屯兰矿工作面瓦斯突出预测敏感指标的研究

杨晓红

(西山煤电集团公司 屯兰矿,　山西　古交　030200)



·试验研究·

屯兰矿工作面瓦斯突出预测敏感指标的研究

杨晓红

(西山煤电集团公司 屯兰矿,山西古交030200)

摘要在对屯兰矿现采掘的2#、4#、8#、9#煤层区域瓦斯突出敏感指标考证的基础上，分析选择了适合屯兰矿实际的瓦斯突出危险性预测方法，并且通过实验室试验和现场跟踪测定相结合的办法，对工作面钻屑解吸指标K1、△h2和钻屑量指标S，从定量与定性两个方面分析比较其可靠性，利用数学统计的方法探讨三者的相对敏感性，研究确定了屯兰矿不同地质单元工作面的瓦斯突出预测的敏感指标体系和临界值。

关键词区域瓦斯突出；实验室试验；现场实测；钻屑解吸指标；钻屑量；敏感性；临界值

煤与瓦斯突出属煤矿重大自然灾害之一，对煤矿安全构成极大威胁，必须采取有效的手段进行治理。突出预测作为防治突出的第一环节，其准确性直接关系着矿井安全生产和突出煤层采掘作业的效率，同时影响防突工程量大小，与矿井的社会效益和经济效益有着重要联系。目前，我国研究局部突出危险性预测主要使用钻屑瓦斯解吸指标K1、△h2，钻屑量指标S值等指标进行工作面突出危险性预测。但是上述指标在井田面积较大、地质条件多变的矿井中的不同区域，敏感程度不同，不加分析地采用《防治煤与瓦斯突出规定》的预测指标是不科学的，在实际工作中甚至有时出现所谓“低指标突出，高指标不突”的现象。为此，每座煤与瓦斯突出矿井都应结合矿区煤层及瓦斯地质实际情况，开展其突出预测敏感指标及其临界值的考察确定研究工作，建立矿井突出危险性预测指标体系。

屯兰矿是山西焦煤西山煤电集团公司的主力生产矿井，2012年升级为煤与瓦斯突出矿井，其现采掘的2#、4#、8#和9#煤层均为煤与瓦斯突出煤层，且曾经发生过打钻喷孔、瓦斯异常涌出等动力现象。因此，考察确定屯兰矿工作面突出预测敏感指标及其临界值，对于其防治煤与瓦斯突出工作具有重要的现实指导意义。

1屯兰矿工作面突出危险性预测方法的选择

1.1区域煤与瓦斯突出敏感指标考证

屯兰矿现采掘的2#、4#、8#和9#煤层均为煤与瓦斯突出煤层，现场测定及实验室研究发现：2#、9#煤层瓦斯压力为0.74 MPa时原始瓦斯含量接近8 m3/t, 8#煤层瓦斯压力为0.74 MPa时原始瓦斯含量明显大于8 m3/t，4#煤层瓦斯压力为0.74 MPa时原始瓦斯含量明显小于8 m3/t.对各煤层始突压力理论分析结果：2#煤层Pmin=1.04 MPa、4#煤层Pmin=1.14 MPa、8#煤层Pmin=0.92 MPa、9#煤层Pmin=0.99 MPa.其最小始突压力为0.92 MPa，结果大于《防治煤与瓦斯突出规定》的0.74 MPa.鉴于煤与瓦斯突出敏感指标需要在矿井长期现场实际工作中反复比对检验，为安全起见，认为屯兰矿2#、4#煤层应将0.74 MPa作为临界瓦斯压力，8#、9#煤层应将8 m3/t作为临界瓦斯含量较为适宜，在今后的实际工作中不断考察验证。在此基础上应进一步开展工作面突出危险性预测及验证工作。

