砂巖、石門、地質構造、煤層重疊；在這5個因素中，石門和粉砂巖均對煤體有較好的封閉作用，有效阻礙煤體瓦斯釋放，煤厚異常和煤層重疊也是地質構造運動影響的結果。因此，在開灤礦區，對煤與瓦斯突出起控制性作用的因素主要為地質構造所產生的高應力，其次是高壓瓦斯。

3.2 開灤礦區煤與瓦斯突出預測敏感指標優選

根據各突出預測指標適用性，并結合開灤礦區的瓦斯動力災害控制性因素，在開灤礦區煤與瓦斯突出預測指標應首選鉆屑量S，次選瓦斯解吸指標Δh2和K1。

《河北省煤礦瓦斯綜合治理辦法》第四十七條要求，工作面突出危險性預測和工作面防突措施效果檢驗應至少采用1種具備儲存、顯示功能的儀器，設備內儲存的數據保持2 d以上。目前，市場上的常規突出預測指標(q、Δh2、K1和S)測定儀器，具備該功能并且應用比較成熟的，只有用于測定K1的WTC瓦斯突出參數儀。

因此，考慮到《河北省煤礦瓦斯綜合治理辦法》第四十七條對突出預測儀器在儲存、顯示功能方面的要求，開灤礦區的突出預測指標選定為S和K1。

3.3 開灤礦區煤與瓦斯突出預測工程實踐

在開灤礦區錢家營礦5煤層的1355、1356和1358等3個工作面，應用初選的煤與瓦斯突出預測指標S和K1，開展現場突出預測試驗，預測結果見圖1。

(a)1355回風邊眼

(b)1356回風巷

(c)1358回風巷

(d)1358運輸巷

在突出預測和隨后的掘進過程中，均沒有任何動力現象，沒有突出危險。由圖1可以看出，K1最高值為0.21 mL/(g·min1/2)，只有臨界值的42.0%，S最高值為5.5 kg/m，為臨界值的91.7%，均未超標，因此，突出預測指標測試數據反映的突出危險性與實際相吻合。在測試地點，瓦斯起主導作用的K1較小，地應力起主導作用的S相對較高；這與尚未考慮測試儀器要求時的預測指標優選結果“在開灤礦區，煤與瓦斯突出預測指標應首選鉆屑量S，次選瓦斯解吸指標Δh2和K1”是一致的。因此，從現場工程實踐來看，將S和K1定為開灤礦區突出預測敏感指標，是合適的。

4 結語

1)煤與瓦斯突出預測傳統指標敏感性確定方法存在較大局限性，面對市場需求，急需探索出新的突出預測敏感指標確定方法。

2)提出了用于確定突出預測敏感指標的統計分析法，找出了各預測指標適應的地質條件；q適用于典型的突出煤層，Δh2和K1適用于以瓦斯為主導的突出煤層，S適用于以應力為主導的突出煤層。

3)在開灤礦區，對煤與瓦斯突出起控制性作用的因素主要為高應力，其次是高壓瓦斯；結合《河北省煤礦瓦斯綜合治理辦法》第四十七條的要求，選定其突出預測敏感指標為S和K1。