李 凱，王 琳

(鶴壁職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鶴壁 458030)

煤與瓦斯突出嚴(yán)重制約了煤礦安全生產(chǎn)。煤與瓦斯突出發(fā)生條件復(fù)雜，發(fā)生機(jī)理尚未研究清楚，因此無(wú)法從根本上杜絕煤與瓦斯突出的發(fā)生。目前，對(duì)煤與瓦斯突出防治主要依靠基于綜合假說(shuō)所制定四位一體的綜合防突措施，通過(guò)對(duì)煤與瓦斯突出案例調(diào)查分析發(fā)現(xiàn)，絕大多數(shù)突出事故發(fā)生都是因危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)失準(zhǔn)而導(dǎo)致誤采、誤掘或者誤揭突出危險(xiǎn)煤體發(fā)生的，由此可見(jiàn)煤與瓦斯突出預(yù)測(cè)在防治突出過(guò)程中至關(guān)重要。

煤體堅(jiān)固性系數(shù)f值與瓦斯放散初速度ΔP值為目前突出危險(xiǎn)預(yù)測(cè)的兩個(gè)常用重要指標(biāo)，其中堅(jiān)固性系數(shù)反映煤體自身強(qiáng)度大小，即抵抗突出發(fā)生能力的大小[1]，而瓦斯放散初速度是反映煤體瓦斯放散能力的大小，即突出時(shí)突出能量源供應(yīng)能力的大小[2]，同時(shí)防突規(guī)定中還存在一個(gè)與兩個(gè)指標(biāo)密切相關(guān)的綜合指標(biāo)K值，它是由瓦斯放散初速度與堅(jiān)固性系數(shù)比值。綜合指標(biāo)確定原則之一是用來(lái)確定綜合指標(biāo)的各個(gè)單項(xiàng)指標(biāo)不能過(guò)多重疊，否則評(píng)價(jià)結(jié)果就會(huì)失真[3]。那么堅(jiān)固性系數(shù)與瓦斯放散初速度之間關(guān)聯(lián)性如何，綜合指標(biāo)K值的設(shè)置是否合理，有待進(jìn)一步研究。

1 f值與ΔP影響因素分析

在前人研究成果基礎(chǔ)上，將f值與ΔP影響因素分為兩類(lèi)：可控制因素與不可控制因素?？煽刂埔蛩丶纯梢匀藶楦淖兊目刂埔蛩?，主要是指標(biāo)參數(shù)在測(cè)定過(guò)程中的一些人為限制條件，如f值測(cè)定過(guò)程中落錘次數(shù)、測(cè)煤粒徑范圍、測(cè)煤質(zhì)量、搗筒高度、重錘質(zhì)量等。ΔP的可控制因素包括：煤粒徑、固定空間體積、溫度、放散時(shí)間等。國(guó)標(biāo)中對(duì)兩個(gè)指標(biāo)參數(shù)測(cè)定過(guò)程中各個(gè)可控因素都有明確規(guī)定，保證了f值與ΔP都是在各個(gè)相同實(shí)驗(yàn)條件下測(cè)定，這樣使得兩個(gè)指標(biāo)各自之間普適性、對(duì)比性增加，為標(biāo)準(zhǔn)及臨界值測(cè)定提供了基礎(chǔ)，也為分析兩者之間關(guān)系提供了可能。

不可控制因素，顧名思義指人為難以控制的影響因素，主要指煤體自身性質(zhì)或成分的影響。近些年國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者做了大量實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)煤體變質(zhì)程度[4-5]、破壞類(lèi)型[6-8]、水分[9-10]、灰分[4]對(duì)f值與ΔP影響顯著。變質(zhì)程度越高、破壞程度越嚴(yán)重、煤體中水分灰分越高，煤體f值越小，ΔP越大。

