王庄煤矿煤与瓦斯突出预测指标敏感性分析

解鹏雁

(潞安环能股份公司 王庄煤矿，山西 长治 046031)

煤与瓦斯突出是煤矿井下的一种复杂动力现象，是由瓦斯、地应力、煤的物理力学性质等因素综合作用引起的，是严重威胁煤矿安全生产的重大灾害之一。理论与工程实践表明，煤层中煤与瓦斯突出呈区域性分布，一般突出煤层的部分区域(约8～20%)真正具有突出危险性。煤与瓦斯突出危险性预测是防治突出灾害的基础，选择敏感的突出预测指标能够提高突出预测的准确性，进而采取有效且经济的工程技术措施降低煤层突出危险性。突出预测指标不敏感，会导致“低指标突出、高指标不突”现象，严重威胁矿井安全高效生产，因此，选择敏感的突出预测指标对矿井瓦斯治理有着举足轻重的意义[1]。本文根据王庄煤矿3号煤层的实际特点，综合考虑常用突出预测指标的适用性和准确性，在选取突出预测指标的基础上，采用三率法并结合实验室实验和现场实测数据，分析适用于王庄煤矿3号煤层的瓦斯突出预测敏感指标。

1 突出预测指标选取

国内多数高瓦斯和突出矿井均是采用钻屑量、钻屑瓦斯解吸指标、钻孔瓦斯涌出初速度或者其中的一种或者两种指标来预测煤层是否有突出危险性。钻屑量指标S是指钻孔钻进不同深度排出的煤粉量，由钻孔实体煤粉、动态钻屑量(弹性卸载、煤体扩容)组成，其大小能够综合反映煤层前方地应力变化情况，该指标测定方法简单易行，广泛应用于高瓦斯和突出矿井的煤与瓦斯突出预测工作。钻屑瓦斯解吸指标Δh2是一定质量、粒度的煤样在暴露3 min后向固定空间释放瓦斯造成的压差变化值，表示煤样在第3 min至第5 min的瓦斯放散量。钻屑瓦斯解吸指标K1是指一定质量、粒度煤样自脱落煤层暴露在大气中的总瓦斯解吸量(1 min之内)。钻屑瓦斯解吸指标值能够综合反映煤层的瓦斯解吸能力、瓦斯压力和煤的物理力学性质，对预测突出敏感性较强，指标测试方法成熟和有专用便携式设备，应用较广。钻孔瓦斯涌出初速度q是煤孔封孔后一定空间(测量室0.5 m)的煤体2 min内的瓦斯涌出量，其值能够综合反映煤层的透气性、瓦斯解吸速度和解吸量，由于需要专用封孔器封孔，测试手段相对复杂，实际应用范围受限。不同矿井的煤层地质条件(埋深、厚度、构造、围岩等)差异较大，不能采用统一指标预测所有矿井的突出危险性。根据王庄煤矿3号煤层实际，考虑日常的防突工作实施及指标测定的快捷性等因素，初步选择钻屑量S、钻屑瓦斯解吸指标Δh2和K1进行现场跟踪测试，并分析其突出危险性预测敏感性。

2 突出预测指标敏感性分析方法

突出预测指标敏感性分析方法有三率法[2]、主成分分析法[3]、灰色关联分析法[4]、模糊聚类分析法等[5]，其中三率法应用最为广泛。三率法是根据现场煤巷掘进跟踪测试的突出预测参数大小，结合突出预测指标的临界值和钻孔钻进过程中的动力现象等，通过计算预测突出率、预测准确率、预测不突出准确率，综合判定突出预测指标的敏感性。王庄矿3号煤工作面突出危险性预测敏感指标采用三率法结合现场跟踪测定的钻屑量、钻屑瓦斯解吸指标测值综合确定，各突出指标的预测准确率和预测不突出准确率越大，说明突出预测指标越敏感。

1) 预测突出率是指煤与瓦斯突出预测指标超限次数与总预测次数的比值。预测突出率越大，反映预测过程中突出预测指标超限次数越多，依据突出预测准确率，可进一步确定突出危险性的范围，预测突出率可采用下式计算。

η1=100nt/N

(1)

式中：η1为预测突出率，%；nt为预测有突出危险次数，次；N为预测总次数。

2) 预测突出准确率是指煤与瓦斯突出预测指标超限次数与实际发生突出次数的比值。实测中依据实际发生的突出、预测指标超标较大、在施工防突排放钻孔过程中有动力现象等判定，预测突出准确率越高越好，但在目前技术条件下，预测突出准确率超过60%即可，可采用下式计算。

η2=100nk/nt

(2)

式中：η2为预测突出准确率，%；nk为预测有突出危险次数中真正有突出危险的次数，次。

3) 预测不突出准确率是指煤与瓦斯突出预测指标不超限次数与预测中无突出危险次数的比值。预测不突出准确率越高越好，能够减小不必要的防突工程量，其值达到95%以上即可，可采用下式计算。

η3=100na/nb

(3)

式中：η3为预测不突出准确率，%；na为预测无突出危险次数中确实无突出危险的次数，次；nb为预测无突出危险次数，次。

3 突出预测指标敏感性现场考察

现场跟踪考察王庄煤矿9102风巷、91205运巷掘进期间的突出预测参数(共考察95组)，预测指标临界值依据《防治煤与瓦斯突出规定》确定，测定了预测孔钻进过程中的钻屑量S、钻屑解吸指标Δh2和K1，同时记录了煤巷掘进过程中煤层地质构造、产状变化及钻孔钻进过程中喷孔、夹钻、顶钻、片帮、瓦斯异常、响煤炮等瓦斯动力现象。根据现场实测的95组突出预测数据，共有10次预测指标超限，其中钻屑量指标S值超限1次、煤钻屑瓦斯解吸指标Δh2超限4次、K1超限5次，在预测与效果检验过程中有6次动力现象。突出预测指标考察结果统计如表1所示。

表1 突出预测指标考察结果汇总

采用三率法对突出预测数据分析结果见表2。从表2中可以看出，单项指标预测突出率分别为：钻屑量指标S为1.05%，煤钻屑瓦斯解吸指标Δh2为4.21%、K1为5.26%；预测突出准确率钻屑量指标S值为0，煤钻屑瓦斯解吸指标Δh2为50%，K1为80%；预测不突出准确率钻屑量指标S值为94.7%，煤钻屑瓦斯解吸指标Δh2为97.8%，K1为98.9%。由三率法分析结果可知，对于王庄煤矿3号煤层，钻屑瓦斯解吸指标K1的预测准确率和预测不突出准确率均较大，其突出预测敏感性最强，钻屑瓦斯解吸Δh2敏感性次之，钻屑量指标S的敏感性最弱。

表2 三率法分析计算结果汇总

依据现场测试数据，跟踪考察K1值超标或接近超标的次数中，基本都发生了压钻、卡钻、喷孔等轻微的动力现象，而钻屑量S、Δh2预测结果与现场动力现象不符，结合上述综合说明煤钻屑瓦斯解吸指标K1比煤钻屑瓦斯解吸Δh2、钻屑量S的敏感度大，可选定K1作为王庄煤矿3号煤层突出预测敏感指标[6，7]。

4 结 语

在分析常用煤与瓦斯突出预测指标的基础上，依据三率法，分析王庄煤矿煤巷掘进期间实测的瓦斯突出预测参数，得出钻屑瓦斯解吸指标K1值为3号煤层的突出预测敏感指标，并用于指导矿井的日常突出危险性预测工作，能够为矿井防突工作提供科学依据。