赤峪煤矿煤层突出危险性预测敏感指标的确定

张逸龙，吴 彦，方书昊，廖 奇，杨印朝，朱红青

(1.中国矿业大学(北京) 应急管理与安全工程学院，北京 100083；2.开滦(集团)有限责任公司, 河北 唐山 063020)

在工作面推进过程中，其前方煤体处于采前增压—卸压—恢复阶段，且随着工作面持续推进该现象重复出现[1]，煤岩体内部孔隙结构及渗流状态都会发生改变，容易造成瓦斯的不均衡涌出，从而引发瓦斯事故，因此研究煤层突出敏感性指标至关重要[2-3]。目前，世界各国煤矿所采用的瓦斯预测方法已超过100多种[4-8]，其中，在我国主要是以钻屑瓦斯解吸指标(Δh2和K1)、钻屑量指标(S)、钻孔瓦斯涌出初速度指标(q)等[9-11]作为煤与瓦斯突出预测指标。杨明军[12]采用“三率法”对煤层掘进考察区的突出预测敏感指标及其临界值进行了研究；张书金等[13]利用“三率法”和突出危险性相关性分析2种方法，对贵州突出矿区预测预报敏感性指标进行了研究；雷红艳[14]建立了钻屑瓦斯解吸指标K1与ΔP的量化关系以快速确定钻屑瓦斯解吸指标K1临界值。“二指标”指的是钻屑瓦斯解吸指标(Δh2)及钻屑量指标(S)，“二指标”对于煤与瓦斯突出预测及防治起到了关键性的作用[15]。灰色系统理论主要基于对灰色理论中的各因素间的影响进行分析，包括系统行为分析和系统因素分析[16-18]。

由于各个矿区地质条件及煤层性质差异，不同突出矿井预测的敏感性指标亦不同，需要对同一区域危险性进行相关研究，并确定其临界值[19]。基于此，以赤峪煤矿2号煤层为研究对象，通过灰色关联分析法对“二指标”(S和Δh2)进行预测，以期确定哪个指标的敏感性更强。同时，结合“三率”法对工作面突出预测及效果检验的实测数据进行分析论证，以确定煤层突出预测敏感指标临界值。

1 突出预测指标敏感性灰色关联模型构建

1.1 试验地点概况

赤峪煤矿为突出矿井，2号煤层平均厚度1.8 m，平均倾角7°，最大瓦斯压力为2.66 MPa，最大原始瓦斯含量为11.29 m3/t。C1203运输巷、回风巷掘进工作面每掘进5 m进行一次区域验证，每个循环保留不小于2 m的超前距。钻孔在掘进工作面上下两层，各布置3个直径42 mm、深度8 m的钻孔。中间钻孔沿巷道掘进方向，两边钻孔在两侧向外施工。回采工作面区域验证在沿其推进的方向上每隔15 m间距位置施工一个直径42 mm、深度10 m的钻孔。

1.2 模型构建

将S和Δh2作为映射量指标，建立表征突出风险大小的系统映射函数如下：

E1(i)=f(X)

(1)

(2)

式中：X为由Xj(i)组成的阶矩阵；f(X)为映射量函数；Xj(i)为第i次预测的j指标实际测值；i为测定数据组序号，i=1，2，…，n；n为指标数据组数；j为指标数据序列号，j=1，2，…，m；m为指标体系采用的指标容量，取2。

经过量纲变换后的系统映射量为：

E2(i)=f(X′)

(3)

灰色关联函数pj(i)的计算公式如下[20]：

(4)

式中：pj(i)为第i时刻指标序列Xj与参考序列X0的相对差值，即Xj对X0在i时刻的关联系数；K为分辨系数，由于系统中各指标的平等性，取0.5；X0(i)为参考序列，即建立的系统映射量。

各指标与突出危险性的关联度表示如下：

(5)

2 突出预测指标敏感性数值计算

记录是否出现卡钻及瓦斯异常等动力现象，测试了C1203工作面运输巷的“二指标”数据，每个指标各131组数据。钻屑量Smax和Δh2max曲线见图1。

图1 钻屑量Smax和Δh2max曲线

由图1可知，S的最大值普遍大于4 kg/m，表明C1203工作面巷道在掘进过程中，煤层受地应力影响较大。Δh2在前期小于100 Pa，之后Δh2首次超过200 Pa且振动幅度变大，表明巷道掘进进入了瓦斯含量大且压力高的区域，发生突出的可能性也在逐渐增高。

将图1各指标进行无量纲化处理，结果见图2(a)和(b)。

图2 无量纲化指标数据

由图2(a)和(b)可以看出，S和Δh2的曲线变化大体同步，例如出现典型瓦斯动力现象时2条曲线均明显升高。

设灰色关联分析模型参考序列为X0，基于相对优化原则，选取各指标中最优值作为灰色关联分析参考值，见图2(c)。

将“二指标”数据代入式(4)和(5)，计算得到相对差值，求得S、Δh2与突出危险性之间的灰色关联度分别为：P(S)=0.909，P(Δh2)=0.896，钻屑量S与突出危险性的灰色关联度更高，敏感度关系为S>Δh2。

3 突出预测敏感指标临界值

3.1 钻屑量指标临界值

分析现场测试得到的131组数据(见图1)，结合S的参考临界值，得出：钻屑量S单项指标超限72次，其中出现煤炮、顶钻等异常现象26次；未超限59次，其中出现煤炮、顶钻等异常现象4次。对S的参考临界值为6 kg/m的情况进行“三率”法分析，计算得到预测突出率为54.96%，预测突出准确率为36.11%，预测不突出准确率为91.53%，可见预测突出率偏高，预测突出准确率偏低，尽管保障了掘进工作面的安全，但需要进行瓦斯治理的施工面积较大，增加了防突措施工程量。

