屯兰矿2#、4#煤层区域预测突出敏感性指标研究

2020-03-30张建军郭化博

山西焦煤科技 2020年1期

张建军，郭化博

(1.西山煤电集团公司，山西太原 030024； 2.太原理工大学，山西太原 030024)

煤与瓦斯突出是威胁煤矿尤其是开采深度较大矿井安全的重要灾害之一。近年来随着矿井开采深度加大，我国成为煤与瓦斯突出事故多发国家。瓦斯突出敏感性指标是判定煤与瓦斯突出的重要判据，它是指既能保证矿井生产安全，又能在最小区域内实施防突技术措施，预测突出危险的指标[1]. 只有对煤与瓦斯突出进行精准预测，才能有利于解决煤矿安全生产问题，从而提高采掘进度，提高企业经济效益。近年来，国内外众多学者对煤与瓦斯突出预测进行了相关研究。石显鑫等[2]利用声发射技术，开发多道声发射实时监测系统及有关的软件系统来对煤与瓦斯突出进行预测；王恩元等[3]论证了用电磁辐射法预测预报煤与瓦斯突出的可行性；Zhang G等[4]通过BP神经网络来对煤与瓦斯突出进行预测；郭德勇等[5]运用层次分析-模糊综合评判法建立了煤与瓦斯突出预测模型；付华等[6]提出多层去噪自编码器(Multi-layer DAE)搭载最小二乘支持向量机(LSSVM)的瓦斯突出预测模型。上述成果目的均在于对煤与瓦斯突出进行预测，并尽可能的提高预测结果的准确性。

为了确定适合屯兰矿的区域预测突出敏感性指标及其临界值，本文对屯兰矿2#、4#煤层进行突出模拟实验，预测并判定其区域突出敏感指标临界值，并判断区域突出敏感指标敏感顺序，对防治煤与瓦斯突出工作，具有十分重要的现实指导意义。

1 矿井概况

屯兰矿是山西焦煤西山煤电集团公司下属矿井，位于太原地区古交市西南。井田内全区可采、大部分可采或局部可采煤层共8层。其中2#煤层煤厚为1.47～5.22 m,平均3.28 m，煤层结构较简单，为全井田可采的稳定煤层；4#煤层煤厚为0～3.54 m，平均1.26 m，为大部分可采的不稳定煤层。2#煤层顶板以砂质泥岩和泥岩为主，次为细粒砂岩和炭质泥岩，底板以炭质泥岩为主，次为砂质泥岩。有肥煤、焦煤、瘦煤3种，其中以焦煤为主，瘦煤次之，肥煤最少。4#煤层顶板以泥岩、炭质泥岩为主，其次为细粒砂岩，底板以砂质泥岩为主。有肥煤、焦煤、瘦煤3种，以焦煤为主，占70%. 2012年，被鉴定为煤与瓦斯突出矿井。2017年，矿井绝对瓦斯涌出量为277.74 m3/min，相对瓦斯涌出量为31.76 m3/t.

2 研究方法

2.1 技术原理

区域突出敏感预测指标主要是瓦斯压力P与瓦斯含量W，本次区域突出敏感预测指标敏感性研究通过突出模拟实验获得。其主要技术原理：先采集煤层的典型煤样(2#、4#煤层煤样)，进行突出粉碎，在突出模拟装置中压制成型，抽真空后充入瓦斯气体，吸附平衡后打开盖子，观察有无突出，并进行采样测试瓦斯含量。按照突出是否发生，结合瓦斯压力和含量确定出临界值。

2.2 突出模拟实验

1) 煤样制备。

原煤从煤矿取出并运至实验室后，进行破碎、筛分，筛下2 mm以下的煤样，加入适量的水并充分搅拌均匀。为排除水分对煤样的影响，每次压制煤样的水分应该保持一致。

2) 煤层压制。

煤层压制系统见图1. 压制的过程分为5次，每次压制的煤层厚度控制在45 mm左右，成型压力加载至预设值后应保持30 min. 压制过程中，压力机的实际试验力控制在预设值±20 kN范围内。围岩压力是按照煤层的埋深计算获得，屯兰矿的埋深约700 m，计算其应力约为18.2 MPa. 煤层压制相关系数见表1.

