赤峪煤礦煤層突出危險性預測敏感指標的確定

張逸龍，吳 彥，方書昊，廖 奇，楊印朝，朱紅青

(1.中國礦業大學(北京) 應急管理與安全工程學院，北京 100083；2.開灤(集團)有限責任公司, 河北 唐山 063020)

在工作面推進過程中，其前方煤體處于采前增壓—卸壓—恢復階段，且隨著工作面持續推進該現象重復出現[1]，煤巖體內部孔隙結構及滲流狀態都會發生改變，容易造成瓦斯的不均衡涌出，從而引發瓦斯事故，因此研究煤層突出敏感性指標至關重要[2-3]。目前，世界各國煤礦所采用的瓦斯預測方法已超過100多種[4-8]，其中，在我國主要是以鉆屑瓦斯解吸指標(Δh2和K1)、鉆屑量指標(S)、鉆孔瓦斯涌出初速度指標(q)等[9-11]作為煤與瓦斯突出預測指標。楊明軍[12]采用“三率法”對煤層掘進考察區的突出預測敏感指標及其臨界值進行了研究；張書金等[13]利用“三率法”和突出危險性相關性分析2種方法，對貴州突出礦區預測預報敏感性指標進行了研究；雷紅艷[14]建立了鉆屑瓦斯解吸指標K1與ΔP的量化關系以快速確定鉆屑瓦斯解吸指標K1臨界值?！岸笜恕敝傅氖倾@屑瓦斯解吸指標(Δh2)及鉆屑量指標(S)，“二指標”對于煤與瓦斯突出預測及防治起到了關鍵性的作用[15]?；疑到y理論主要基于對灰色理論中的各因素間的影響進行分析，包括系統行為分析和系統因素分析[16-18]。

由于各個礦區地質條件及煤層性質差異，不同突出礦井預測的敏感性指標亦不同，需要對同一區域危險性進行相關研究，并確定其臨界值[19]。基于此，以赤峪煤礦2號煤層為研究對象，通過灰色關聯分析法對“二指標”(S和Δh2)進行預測，以期確定哪個指標的敏感性更強。同時，結合“三率”法對工作面突出預測及效果檢驗的實測數據進行分析論證，以確定煤層突出預測敏感指標臨界值。

1 突出預測指標敏感性灰色關聯模型構建

1.1 試驗地點概況

赤峪煤礦為突出礦井，2號煤層平均厚度1.8 m，平均傾角7°，最大瓦斯壓力為2.66 MPa，最大原始瓦斯含量為11.29 m3/t。C1203運輸巷、回風巷掘進工作面每掘進5 m進行一次區域驗證，每個循環保留不小于2 m的超前距。鉆孔在掘進工作面上下兩層，各布置3個直徑42 mm、深度8 m的鉆孔。中間鉆孔沿巷道掘進方向，兩邊鉆孔在兩側向外施工?；夭晒ぷ髅鎱^域驗證在沿其推進的方向上每隔15 m間距位置施工一個直徑42 mm、深度10 m的鉆孔。

1.2 模型構建

將S和Δh2作為映射量指標，建立表征突出風險大小的系統映射函數如下：

E1(i)=f(X)

(1)

(2)

式中：X為由Xj(i)組成的階矩陣；f(X)為映射量函數；Xj(i)為第i次預測的j指標實際測值；i為測定數據組序號，i=1，2，…，n；n為指標數據組數；j為指標數據序列號，j=1，2，…，m；m為指標體系采用的指標容量，取2。

經過量綱變換后的系統映射量為：

E2(i)=f(X′)

(3)

灰色關聯函數pj(i)的計算公式如下[20]：

(4)

式中：pj(i)為第i時刻指標序列Xj與參考序列X0的相對差值，即Xj對X0在i時刻的關聯系數；K為分辨系數，由于系統中各指標的平等性，取0.5；X0(i)為參考序列，即建立的系統映射量。

