低指标突出问题在突出危险性预测中的分析①

崔树江 许建斌 王吉生

(山西潞安集团余吾煤业有限责任公司,山西长治 046100)

低指标突出问题在突出危险性预测中的分析①

崔树江②许建斌 王吉生

(山西潞安集团余吾煤业有限责任公司,山西长治 046100)

针对矿井“低指标突出”频发的现象,从预测指标的选择和临界值的确定两个方面进行分析,建立数学模型,确定敏感指标和临界值。为不同条件下突出矿井的敏感指标选择和临界值的确定提供一种较为简便的方法。

低指标突出;预测指标;指标函数;临界值

0 引言

我国是世界上煤与瓦斯突出最为严重的国家之一,有关统计表明:我国的煤与瓦斯突出次数占到世界煤与瓦斯突出总数的 37%以上[1]。每年的煤与瓦斯瓦斯突出事故给我国造成巨大的经济损失和人员伤亡。其中“低指标突出现象”就是长期以来一直困扰着煤矿安全工作者的一个难题。

所谓“低指标突出”就是在工作面进行突出危险性预测或防突措施效果检验后,测定的指标值没有超过指标的临界值、预报为没有突出危险性,采掘过程中却发生了煤与瓦斯突出的现象[2]。随着我国煤矿开采深度的不断加深,矿井的突出危险性也逐渐增大,对突出危险性预测的要求也越来越高。

1 煤层突出危险性预测指标

为保证安全生产,我国在防治煤与瓦斯突出方面建立了严格的管理措施,其中最主要的两个环节是突出危险性预测和防突效措施果检验。但是由于现阶段还没有完全掌握煤与瓦斯突出机理,不能够很好的从根本上对预防煤与瓦斯突出,所以在开采一个煤层前能否准确的预测该煤层的突出危险性是井下煤与瓦斯突出的一个重要环节。

1.1 突出危险性的主要预测指标

在我国,使用的煤与瓦斯突出预测指标主要有:钻屑瓦斯解吸指标K1(△h2)、钻孔瓦斯涌出初速度指标q、钻屑量指标S,另外还有由单项指标组合而成的综合指标R。其它证实有效的方法主要有:钻屑温度、煤体温度、放炮后瓦斯涌出量等,但真正能够在各个矿上进行通用的指标还不存在。

对于突出危险性预测,《防突细则》中规定:预测煤层突出危险性的指标可用煤的破坏类型、瓦斯放散初速度指标 (△p)、煤的坚固性系数 (f)和煤层瓦斯压力 (p),其判断煤层突出危险性的临界值,应根据矿井的实测资料确定,如无实测资料时,可参考国家提供数据划分,只有全部指标达到或超过其临界值时方可划为突出煤层。而实际生产中,绝大多数矿井都是直接采用国家推荐的临界值进行预测,并没有结合自身矿井的实际情况确定临界值。这是造成矿井低指标突出的主要因素。造成预测指标的敏感性或临界值不符合矿井实际。如果选用的突出预测指标在矿井或煤层不敏感,则会产生大量“低指标突出现象”,另一方面,如果指标是敏感的,但临界值定的过高,也会产生“低指标突出现象”。

根据实际情况的不同,预测指标的选择必须能够反映出煤与瓦斯突出过程中的地应力因素、瓦斯作用因素和矿山压力三因素的作用效果。

1.2 敏感指标的选择方法

突出预测敏感指标是指针对某一煤层进行突出危险性预测时,在目前技术水平条件下能够较为明显地区分突出危险和非突出危险的指标能灵敏地反映煤层突出危险性大小的指标,也即当突出危险性变化时,敏感指标在数值上也应有明显的变化[3][4]。理想的预测指标应是能够完全反映引发突出的地应力、瓦斯及煤的物理力学性质这三个因素。而现实中常用的指标只能够简介或者部分反映着三个突出预测因素。对于不同的矿井,甚至于不同的煤层,突出的主导因素有所不同,这三种因素所占到的权重也不同,所以有时针对某一矿井,一个指标并不能较好的反映出整个矿井的突出情况,需要对多个指标同时分析,建立多源的敏感指标分析体系。

判断一种指标是否敏感,应该主要考虑两个方面的因素:一是指标值的大小能否随着突出危险性的大小明显变化;二是影响指标大小的突出危险因素是否大于测定误差等外部条件和人为因素[5]。

对于突出预测指标的选择,国外缺少相应的研究内容,目前国内一些专家对敏感指标进行了讨论,指出“在保证不漏报突出的前提下,预测突出率达到 30%以下、预测突出的淮确率超过60%、预测威胁的淮确率在 95%以上时,即可认为该项指标及界限就是该煤层预测突出危险性的敏感指标及临界值”;也有专家提出了根据突出预测数据确定敏感指标 (即根据突出预测率、预测突出准确率和预测不突出准确率来确定敏感指标)和根据防突措施效果检验数据确定敏感指标(即根据检验失效率、检验失效准确率和检验有效准确率来确定敏感指标)的方法,并提出了敏感指标的确定程序;具体的选择方法主要有专家统计法、方差分析法、模糊综合评判的方法确定突出敏感指标,其中模糊综合评判方法应用较为广泛。

1.2.1 煤与瓦斯突出预测敏感指标的无量纲化与

为了便于单位不同的各项指标进行比较,首先要将各项指标进行无纲量化[6]。

其中:Xi——原始数据;

