煤层突出危险性预测敏感指标考察确定

孙际宏，左安家，魏 超，陈江龙

(华北科技学院 安全工程学院，北京 东燕郊 065201)

0 引言

煤与瓦斯突出是一种多因素作用影响的灾害动力现象，在几秒或者数十秒内大量的瓦斯伴随着煤向工作面喷出，对井下人员和设备造成直接伤害[1]。准确预测是预防煤与瓦斯突出灾害的关键，突出预测灵敏度不仅受地质、瓦斯赋存条件的影响，而且在煤层不同开采工艺下也存在差异，预测指标的敏感性直接决定了预测的准确性[2]。

针对突出预测敏感指标的问题，屠锡根、哈明杰等提出了预测指标预测突出率30%界限以下，预测突出准确率60%界限以上定量标准来判定敏感指标[3]；孙东玲运用数理统计中方差分析法提出“喷孔率”指标，利用该指标的离散程度分析对突出敏感度进行预测[4]；彭荣富依据灰色关联法原理，通过研究各预测指标与突出危险程度变化的一致性确定突出预测敏感指标[5]；此外，还有很多学者针对某一矿井具体情况，通过现场跟踪考察，统计分析实测数据，结合实验室试验确定矿井的突出预测敏感指标及临界值等等[6-10]。

经过国内外学者的研究，一般认为，确定突出预测指标为敏感指标必须满足两个基本条件，一是预测指标变化要显著，可以定性进行分析；二是预测指标大小及其变化与突出危险的相关性能够定量描述。当预测指标的主要影响因素与突出主导因素一致时，该指标就敏感；反之，则不敏感。但是，在瓦斯、地应力及地质构造三个因素作用下通过预测指标演化规律来确定预测指标的敏感性的研究较少[11-12]。

因此，本文根据以往矿井实际突出的规律，通过煤层突出特征分析各个预测指标的敏感程度，结合“三率法”确定突出预测敏感指标，对于下一步的矿井瓦斯防治具有重要意义。

1 矿井概况

1.1 矿井煤层概况

河南某矿位于某煤田的西南部，为煤与瓦斯突出矿井。矿井某煤厚0.52～29.83 m，平均6.77 m，属于全区大部分可采的较稳定型厚煤层。矿区及周边断层较发育，存在大量逆断层，地质构造复杂程度中等，矿井构造如图1所示。矿井地质生产报告数据显示，瓦斯压力为0.47～0.96 MPa，P>0.74；煤的放散初速度为14～18，平均为16，Δp>10；煤的坚固性系数为0.17～0.21，平均0.19，f<0.5；现场考察煤的最大破坏类型为Ⅴ类；瓦斯含量为3.70～14.24 m3/t。煤层区域突出危险性综合指标k值为71.42～97.74，平均82.84，k>15；

图1 矿井构造示意图

1.2 煤与瓦斯突出现象及规律

矿井开拓、生产期间共发生瓦斯动力现象19次，除去无数据的突出灾害，平均突出强度为28.7t，平均突出瓦斯量为4171 m3，最大的一次突出煤(岩)量1894 t，突出瓦斯量250000 m3。

经调查统计分析，矿井煤与瓦斯突出具有以下特点：

(1) 煤与瓦斯压出是该矿主要的灾害类型：矿井统计发生的19次煤与瓦斯突出灾害事故，18次为煤与瓦斯压出灾害，1次为煤与瓦斯突出灾害。

(2) 煤与瓦斯突出灾害与地质构造破坏带有很强的关联性(如图2所示)：19次突出灾害事故，有18次受构造控制影响显著，10次突出灾害受吴庄逆断层的破坏带影响，其中7次突出灾害发生在背斜轴部和向斜的转折端，而最严重的突出灾害受大冶向斜和周山逆断层双重破坏作用影响。

图2 地质构造与煤与瓦斯突出关系

地质构造对瓦斯突出具有两方面的促进作用：其一，地质构造区常存在残余构造应力，有利于提升煤体的弹性潜能水平，增加发生瓦斯突出危险程度；其二，地质构造区煤体结构破坏严重，往往伴生着构造软煤。该矿煤的破坏类型已达III～V型，煤体强度大幅降低，造成抵抗瓦斯突出的能力下降。

(3) 煤与瓦斯突出灾害具有一定的关联性(如图3所示)：虽无法获得当时突出位置的煤层瓦斯含量，由矿井煤层瓦斯地质图数据分析，所有的突出灾害位置瓦斯富集量高于7 m3/t，约70%的突出灾害位置瓦斯含量大于8 m3/t，这反映了瓦斯含量达到6 m3/t以上是该矿发生煤与瓦斯突出的必要条件之一。