2 f值與ΔP的相關(guān)性

2.1 f值與ΔP相關(guān)性分析

研究成果已證明煤堅(jiān)固性系數(shù)及瓦斯放散初速度具有共同不可控影響因素，如破壞類(lèi)型、煤變質(zhì)程度、灰分、水分等。有學(xué)者研究表明煤比表面積與煤與瓦斯突出密切相關(guān)，即比表面積越大，瓦斯吸附量越高，瓦斯放散速度越高，突出危險(xiǎn)性越高[11]。由此可知：煤的比表面積直接影響ΔP大小，而煤破壞類(lèi)型、煤變質(zhì)程度、灰分、水分等因素通過(guò)不同方式改變煤體的比表面積，進(jìn)而間接影響ΔP的大小，其作用方式分別為：煤體破壞越嚴(yán)重，其內(nèi)部孔裂隙發(fā)育越充分，主要為孔徑小于100 nm微孔數(shù)量增加，進(jìn)而比表面積增加；煤變質(zhì)程度越高，煤體熱揮發(fā)量越大，導(dǎo)致煤體內(nèi)孔隙率增加，進(jìn)而增加比表面積；煤中灰分致密性遠(yuǎn)大于煤體，灰分的增加造成煤分相對(duì)減小，煤比表面積增加；煤中水分會(huì)占據(jù)煤體表面上一定數(shù)量的吸附空位，同時(shí)水分能夠造成裂隙堵塞，阻礙瓦斯的放散。

羅志明統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)煤的堅(jiān)固性系數(shù)f值與煤的孔隙有關(guān)，孔隙率越大,強(qiáng)度越小[12]，但并未給出詳細(xì)解釋。筆者通過(guò)分析前人結(jié)果認(rèn)為：煤的堅(jiān)固性系數(shù)與煤體比表面積直接相關(guān)，煤體比表面積越大，煤體中自由面越大，當(dāng)破碎功一定時(shí)，自由面越大煤體沖擊破壞產(chǎn)生的新表面積就越多，產(chǎn)生小粒徑煤粒也越多。根據(jù)f值計(jì)算公式，落錘次數(shù)一定條件下，0.5 mm以下煤粒越多，f值越小，那么，煤體破壞程度越嚴(yán)重、變質(zhì)程度越高、水分、灰分越高，造成煤體比表面積增加，f測(cè)量值就會(huì)越小。這與前人統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果是一致的。

水分與灰分除改變煤體比表面積外仍可通過(guò)其他方式改變f值與ΔP。水分增加可造成孔裂隙堵塞，導(dǎo)致ΔP減小，同時(shí)也會(huì)增加煤體塑形，造成f值增加。因灰分自身強(qiáng)度遠(yuǎn)大于煤體，灰分增加會(huì)造成f值增加。破壞類(lèi)型及煤變質(zhì)程度都是通過(guò)改變煤體內(nèi)比表面積進(jìn)而影響f值及ΔP大小，兩者可由比表面積一個(gè)參量表示，由此各影響因素與兩個(gè)指標(biāo)之間關(guān)系如圖1所示。從圖1中可得，各個(gè)不可控因素與兩個(gè)指標(biāo)之間的關(guān)系是截然相反的，由此可推斷f值與ΔP呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

圖1 不可控因素與f值與ΔΡ關(guān)系圖

2.2 f值與ΔP統(tǒng)計(jì)分析

對(duì)全國(guó)30多個(gè)礦井的200多個(gè)煤樣的堅(jiān)固性系數(shù)及瓦斯放散初速度數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)其基本存在相同規(guī)律，因數(shù)據(jù)量較大，在此不一一列舉，僅選擇其中部分礦井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行分析。不同礦井煤樣因物理成分、孔隙結(jié)構(gòu)差別比較大，兩指標(biāo)間規(guī)律不明顯，而同一礦井同一煤層其成分、孔隙往往相差不大，具有可比性，以下以礦為單位做兩者關(guān)系圖，見(jiàn)圖2、圖3、圖4和圖5。