1.2工作面突出危险性预测方法的分析选择

工作面煤与瓦斯突出预测方法很多，但是较为成熟及现场常用的方法主要有钻屑指标法、复合指标法、R值指标法3种。钻屑指标有△h2、K1、S值3个指标，钻屑瓦斯解吸指标△h2测定10 g煤样自暴露于自由空间中第4 min和第5 min的瓦斯解吸量，单位Pa.而钻屑瓦斯解吸指标K1测定煤样自暴露于自由大气空间中解吸第1 min内1 g煤样的瓦斯解吸总量，单位mL/(g·min1/2).钻屑量指标S测定每米钻孔钻进过程中排出的钻屑重量，单位kg. 复合指标法主要以测定钻孔瓦斯涌出初速度q和钻屑量S为主,在实际生产过程中存在钻孔瓦斯涌出初速度的测定距离较短，变化较大，操作复杂不易掌握等缺点；R值指标法实际上是以钻屑指标为依据演变而来的。因此，选择应用最为广泛的钻屑指标法作为屯兰矿工作面突出预测方法。

2对工作面钻屑指标法的可靠性分析

2.1钻屑解吸指标△h2和K1值与瓦斯放散量关系

钻屑解吸指标△h2和K1值均反映一段时间内煤样瓦斯解吸量大小，且二者与对应时间段内瓦斯放散量存在函数关系。研究认为钻屑解吸指标K1和△h2与对应时间段内的瓦斯放散量的数值关系如式(1)和式(2)所示。

(1)

Q4-5=0.008 21Δh2/10

(2)

2.2钻屑解吸指标△h2和K1值可靠性的比较分析

对屯兰矿2、4、8、9号煤层煤样开展高压吸附放散试验，将实验室试验中(分别用WTC和MD-2)测得的△h2和K1值，按照(1)和(2)式，反算成对应放散时间段瓦斯放散量，并与解吸实验中对应时间段内实际测定的瓦斯放散量的大小进行对比分析，找出相对较可靠的指标。

试验所测K1和△h2指标进行反算第1 min放散量和吸附放散实验第1 min实际放散量进行线性拟合，结果见图1a)所示，斜率接近于1，R2=0.925 6.对各个煤层煤样实验所测△h2指标反算第4～5 min放散量和吸附放散实验第4～5 min放散量进行线性拟合，见图1b)，斜率亦接近于1，R2=0.932 5. 因此，从统计规律上可以说，实验室吸附放散试验测得的△h2和K1值具备可靠性。

图1　实测与反算瓦斯解吸量的关系图

2.3钻屑量S值指标可靠性分析

钻屑量S值指标主要反映煤层的受破坏程度，S值越大，煤层受破坏程度越高也就越松软、煤层突出危险性越大。但是S值以测定每米钻孔钻进过程中排出的钻屑重量作为衡量指标，单位kg. 打钻测量过程受打钻工艺、工作面风速影响较大。比如，钻杆失稳晃动常常会导致钻孔成孔时孔径偏大，造成钻屑量偏高。再如，掘进工作面风速较大，会吹散小颗粒的钻屑，造成钻屑量偏低。因此，钻屑量S值指标可靠性比两个钻屑解吸指标都要低。

3工作面瓦斯突出预测指标的敏感性分析

敏感指标及其临界值的确定方法一般是根据煤与突出危险性预测、防治煤与瓦斯突出措施效果检验的现场数据，结合异常涌出或动力现象，采用数学统计方法最终获得。具体数学统计方法步骤如下：

3.1标准化

突出预测指标K1、△h2和S有不同的单位，须通过标准化变换消除指标单位及其指标值数量级的差异，使不同指标处于相同的数量体系，才能进行后续的同类级的比较。指标标准化处理按照下式进行：

(3)

式中：

xi—预测指标实际值；

yi—预测指标指标值；

S—预测指标实际值的标准差。

(4)

式中：

2.2.3 量表的区分效度 研究发现，夜尿症患者的生活质量与起夜次数密切相关，即平均每晚排尿次数越多，患者的生活质量越差[10-11]。根据患者平均每晚起夜次数将其分为两组(2次和≥3次)，经检验两组基线资料均衡可比，采用两独立样本t检验对两组N-QOL各维度及总量表得分进行比较，结果见表3。

m—样本个数。

经过上式计算，带有不同单位的突出预测指标K1、△h2和S都可以转换成无量纲量。再采用最小均方差法计算指标的敏感性.