C——原始数据的标准差。

把无纲量数据压缩到[0,1]区间内,可以选用下面的极值标准化公式进行。

经过以上变化,带有不同单位的突出预测指标都变成了在区间[0,1]内变化的无量纲量。

1.2.2 建立煤与瓦斯突出预测敏感度指标函数

将实际测得的各项指标按照第一步进行无纲量化,在进行标准化然后确立预测指标的敏感度函数。

数理统计中的“偏差”反映的是各离散指标与其对应的数学期望的偏离程度,在预测指标问题分析中反映的是各预测指标与其相应的数学期望间的离散程度。由于“偏差”有正、负之分,因此,每个指标“偏差”的平方和的平均值便能从总体上反映出该指标的离散程度。把这个描述指标定义为 D(X)[6][7],因此有

定义指标的敏感度函数为:

将不同矿井的预测指标代入上述有关公式中,分别求出M1(i),M2(i),M3(i)的大小,值越大则其对应的指标越敏感,反之则越不敏感。

2 临界值的确定

对于一个敏感指标而言,希望存在一个理想的临界值,超过该值一般会发生突出,否则就不发生突出。但是在实际情况下,突出危险性是一个概率的概念,一般随着指标测定值的增高,发生突出的概率会增大。所以理想的临界值并不存在,实际存在的是一个临界范围。当测定值小于此范围时没有突出危险,高于时大多都会发生突出,而在范围内时,可能发生突出,也可能不发生突出。为了便于生产管理,需要在此范围内确定一个合理的临界点,这样既能保障生产安全,有尽可能的解放生产力,提高采掘进度。矿井的预测突出危险率 (在临界值以下发生突出的概率)根据煤层危险程度的不同会有所不同,一般矿井可控制在20%～30%[5]。

根据煤与瓦斯突出过程中起主导作用的三因素:自重应力、瓦斯压力和构造应力。结合每个煤矿的实际情况,选择可以较好的反映这三个因素的敏感指标。建立突出临界值确定函数:

其中:D表示突出危险性;

x,y,z分别表示待确定临界值的各项指标。

在此明确规定:突出危险性D≥0,D越小,表示突出危险性越小,D=0表示无突出危险到有突出危险的过渡值,可以求解D=0时的x,y,z值,即临界值。

如:在某矿x表示开采深度 (m),y表示煤层坚固性系数,z表示煤层瓦斯压力 (MPa),

则可以根据现场实验数据建立适合该矿的敏感指标选择函数。求解D=0时的三个参数值,该参数值即可认为是突出临界值。

根据以上方法确定的敏感指标和临界值从理论上可以用于该矿的突出预测中,为了增加突出预测的可靠性,可以在条件允许的前提下可以同时对两到三个指标同时进行测定,为综合分析多个指标,建立更加安全的防突指标体 .

3 结论

“低指标突出现象”的危害性较大,引起低指标突出的原因很多也很复杂,对于突出矿井尤其应注意此现象。所以在开采前确定合适的临界值表和临界值具有重大的意义。

1)将突出预测指标进行无纲量化和标准化,可以更加直观的对各种不同指标进行对比,从而定量的分析不同指标的合适程度。

2)由于煤与瓦斯突出的机理现阶段还不明确,各种预测指标和临界值也只是一个相对安全的指标,真正的生产过程中需要对不同煤层甚至于同一煤层不同工作面进行预测指标的选择及临界值的确定才能尽可能的减少由于预测不准造成的危害。

3)按照多源信息处理的原则,将多个无纲量化的指标代入一个数学模型,建立临界值的确定性方程,可以根据各矿井的实际情况以及以往的经验选择较准确的临界值。

4)按照以上分析的原理及方法,对不同危险地点进行分析预测,可以一定程度上减少由于预测预报不准造成的危害。

[1]于不凡,王佑安 .煤矿瓦斯灾害防治及利用技术手册[M].北京:煤炭工业出版社,2000

[2]赵旭升 .“低指标突出现象”原因分析及防范对策[J].煤矿安全,2007(5):67-69

[3]朱庆华 .煤与瓦斯突出预测敏感指标及临界值研究[J].煤矿安全,2002(6):7-9

[4]侯朝炯,郭宏亮 .我国煤巷锚杆支护技术的发展方向[J].煤炭学报,1996(2):114-11

[5]赵旭升,董银生,等 .煤与瓦斯突出预测敏感指标及其临界值的确定方法[J].矿业安全与环保,2007(6):28-32

[6]田坤云,王兆丰,等 .大宁煤矿突出预测敏感指标及其临界值的探索[J].煤矿安全,2006(9):51-52

[7]孙贤斌,孙东玲 .突出预测指标 K和f值确定临界值试验研究[J].矿业安全与环保,2008(8):23-36

Analysis of low-index outburst in the process of outburst harzard prediction

CU I Shujiang,TIAN Yanbin,HAO Jun

(Lu’anMining Industry Group Co.,Ltd Changzhi,Changzhi Shanxi 046100)

Based on low-index outburst frequently occurred in coal,this paper analyze this phenomenon from two aspects:selection of prediction index and critical value deter mination.Then establish mathematicalmodel and deter mine sensitive index and critical value.This paper provide a easiermethod for determine sensitive index and critical value in different conditions outburst coals.

low-index outburst;prediction index;index function;critical value

TD713+.2

A

1672-7169(2010)04-0030-03

2010-05-25

崔树江(1972-),男,蒙古族,内蒙古自治区赤峰市人,大学毕业,高级工程师,现任山西潞安集团余吾煤业有限责任公司副总经理。