图3 瓦斯含量与煤与瓦斯突出关系

瓦斯富集是突出的能量来源和基础条件，在突出过程中，瓦斯产生的膨胀能不但参与了破坏煤体，而且是搬运破碎煤体，促进突出向深部发展的主要动力。

由上述分析可知，构造破坏和瓦斯是矿井突出灾害发生的主控因素。地质异常区(正逆断层、煤厚显著变化区、褶皱等)突出危险性高于正常区，煤层突出危险性随着瓦斯含量的升高而增大。

2 突出预测指标数据跟踪考察

对于煤与瓦斯突出矿井明确要求了必须使用的区域和局部综合防突措施。区域综合防突措施中的措施效果检验或验证以及局部综合防突措施中的预测和效果检验，所采用的是预测指标法。主要指标包括有：钻屑量指标S，钻孔瓦斯涌出初速度指标q，钻屑瓦斯解吸指标Δh2和K1，R指标法以及综合预测指标D和K等[13]。

q、S、k1和Δh2我国最常用的突出预测指标，各指标的物理意义及相关影响因素如下：q为新形成的Ф42 mm钻孔每米每分钟的钻孔瓦斯涌出量，与煤层透气性系数和瓦斯压力密切相关，反映地应力和瓦斯赋存因素；S为Ф42 mm钻头每米钻出的钻屑重量，对预测地以应力因素为主导的突出灾害反应明显；K1为岩屑与煤层分离后第1分钟的气体解吸量，Δh2为压力平衡卸除后所取的10 g煤屑第3～5 min内的瓦斯气体的解吸量，k1和Δh2综合反映了煤层卸压初期瓦斯解吸速度，与瓦斯因素有关[14]。

2.1 突出预测指标考察对象

矿井该煤层执行局部综合防突措施以来，一直选用q、S和△h2进行采掘工作面突出危险性预测。因此，选择上述3个指标作为研究对象，对此全部进行跟踪考察。

根据矿井开拓生产的具体情况，在21下部煤柱面、14东翼扩大区14091工作面进行了现场测试和数据收集，根据《煤与瓦斯突出细则》(2019)的相关规定，现场考察采用风煤钻施工Ф42 mm的工作面突出预测钻孔，孔深均为10.0 m，每个预测钻孔同时测定预测指标q、S和△h2。其中，预测钻孔从第2.0 m开始，每钻进1.0 m测定一次预测指标S，每钻进2.0 m测定1次预测指标△h2，钻进完毕后测定预测指标q(测量室长度为1.0 m)，钻孔布置如图4所示。

图4 钻孔布置示意图

2.2 突出预测指标考察结果

在21下部煤柱面和14091工作面进行跟踪测定并对煤层地质构造和掘进过程中是否出现瓦斯动力现象考察，获得151组循环的可靠突出预测(区域验证)数据，其中包括93组q和S，58组Δh2。由图5～图8测试结果分析，q、S和Δh2分别在5 L/min，6 kg/m，200 Pa的规定临界值下，分别超出临界值4次、5次和4次，分别占预测总次数的4.30%、5.37%和6.89%；q测值分布主要集中在0.8～2.0 L/min，S测值分布主要集中在2.0～3.2 kg/m，Δh2测值分布主要集中在140～180 Pa。

图5 21下部煤柱面q与S变化曲线图

图6 21下部煤柱面△h2变化曲线图

图7 14091工作面q与S变化曲线图

图8 14091工作面△h2变化曲线图

3个预测指标在跟踪考察过程中有少部分超出临界值的现象，反映出矿井在某些地区存在突出危险性但程度较轻。Δh2的测试数据的离散性较差且数值偏大，q和S的测试数据分布范围较均匀，相对于Δh2离散性较好更符合敏感指标的普遍分布规律。

3 工作面预测敏感指标考察确定

3.1 地质构造下突出预测指标考察分析

根据矿井瓦斯治理情况及现场技术条件，只能从地质构造的角度上研究各指标随地质构造的变化建立分析标准：若地质异常区指标测量值明显大于正常区指标，则该指标敏感；否则，不敏感。地质勘探钻孔施工过程中，在14091回采工作面发现一个断层影响区，现场跟踪考察了断层影响区域和工作面煤层赋存正常区域，测试了35个工作面突出预测循环参数，选取每循环测试的预测指标q、S和Δh2的最大值作为该循环各指标的数据，测试结果如图9所示。