各指標與突出危險性的關聯度表示如下：

(5)

2 突出預測指標敏感性數值計算

記錄是否出現卡鉆及瓦斯異常等動力現象，測試了C1203工作面運輸巷的“二指標”數據，每個指標各131組數據。鉆屑量Smax和Δh2max曲線見圖1。

圖1 鉆屑量Smax和Δh2max曲線

由圖1可知，S的最大值普遍大于4 kg/m，表明C1203工作面巷道在掘進過程中，煤層受地應力影響較大。Δh2在前期小于100 Pa，之后Δh2首次超過200 Pa且振動幅度變大，表明巷道掘進進入了瓦斯含量大且壓力高的區域，發生突出的可能性也在逐漸增高。

將圖1各指標進行無量綱化處理，結果見圖2(a)和(b)。

圖2 無量綱化指標數據

由圖2(a)和(b)可以看出，S和Δh2的曲線變化大體同步，例如出現典型瓦斯動力現象時2條曲線均明顯升高。

設灰色關聯分析模型參考序列為X0，基于相對優化原則，選取各指標中最優值作為灰色關聯分析參考值，見圖2(c)。

將“二指標”數據代入式(4)和(5)，計算得到相對差值，求得S、Δh2與突出危險性之間的灰色關聯度分別為：P(S)=0.909，P(Δh2)=0.896，鉆屑量S與突出危險性的灰色關聯度更高，敏感度關系為S>Δh2。

3 突出預測敏感指標臨界值

3.1 鉆屑量指標臨界值

分析現場測試得到的131組數據(見圖1)，結合S的參考臨界值，得出：鉆屑量S單項指標超限72次，其中出現煤炮、頂鉆等異常現象26次；未超限59次，其中出現煤炮、頂鉆等異常現象4次。對S的參考臨界值為6 kg/m的情況進行“三率”法分析，計算得到預測突出率為54.96%，預測突出準確率為36.11%，預測不突出準確率為91.53%，可見預測突出率偏高，預測突出準確率偏低，盡管保障了掘進工作面的安全，但需要進行瓦斯治理的施工面積較大，增加了防突措施工程量。

選取8個待定臨界值分別計算相對應的預測突出率、預測突出準確率和預測不突出準確率，結果見表1。

表1 C1203工作面S臨界值“三率”法分析

由表1可見，鉆屑量S在7.2～8.0 kg/m內預測突出率均為19.08%，預測突出準確率為88.00%，預測不突出準確率91.51%。由于131組突出危險性預測數據中的最大S值均不在7.2～8.0 kg/m內，需要對S的臨界值作進一步分析。

選取C1204回風巷掘進工作面突出危險性預測的121組數據對鉆屑量指標S的臨界值范圍進行分析。根據S臨界值范圍，S值單項指標超限61次，其中發生煤炮、夾鉆、噴孔等瓦斯動力現象共25次。

選取5個待定臨界值分別計算“三率”，結果見表2。

表2 C1204工作面S臨界值“三率”法分析

由表2可知，當S的臨界值取7.2、7.4 kg/m時，預測不突出準確率(均高于95%)明顯高于S的臨界值在7.6～8.0 kg/m內的準確率，同時S的臨界值取7.2 kg/m時，預測突出率上升，預測突出準確率反而有所降低。因此S的臨界值取7.4 kg/m較為合適。

3.2 鉆屑瓦斯解吸指標Δh2臨界值

根據現場測試得到的131組數據(見圖1)，以及Δh2參考臨界值，可發現Δh2出現異?，F象16次；未超限108次，其中異常現象15次。選取8個待定臨界值，分別計算“三率”，結果見表3。