图1 煤层压制系统示意图

表1 煤层压制相关参数表

3) 抽真空。

煤层压制后，为缩短煤层抽真空的时间，先用钻头对两个充气孔及压力监测孔钻进煤层深度约200 mm，再对煤层抽真空12 h以上。

4) 充气及围岩压力加载。

为保证瓦斯吸附平衡，充气时间均应达到24 h以上。充气过程和围岩压力的加载过程同时进行，且围岩压力是逐渐加载至预设值。如果围岩压力在煤层吸附瓦斯的初期加载完成，则不利于瓦斯在煤层中的运移，将增加瓦斯吸附平衡的时间。一般进行3次压载，第一次加载100～400 kN；第二次加载围岩压力预设值的一半；第三次加载至围岩压力预设值。

5) 打开突出口。

为了保证煤层已充分吸附瓦斯达到平衡，打开突出口之前，应保证至少2 h内电子压力表和机械压力表的读数不发生变化，此时方可将突出口打开。记录压力表读数、大气压、室温和煤厚等相关参数。

6) 对突出模拟结果分类。

瓦斯动力现象分为两类：第一类是不突出。在打开突出口后无瓦斯动力现象，堵头未从缸体中掉落下来，需人工将其取出，取出堵头后能发现煤壁保持完好无损或有少量的煤体垮落，垮落的煤量占压制煤层所用总煤量的0～5%；第二类突出。具有瓦斯动力现象，在打开突出口后，堵头被推出，煤壁遭受破坏，抛出的煤量占总煤量的5%以上。根据分类原则，对突出模拟实验结果进行了分类。实验照片见图2.

3 研究结果

利用上述设备对屯兰矿2#、4#煤层进行实验，实验时记录煤层瓦斯压力，该瓦斯压力即突出时压力。压制完成后，从取样孔取得煤样，并利用直接法对瓦斯含量进行测试。

对2#煤层进行瓦斯突出压力、突出瓦斯含量实验，分别记录瓦斯压力与瓦斯质量、瓦斯含量与瓦斯质量数值，计算突出质量百分比，判断突出种类，将其进行拟合，得到2#煤层突出压力与突出关系、2#煤层突出瓦斯含量与突出关系，分别见图3、4. 由图3可知：进行突出预测时，2#煤层发生突出的最低瓦斯压力为0.727 MPa，即预测临界值为0.727 MPa. 由图4可知，进行突出预测时，2#煤层发生突出的最低瓦斯含量为7.689 m3/t，即预测的临界值为7.689 m3/t. 按照《防治煤与瓦斯突出规定》[7]采取防突措施，做到绝对安全，预测结果有一定的安全系数的原则预算临界值。因此预测突出瓦斯压力临界值位于0.727 MPa附近；突出瓦斯含量临界值位于7.689 m3/t附近。

图2 突出模拟照片

图3 2#煤层突出瓦斯压力与突出的关系图

图4 2#煤层突出瓦斯含量与突出的关系图

同理，对4#煤层进行瓦斯突出压力、突出瓦斯含量实验，得到4#煤层突出压力与突出关系、4#煤层突出瓦斯含量与突出关系图，分别见图5、6. 由图5可知：进行突出预测时，4#煤层发生突出的最低瓦斯压力为0.718 MPa，预测突出瓦斯压力临界值为0.718 MPa. 由图6可知，进行突出预测时，4#煤层发生突出的最低瓦斯含量为7.564 m3/t，预测突出瓦斯含量临界值位于7.564 m3/t附近。

图5 4#煤层的突出瓦斯压力与突出的关系图

图6 4#煤层的突出瓦斯含量与突出的关系图

4 分析与讨论

4.1 利用Fisher准则进行线性判别计算和检验

Fisher判别方法是多元统计分析中常用方法之一。假定从A、B总体中各取n1、n2个样品，均测定p个判别指标。寻找一个降为一维数值的线性判别函数y(x)：

y(x)=c1x1+c2x2+...+cpxp

(1)

(2)

使y=c1x1+c2x2+…+cpxp

检验两个总体之间是否具有显著差异。统计量F是以Maha-Lanobis距离(D2)为基础构成的：

(3)

其中，

(4)

统计量F遵从分布：F(p,n1+n2-p-1). 通过式(3)获得F统计量的检验值，查F分布表得Fα(p,n1+n2-p-1)，α为检验显著性水平，取0.05或0.01. 将F的检验值和Fα(p,n1+n2-p-1)值进行比较。