圖2 陽(yáng)泉煤礦3號(hào)煤層(無(wú)煙煤)

圖3 薛莊村煤礦(貧瘦煤)

圖4 丁集煤礦(焦煤)

圖5 臨漳煤礦(無(wú)煙煤)

由圖2、圖3、圖4和圖5可得，不同礦井不同煤質(zhì)的f值與ΔP呈現(xiàn)出相同規(guī)律性，即隨著堅(jiān)固性系數(shù)的增加瓦斯放散初速度呈減小趨勢(shì)，這與前邊分析結(jié)果是一致的。因參數(shù)測(cè)定過(guò)程Px即使煤樣來(lái)自同一礦井同一煤層，因地質(zhì)環(huán)境變化其成分差別依舊比較大，因此，個(gè)別礦井?dāng)?shù)據(jù)具有一定的離散性，但整體趨勢(shì)依舊明顯。

3 f值與ΔP預(yù)測(cè)模型建立及分析

根據(jù)以上分析結(jié)果，假設(shè)f值為一個(gè)由比表面積、水分、灰分共同決定的多元函數(shù)，即：

f=F1(S,M,A)

(1)

針對(duì)放散初速度，因灰分仍是通過(guò)改變煤體內(nèi)比表面積而影響，即：

ΔP=F2(S,M)

(2)

由前文分析可知，各影響因素與f值與ΔP之間大致呈線性關(guān)系，由此假設(shè)：

f=a1S+a2M+a3A+a4

(3)

ΔP=b1S+b2M+b3

(4)

以九里山礦為例，計(jì)算公式(3)、公式(4)中各個(gè)系數(shù)值，并驗(yàn)證公式的正確性。九里山礦參數(shù)測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表1，利用origin軟件及九里山數(shù)據(jù)(前4個(gè)式樣)進(jìn)行多元回歸分析，各系數(shù)回歸結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 九里山礦煤樣基礎(chǔ)參數(shù)

表2 各系數(shù)回歸值

因比表面積與f值負(fù)相關(guān)，所以a1值理應(yīng)為負(fù)，而水分、灰分與f值正相關(guān)，a2、a3值理應(yīng)為正。同理，b1值應(yīng)為正，b2值為負(fù)。系數(shù)回歸結(jié)果發(fā)現(xiàn)，其中，a1、a3、b1與前邊的分析結(jié)果是一致的，但水分卻截然相反，分析其原因?yàn)楸缺砻娣e對(duì)兩個(gè)指標(biāo)影響程度遠(yuǎn)大于水分對(duì)其影響，其覆蓋了水分的影響作用?；貧w分析得到各個(gè)系數(shù)后，利用公式(3)和公式(4)對(duì)f值及ΔP進(jìn)行預(yù)測(cè)，并分析其與真實(shí)值間誤差，見(jiàn)表3。

表3 誤差分析

由表3可以看出：f值預(yù)測(cè)模型最大誤差率為12.1%，ΔP預(yù)測(cè)模型最大誤差率為7.6%，這說(shuō)明模型是基本可靠的。

4 結(jié) 語(yǔ)

1)f值與ΔP受相同不可控因素影響，其分別為煤體破壞類(lèi)型、變質(zhì)程度、水分、灰分，各個(gè)影響因素都通過(guò)改變煤體比表面積大小來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)f值與ΔP的控制。

2)f值與ΔP呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，兩者之間關(guān)系是通過(guò)其共同影響因素決定的，比表面積與f值負(fù)相關(guān)，與ΔP正相關(guān)；水分、灰分與f值正相關(guān)，與ΔP負(fù)相關(guān)。

3) 根據(jù)各個(gè)影響因素與f值、ΔP之間關(guān)系，分別建立兩個(gè)指標(biāo)預(yù)測(cè)模型，并驗(yàn)證了模型的可靠性。