解鵬雁

(潞安環(huán)能股份公司 王莊煤礦，山西 長(zhǎng)治 046031)

煤與瓦斯突出是煤礦井下的一種復(fù)雜動(dòng)力現(xiàn)象，是由瓦斯、地應(yīng)力、煤的物理力學(xué)性質(zhì)等因素綜合作用引起的，是嚴(yán)重威脅煤礦安全生產(chǎn)的重大災(zāi)害之一。理論與工程實(shí)踐表明，煤層中煤與瓦斯突出呈區(qū)域性分布，一般突出煤層的部分區(qū)域(約8～20%)真正具有突出危險(xiǎn)性。煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)是防治突出災(zāi)害的基礎(chǔ)，選擇敏感的突出預(yù)測(cè)指標(biāo)能夠提高突出預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，進(jìn)而采取有效且經(jīng)濟(jì)的工程技術(shù)措施降低煤層突出危險(xiǎn)性。突出預(yù)測(cè)指標(biāo)不敏感，會(huì)導(dǎo)致“低指標(biāo)突出、高指標(biāo)不突”現(xiàn)象，嚴(yán)重威脅礦井安全高效生產(chǎn)，因此，選擇敏感的突出預(yù)測(cè)指標(biāo)對(duì)礦井瓦斯治理有著舉足輕重的意義[1]。本文根據(jù)王莊煤礦3號(hào)煤層的實(shí)際特點(diǎn)，綜合考慮常用突出預(yù)測(cè)指標(biāo)的適用性和準(zhǔn)確性，在選取突出預(yù)測(cè)指標(biāo)的基礎(chǔ)上，采用三率法并結(jié)合實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，分析適用于王莊煤礦3號(hào)煤層的瓦斯突出預(yù)測(cè)敏感指標(biāo)。

1 突出預(yù)測(cè)指標(biāo)選取

國(guó)內(nèi)多數(shù)高瓦斯和突出礦井均是采用鉆屑量、鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)、鉆孔瓦斯涌出初速度或者其中的一種或者兩種指標(biāo)來預(yù)測(cè)煤層是否有突出危險(xiǎn)性。鉆屑量指標(biāo)S是指鉆孔鉆進(jìn)不同深度排出的煤粉量，由鉆孔實(shí)體煤粉、動(dòng)態(tài)鉆屑量(彈性卸載、煤體擴(kuò)容)組成，其大小能夠綜合反映煤層前方地應(yīng)力變化情況，該指標(biāo)測(cè)定方法簡(jiǎn)單易行，廣泛應(yīng)用于高瓦斯和突出礦井的煤與瓦斯突出預(yù)測(cè)工作。鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)Δh2是一定質(zhì)量、粒度的煤樣在暴露3 min后向固定空間釋放瓦斯造成的壓差變化值，表示煤樣在第3 min至第5 min的瓦斯放散量。鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1是指一定質(zhì)量、粒度煤樣自脫落煤層暴露在大氣中的總瓦斯解吸量(1 min之內(nèi))。鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)值能夠綜合反映煤層的瓦斯解吸能力、瓦斯壓力和煤的物理力學(xué)性質(zhì)，對(duì)預(yù)測(cè)突出敏感性較強(qiáng)，指標(biāo)測(cè)試方法成熟和有專用便攜式設(shè)備，應(yīng)用較廣。鉆孔瓦斯涌出初速度q是煤孔封孔后一定空間(測(cè)量室0.5 m)的煤體2 min內(nèi)的瓦斯涌出量，其值能夠綜合反映煤層的透氣性、瓦斯解吸速度和解吸量，由于需要專用封孔器封孔，測(cè)試手段相對(duì)復(fù)雜，實(shí)際應(yīng)用范圍受限。不同礦井的煤層地質(zhì)條件(埋深、厚度、構(gòu)造、圍巖等)差異較大，不能采用統(tǒng)一指標(biāo)預(yù)測(cè)所有礦井的突出危險(xiǎn)性。根據(jù)王莊煤礦3號(hào)煤層實(shí)際，考慮日常的防突工作實(shí)施及指標(biāo)測(cè)定的快捷性等因素，初步選擇鉆屑量S、鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)Δh2和K1進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)跟蹤測(cè)試，并分析其突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)敏感性。

2 突出預(yù)測(cè)指標(biāo)敏感性分析方法

突出預(yù)測(cè)指標(biāo)敏感性分析方法有三率法[2]、主成分分析法[3]、灰色關(guān)聯(lián)分析法[4]、模糊聚類分析法等[5]，其中三率法應(yīng)用最為廣泛。三率法是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)煤巷掘進(jìn)跟蹤測(cè)試的突出預(yù)測(cè)參數(shù)大小，結(jié)合突出預(yù)測(cè)指標(biāo)的臨界值和鉆孔鉆進(jìn)過程中的動(dòng)力現(xiàn)象等，通過計(jì)算預(yù)測(cè)突出率、預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率、預(yù)測(cè)不突出準(zhǔn)確率，綜合判定突出預(yù)測(cè)指標(biāo)的敏感性。王莊礦3號(hào)煤工作面突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)敏感指標(biāo)采用三率法結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)跟蹤測(cè)定的鉆屑量、鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)測(cè)值綜合確定，各突出指標(biāo)的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率和預(yù)測(cè)不突出準(zhǔn)確率越大，說明突出預(yù)測(cè)指標(biāo)越敏感。