表3 C1203工作面Δh2臨界值“三率”法分析

由表3可見，當Δh2臨界值取200 Pa時，預測突出率為17.56%，預測突出準確率為69.57%，預測不突出準確率為86.11%。從整體上看，當Δh2臨界值低于180 Pa時，預測突出準確率低于60%，預測突出率卻高于30%，需要進行瓦斯治理的施工面積較大，增加防突措施工程量。當Δh2臨界值高于200 Pa時，預測突出率降低，但預測突出準確率和預測不突出準確率也會隨之下降，導致不安全。當Δh2取值為180 Pa時，“三率”與200 Pa時的最為接近，但效果仍不如200 Pa時的結果。綜上所述，為保障礦井安全，鉆屑瓦斯解吸指標Δh2臨界值取200 Pa較為合理。

3.3 “二指標”突出預測臨界值

對2個突出預測指標同時進行“三率”法分析，當S=7.4 kg/m，Δh2=200 Pa時，對突出預測數據進行“三率”法分析，結果見表4。

表4 C1203工作面S和Δh2臨界值“三率”法分析

由表4可見，當采用2個敏感指標同時預測時，預測不突出準確率達到了100%，同時預測突出率為31.30%，預測突出準確率達到75.61%。選取2個指標同時開展預測，并沒有新增防突措施，實現了經濟效益最大化。

3.4 煤層突出預測敏感指標臨界值

通過灰色關聯分析，得出S的敏感性要略好。而使用“二指標”同時進行突出預測檢測出的具有實際突出危險的31次中，S貢獻次數為25次，占比80.65%；Δh2貢獻次數為23次，占比74.19%；其中，“二指標”同時預測有突出風險的次數為7次，分別僅占S與Δh2單獨預測具有突出危險的次數比重為28.00%和30.43%。因此，盡管S值相比于Δh2對突出的敏感性更好，但Δh2仍然具有不可替代性。此外，在圖2中，“二指標”曲線的變化趨勢基本一致，但其中一項指標(Δh2)超出臨界值時，而另一指標(S)達到峰值卻并未超出臨界值的情況較為常見，說明“二指標”在2號煤層的突出預測中均不可或缺。

綜上所述，鉆屑量S和鉆屑瓦斯解吸指標Δh2應同時作為2號煤層突出預測敏感指標，臨界值分別取7.4 kg/m 和200 Pa。

4 現場工程應用

2號煤層的各個工作面在掘進和回采期間均按照突出煤層進行管理，其預測數據見表5。

表5 瓦斯參數測定結果

各個指標的臨界值分別為壓力小于0.74 MPa、瓦斯含量小于8 m3/t、Smax小于7.4 kg/m、Δh2小于200 Pa。由表5可見，幾個測試地點均沒有發生效果檢驗指標超標情況，瓦斯含量最大為6.89 m3/t，且在開切眼處，表明選擇該類指標是合理的。

5 結論

1)鉆屑量S和鉆屑瓦斯解吸指標Δh2應同時作為赤峪煤礦2號煤層突出預測敏感指標。通過灰色關聯度建模分析，計算敏感指標與突出危險之間的關聯度，得到灰色關聯度結果P(S)=0.909>P(Δh2)=0.896，表明鉆屑量S作為預測指標的敏感度更高。

2)對C1203、C1204工作面突出預測數據進行“三率”法分析，當Δh2為200 Pa時，預測突出率為17.56%，預測突出準確率為69.57%，預測不突出準確率為86.11%；當S為7.4 kg/m時，預測突出率39.67%，預測突出準確率50%，預測不突出準確率為98.63%。對2個指標同時進行“三率”法分析，預測突出率為31.30%，預測突出準確率為75.61%，預測不突出準確率達到100%。確定S和Δh2臨界值分別為7.4 kg/m和200 Pa。

3)通過對2號煤層各個工作面的S和Δh2的效果檢驗，證明了其臨界值的合理性。隨著開采深度的增加，區域效果檢驗指標(S、Δh2)在現場生產過程中需要反復檢驗，以保證礦井生產的有序進行。