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1) 2#煤层突出临界值判别计算。

预测指标只有瓦斯压力一个，p=1，判别函数为y=cx. 而x=P，瓦斯压力突出临界值为P=yc/c=1.452 0/1.993 6=0.728 MPa. 即瓦斯压力小于0.728 MPa，判定不具有突出危险性；大于或等于0.728 MPa，具有突出危险性。由于p=1，则：

检验所用统计量：

计算得，F=14.816 2，查F分布表得：

Fα(p,n1+n2-p-1)=Fα(1，16)=

突出预测的安全至关重要，取α=0.01进行判断，F1=14.816 2>F0.01(1,16)=8.53，故在统计上差异显著，判别有效，判别临界值0.728 MPa是准确的。

计算得统计量检验值F=9.858 8. 查F分布表得：

同理，F=9.859 9>F0.01(1,16)=8.53，在统计上的差异显著，判别是有效的。其判别临界值7.665 m3/t是准确的。

经上判别分析，认为屯兰矿2#煤层区域预测临界值为瓦斯压力0.728 MPa，瓦斯含量为7.665 m3/t.

2) 4#煤层突出临界值判别计算。

预测指标只有瓦斯压力一个，p=1，判别函数为y=cx. 而x=P，瓦斯压力突出临界值为P=yc/c=0.767 0/1.071 3=0.716 MPa. 即瓦斯压力小于0.716 MPa，判定不具有突出危险性；大于或等于0.716 MPa，具有突出危险性。由于p=1，则：D2与F值与上述相同。

计算得，F=9.003 9,查F分布表得：

突出预测的安全至关重要，取α=0.01进行判断，F1=9.003 9>F0.01(1,16)=8.53，故统计上差异显著，判别有效，判别临界值0.716 MPa是准确的。

计算得，F=12.827 4.查F分布表得：

同理，F=12.827 4>F0.01(1,16)=8.53，统计上的差异显著，判别是有效的，判别临界值7.731 m3/t是准确的。

经上判别分析，认为屯兰矿4#煤层区域预测临界值为瓦斯压力0.716 MPa，瓦斯含量为7.731 m3/t.

4.2 区域突出敏感指标敏感顺序的判断

为判别敏感性，可按照各自的判别临界值，换算出对应的瓦斯压力及瓦斯含量，一般认为指标越低其和突出的相关性更好，其敏感性也越强，不易出现误判断。换算过程如下：

根据朗格缪尔方程确定煤层的吸附瓦斯量后，再加上游离瓦斯量，即为判别压力下煤层的瓦斯含量。同理反算可得判别含量下的瓦斯压力。计算公式为：

(5)

式中：

W—煤层瓦斯含量，m3/t；

a，b—吸附常数；

p—煤层绝对瓦斯压力，MPa；

Ad—煤的灰分，%；

Mad—煤的水分，%；

ARD—视密度，t/m3；

n—与瓦斯压力有关的常数，n=0.02/(0.993+0.07p)；

ts—井下煤层温度，℃，取30；

t—煤样吸附实验室温度，℃，取30；

F—煤的孔隙率，%.

2#煤层判别瓦斯压力0.728 MPa时发生突出，但按照判别含量7.665 m3/t，计算瓦斯压力在0.723 MPa时即可发生突出，因此从敏感指标上判断，瓦斯含量W指标敏感性强于瓦斯压力P. 同理，判别瓦斯含量在7.665 m3/t发生突出，按照判别压力0.728 MPa计算瓦斯含量在7.079 m3/t，因此判断瓦斯含量W指标敏感性强于瓦斯压力P. 2#煤层区域预测突出敏感性指标的敏感序列为W>P.

4#煤层判别瓦斯压力0.716 MPa时发生突出，但按照判别含量7.731 m3/t，计算瓦斯压力在0.715 MPa时即可发生突出，因此从敏感指标上判断，瓦斯含量W指标敏感性强于瓦斯压力P. 同理，判别瓦斯含量在7.731 m3/t发生突出，按照判别压力0.716 MPa计算瓦斯含量在7.344 m3/t，因此判断瓦斯含量W指标敏感性强于瓦斯压力P. 4#煤层区域预测突出敏感性指标的敏感序列为W>P.

经过2018年安全生产实践经验的验证，采用上述瓦斯压力和瓦斯含量，以及敏感序列用于屯兰矿工作面突出危险防治工作，对消除瓦斯突出事故起到了积极作用，符合矿井实际。