1) 預(yù)測(cè)突出率是指煤與瓦斯突出預(yù)測(cè)指標(biāo)超限次數(shù)與總預(yù)測(cè)次數(shù)的比值。預(yù)測(cè)突出率越大，反映預(yù)測(cè)過程中突出預(yù)測(cè)指標(biāo)超限次數(shù)越多，依據(jù)突出預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率，可進(jìn)一步確定突出危險(xiǎn)性的范圍，預(yù)測(cè)突出率可采用下式計(jì)算。

η1=100nt/N

(1)

式中：η1為預(yù)測(cè)突出率，%；nt為預(yù)測(cè)有突出危險(xiǎn)次數(shù)，次；N為預(yù)測(cè)總次數(shù)。

2) 預(yù)測(cè)突出準(zhǔn)確率是指煤與瓦斯突出預(yù)測(cè)指標(biāo)超限次數(shù)與實(shí)際發(fā)生突出次數(shù)的比值。實(shí)測(cè)中依據(jù)實(shí)際發(fā)生的突出、預(yù)測(cè)指標(biāo)超標(biāo)較大、在施工防突排放鉆孔過程中有動(dòng)力現(xiàn)象等判定，預(yù)測(cè)突出準(zhǔn)確率越高越好，但在目前技術(shù)條件下，預(yù)測(cè)突出準(zhǔn)確率超過60%即可，可采用下式計(jì)算。

η2=100nk/nt

(2)

式中：η2為預(yù)測(cè)突出準(zhǔn)確率，%；nk為預(yù)測(cè)有突出危險(xiǎn)次數(shù)中真正有突出危險(xiǎn)的次數(shù)，次。

3) 預(yù)測(cè)不突出準(zhǔn)確率是指煤與瓦斯突出預(yù)測(cè)指標(biāo)不超限次數(shù)與預(yù)測(cè)中無突出危險(xiǎn)次數(shù)的比值。預(yù)測(cè)不突出準(zhǔn)確率越高越好，能夠減小不必要的防突工程量，其值達(dá)到95%以上即可，可采用下式計(jì)算。

η3=100na/nb

(3)

式中：η3為預(yù)測(cè)不突出準(zhǔn)確率，%；na為預(yù)測(cè)無突出危險(xiǎn)次數(shù)中確實(shí)無突出危險(xiǎn)的次數(shù)，次；nb為預(yù)測(cè)無突出危險(xiǎn)次數(shù)，次。

3 突出預(yù)測(cè)指標(biāo)敏感性現(xiàn)場(chǎng)考察

現(xiàn)場(chǎng)跟蹤考察王莊煤礦9102風(fēng)巷、91205運(yùn)巷掘進(jìn)期間的突出預(yù)測(cè)參數(shù)(共考察95組)，預(yù)測(cè)指標(biāo)臨界值依據(jù)《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》確定，測(cè)定了預(yù)測(cè)孔鉆進(jìn)過程中的鉆屑量S、鉆屑解吸指標(biāo)Δh2和K1，同時(shí)記錄了煤巷掘進(jìn)過程中煤層地質(zhì)構(gòu)造、產(chǎn)狀變化及鉆孔鉆進(jìn)過程中噴孔、夾鉆、頂鉆、片幫、瓦斯異常、響煤炮等瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的95組突出預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，共有10次預(yù)測(cè)指標(biāo)超限，其中鉆屑量指標(biāo)S值超限1次、煤鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)Δh2超限4次、K1超限5次，在預(yù)測(cè)與效果檢驗(yàn)過程中有6次動(dòng)力現(xiàn)象。突出預(yù)測(cè)指標(biāo)考察結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 突出預(yù)測(cè)指標(biāo)考察結(jié)果匯總

采用三率法對(duì)突出預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)分析結(jié)果見表2。從表2中可以看出，單項(xiàng)指標(biāo)預(yù)測(cè)突出率分別為：鉆屑量指標(biāo)S為1.05%，煤鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)Δh2為4.21%、K1為5.26%；預(yù)測(cè)突出準(zhǔn)確率鉆屑量指標(biāo)S值為0，煤鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)Δh2為50%，K1為80%；預(yù)測(cè)不突出準(zhǔn)確率鉆屑量指標(biāo)S值為94.7%，煤鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)Δh2為97.8%，K1為98.9%。由三率法分析結(jié)果可知，對(duì)于王莊煤礦3號(hào)煤層，鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率和預(yù)測(cè)不突出準(zhǔn)確率均較大，其突出預(yù)測(cè)敏感性最強(qiáng)，鉆屑瓦斯解吸Δh2敏感性次之，鉆屑量指標(biāo)S的敏感性最弱。

表2 三率法分析計(jì)算結(jié)果匯總

依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)，跟蹤考察K1值超標(biāo)或接近超標(biāo)的次數(shù)中，基本都發(fā)生了壓鉆、卡鉆、噴孔等輕微的動(dòng)力現(xiàn)象，而鉆屑量S、Δh2預(yù)測(cè)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)力現(xiàn)象不符，結(jié)合上述綜合說明煤鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1比煤鉆屑瓦斯解吸Δh2、鉆屑量S的敏感度大，可選定K1作為王莊煤礦3號(hào)煤層突出預(yù)測(cè)敏感指標(biāo)[6，7]。

4 結(jié) 語

在分析常用煤與瓦斯突出預(yù)測(cè)指標(biāo)的基礎(chǔ)上，依據(jù)三率法，分析王莊煤礦煤巷掘進(jìn)期間實(shí)測(cè)的瓦斯突出預(yù)測(cè)參數(shù)，得出鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1值為3號(hào)煤層的突出預(yù)測(cè)敏感指標(biāo)，并用于指導(dǎo)礦井的日常突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)工作，能夠?yàn)榈V井防突工作提供科學(xué)依據(jù)。