3.2敏感性量化

(5)

式中：

sj—第j个指标值的样本均方差；

n—指标个数。

sk=min{sj}

(6)

Sk值越大则其对应的指标越敏感，反之则不敏感。

在屯兰矿井下选取4个采样地点共收集了37个循环现场测定数据，通过计算得出K1、钻屑量S和△h23个指标敏感性结果分别为：S1为0.55、S2为

0.43、S3为0.24，从中可以看出在对屯兰矿各煤层进行突出危险性预测的过程中，K1的敏感性最好，钻屑量S次之，而△h2敏感性最低。

综上，确定屯兰矿突出危险性敏感指标为钻屑解吸指标K1值，钻屑量S和△h2值作为辅助预测指标。

4工作面突出敏感指标的临界值确定

针对屯兰矿井田面积较大且煤层群赋存的特点，提出依照地质单元划分研究确定矿井突出敏感指标K1临界值的方法，即首先划分地质单元，继而分别考察各地质单元内的突出预测敏感指标临界值。屯兰矿井田范围内大的地质构造通常构成盘区边界，因此，在具体考察屯兰矿敏感指标临界值时，按照盘区为1个地质单元进行确定。不同地质单元内的K1临界值见表1.

表1　不同地质单元(盘区)内的K1临界值表

经过2014年以来的安全生产实践经验验证，采用上述K1指标作为工作面局部突出危险预测临界值用于屯兰矿工作面突出危险防治工作，消灭了瓦斯突出事故，符合矿井实际。

5结论

1) 屯兰矿应将0.74 MPa作为2#、4#煤层突出临界瓦斯压力，8#、9#煤层应将8 m3/t作为临界瓦斯含量，并在今后的实际工作中不断考察验证。

2) 屯兰矿应采用钻屑解吸指标法作为工作面突出危险性预测方法，研究确定K1值作为突出危险敏感指标，钻屑量S和△h2值作为辅助预测指标。突出危险敏感指标临界值依据不同的地质单元划分确定。

参考文献

[1]陈进朝，王兆丰，杨宏民，等.K1值预测时低指标突出现象的原因分析及解决办法[J].煤矿安全，2012(06):145-147.

[2]王国际，孙文标，田坤云.中马村煤矿瓦斯突出预测敏感指标的研究[G].全国瓦斯地质学术年会论文集,北京：中国煤炭学会，2008.

[3]胡宝清.模糊理论基础[M].武汉：武汉大学出版社，2004：45-49.

[4]王福宝.概率论与数理统计[M].上海：同济大学出版社，1994：88-90.

Study on Gas Outburst Forecast Sensitivity Index in Tunlan Coal Mine Working Face

YANG Xiaohong

AbstractOn the basis of evidencing the region gas outburst sensitivity index in Tunlan coal mine No.2, No.4, No.8 and No.9 coal seams of which are mining now, analyzes and selects the forecasting methods of gas outburst fatalness that are suit to the actual situation of Tunlan coal mine. Through the methods of laboratory experiment and field measurement, analyzes and compares the reliability of drilling cuttings desorption index K1, △h2 and drilling cuttings quantity S from the extent of quantitative and qualitative. And make use of the method of mathematical statistics to discuss the relative sensitivity among the three indexes. It determines the gas outburst forecast sensitivity index system and critical value in the different geological units working face of Tunlan coal mine.

Key wordsRegion gas outburst; Laboratory test; Field measurement; Drilling cuttings desorption index; Drilling cuttings quantity; Sensitivity; Critical value

中图分类号：TD713

文献标识码：A

文章编号：1672-0652(2016)02-0031-04

作者简介：杨晓红(1971—)，男，山西襄汾人，1991年毕业于大同煤校，工程师，主要从事“一通三防”技术和现场管理工作(E-mail)surping-72@163.com

收稿日期：2016-01-19