从测试数据的变化趋势和变化幅度两个方面对现场试验数据进行分析：首先，地质异常区和正常区预测指标S、q的实测值变化显著，而且在正常区变化趋势比较平稳，离散程度小，预测指标S、q总的变化趋势相近；预测指标Δh2的实测值在两区变化有一定的差别，不如S、q变化明显，而且在正常区变化起伏较大。

其次，从预测结果的角度来看，预测指标S、q和Δh2预测值均超过《煤与瓦斯突出细则》(2019)的相关规定的临界值2次，预测结果表明地质异常区存在突出危险，与预测钻孔施工前7个预测周期(构造区)出现的异常现象一致。在正常区域，预测结果表明不存在突出危险性，这与预测钻孔施工过程中无明显异常现象一致；

因此，三个指标的预测结果均能反映煤层的实际突出危险性，q和S较Δh2对突出预测更为敏感。

3.2 突出预测指标敏感性“三率”法分析

根据“三率法”[15]的预测突出率η1、预测突出准确率η2和预测不突出准确率η3来确定突出预测敏感指标。在“三率法”中η1整体反映了预测区域中存在突出灾害发生的危险区段比例，η2和η3反映了突出灾害预测真实性和有效性，η1越小、η2和η3越高，说明该指标敏感；否则，不敏感。其公式为：

预测突出率

η1= n1/n

(1)

图9 突出预测指标随地质构造变化情况

预测突出准确率

η2= n2/n1

(2)

预测不突出准确率

η3= n3/(n-n1)

(3)

式中，n为预测结果数；n1为结果表明有突出危险次数；n2为实际开拓开采中有突出异常次数；n3为预测无突出结果中实际无突出异常次数。

在运用“三率法”进行分析时，η1一般属于30%～40%的区间，测值越低越好，η2测值一般要超过60%才能体现出预测指标的敏感性，所选用预测指标的η3测值必须满足100%的条件。若选用的预测指标要确定为煤层突出危险性预测敏感指标，该指标必须满足上述对应条件。预测指标q、S和Δh2分别以5 L/min，6 kg/m，200 Pa为临界值的分析结果如表1所示。

所选三个预测指标的η1测值都在30%以下，其中，q最低为5.37%，Δh2最高为6.89%；η2测值只有Δh2在60%以下为50%，q、S的η2测值分别为75%和66.7%；三个预测指标的η3测值全部达到了100%的条件。根据“三率法”可以判断三个预测指标反映煤层可能发生突出灾害的敏感程度排序为q>S>Δh2。

表1 测试矿井突出预测指标“三率”计算结果

3.3 工作面预测敏感指标确定

上述工作面预测指标q、S和Δh2敏感性分析结果表明：预测指标q、S和Δh2都能够响应煤与瓦斯突出特征，预测指标q和S较Δh2对突出预测更为敏感。因此，确定矿井煤层工作面突出危险性预测敏感指标为q、S，建议将Δh2作为辅助参考指标。

与单纯使用“三率法”相比，本文提出的方法更符合煤层的实际情况，对实际生产具有更强的指导意义。虽然研究了预测指标与地质构造的变化联系，但是没有找到适合的条件研究预测指标与地应力和瓦斯含量的变化联系，也没有考虑它们之间的耦合效应。为了更清楚地揭示多因素对突出预测指标的耦合作用机理，还需要进行更深入、更详细的研究。

4 结论

(1) 通过对矿井某煤层突出现象分析，构造破坏和瓦斯是矿井突出灾害发生的主控因素。地质异常区突出危险性高于正常区，煤层突出危险性随着瓦斯含量的升高而增大。

(2) 在突出现象分析的基础上，确定考察预测指标在地质异常区和正常区的变化趋势和变化幅度，建立突出主导因素与预测指标的联系并运用“三率法”统计预测指标跟踪数据分析预测指标的灵敏度。预测指标q、S和Δh2都能响应煤与瓦斯突出特征，预测指标反映煤层可能发生突出灾害的敏感程度排序为q>S>Δh2。

(3) 根据矿井瓦斯参数测试结果，煤层具有坚固性系数低、瓦斯放散初速度高、破坏类型高的特点，属于典型的突出煤层，而且，煤层在采掘过程中小构造较发育，多为逆断层，有利于瓦斯聚集。因此，最终确定q和S可作为采掘工作面主要突出预测敏感指标，Δh2作为辅助参考指标，为矿井突出煤层工作面突出危险性预测敏感指标确定提供了参考。