选取8个待定临界值分别计算相对应的预测突出率、预测突出准确率和预测不突出准确率，结果见表1。

表1 C1203工作面S临界值“三率”法分析

由表1可见，钻屑量S在7.2～8.0 kg/m内预测突出率均为19.08%，预测突出准确率为88.00%，预测不突出准确率91.51%。由于131组突出危险性预测数据中的最大S值均不在7.2～8.0 kg/m内，需要对S的临界值作进一步分析。

选取C1204回风巷掘进工作面突出危险性预测的121组数据对钻屑量指标S的临界值范围进行分析。根据S临界值范围，S值单项指标超限61次，其中发生煤炮、夹钻、喷孔等瓦斯动力现象共25次。

选取5个待定临界值分别计算“三率”，结果见表2。

表2 C1204工作面S临界值“三率”法分析

由表2可知，当S的临界值取7.2、7.4 kg/m时，预测不突出准确率(均高于95%)明显高于S的临界值在7.6～8.0 kg/m内的准确率，同时S的临界值取7.2 kg/m时，预测突出率上升，预测突出准确率反而有所降低。因此S的临界值取7.4 kg/m较为合适。

3.2 钻屑瓦斯解吸指标Δh2临界值

根据现场测试得到的131组数据(见图1)，以及Δh2参考临界值，可发现Δh2出现异常现象16次；未超限108次，其中异常现象15次。选取8个待定临界值，分别计算“三率”，结果见表3。

表3 C1203工作面Δh2临界值“三率”法分析

由表3可见，当Δh2临界值取200 Pa时，预测突出率为17.56%，预测突出准确率为69.57%，预测不突出准确率为86.11%。从整体上看，当Δh2临界值低于180 Pa时，预测突出准确率低于60%，预测突出率却高于30%，需要进行瓦斯治理的施工面积较大，增加防突措施工程量。当Δh2临界值高于200 Pa时，预测突出率降低，但预测突出准确率和预测不突出准确率也会随之下降，导致不安全。当Δh2取值为180 Pa时，“三率”与200 Pa时的最为接近，但效果仍不如200 Pa时的结果。综上所述，为保障矿井安全，钻屑瓦斯解吸指标Δh2临界值取200 Pa较为合理。

3.3 “二指标”突出预测临界值

对2个突出预测指标同时进行“三率”法分析，当S=7.4 kg/m，Δh2=200 Pa时，对突出预测数据进行“三率”法分析，结果见表4。

表4 C1203工作面S和Δh2临界值“三率”法分析

由表4可见，当采用2个敏感指标同时预测时，预测不突出准确率达到了100%，同时预测突出率为31.30%，预测突出准确率达到75.61%。选取2个指标同时开展预测，并没有新增防突措施，实现了经济效益最大化。

3.4 煤层突出预测敏感指标临界值

通过灰色关联分析，得出S的敏感性要略好。而使用“二指标”同时进行突出预测检测出的具有实际突出危险的31次中，S贡献次数为25次，占比80.65%；Δh2贡献次数为23次，占比74.19%；其中，“二指标”同时预测有突出风险的次数为7次，分别仅占S与Δh2单独预测具有突出危险的次数比重为28.00%和30.43%。因此，尽管S值相比于Δh2对突出的敏感性更好，但Δh2仍然具有不可替代性。此外，在图2中，“二指标”曲线的变化趋势基本一致，但其中一项指标(Δh2)超出临界值时，而另一指标(S)达到峰值却并未超出临界值的情况较为常见，说明“二指标”在2号煤层的突出预测中均不可或缺。

综上所述，钻屑量S和钻屑瓦斯解吸指标Δh2应同时作为2号煤层突出预测敏感指标，临界值分别取7.4 kg/m 和200 Pa。

4 现场工程应用

2号煤层的各个工作面在掘进和回采期间均按照突出煤层进行管理，其预测数据见表5。

表5 瓦斯参数测定结果

各个指标的临界值分别为压力小于0.74 MPa、瓦斯含量小于8 m3/t、Smax小于7.4 kg/m、Δh2小于200 Pa。由表5可见，几个测试地点均没有发生效果检验指标超标情况，瓦斯含量最大为6.89 m3/t，且在开切眼处，表明选择该类指标是合理的。

5 结论

1)钻屑量S和钻屑瓦斯解吸指标Δh2应同时作为赤峪煤矿2号煤层突出预测敏感指标。通过灰色关联度建模分析，计算敏感指标与突出危险之间的关联度，得到灰色关联度结果P(S)=0.909>P(Δh2)=0.896，表明钻屑量S作为预测指标的敏感度更高。

2)对C1203、C1204工作面突出预测数据进行“三率”法分析，当Δh2为200 Pa时，预测突出率为17.56%，预测突出准确率为69.57%，预测不突出准确率为86.11%；当S为7.4 kg/m时，预测突出率39.67%，预测突出准确率50%，预测不突出准确率为98.63%。对2个指标同时进行“三率”法分析，预测突出率为31.30%，预测突出准确率为75.61%，预测不突出准确率达到100%。确定S和Δh2临界值分别为7.4 kg/m和200 Pa。

3)通过对2号煤层各个工作面的S和Δh2的效果检验，证明了其临界值的合理性。随着开采深度的增加，区域效果检验指标(S、Δh2)在现场生产过程中需要反复检验，以保证矿井生产的有序进行。