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        赤峪煤礦煤層突出危險性預測敏感指標的確定

        2022-07-18 02:57:34張逸龍方書昊楊印朝朱紅青
        礦業(yè)安全與環(huán)保 2022年3期
        關鍵詞:法分析三率灰色

        張逸龍,吳 彥,方書昊,廖 奇,楊印朝,朱紅青

        (1.中國礦業(yè)大學(北京) 應急管理與安全工程學院,北京 100083;2.開灤(集團)有限責任公司, 河北 唐山 063020)

        在工作面推進過程中,其前方煤體處于采前增壓—卸壓—恢復階段,且隨著工作面持續(xù)推進該現象重復出現[1],煤巖體內部孔隙結構及滲流狀態(tài)都會發(fā)生改變,容易造成瓦斯的不均衡涌出,從而引發(fā)瓦斯事故,因此研究煤層突出敏感性指標至關重要[2-3]。目前,世界各國煤礦所采用的瓦斯預測方法已超過100多種[4-8],其中,在我國主要是以鉆屑瓦斯解吸指標(Δh2和K1)、鉆屑量指標(S)、鉆孔瓦斯涌出初速度指標(q)等[9-11]作為煤與瓦斯突出預測指標。楊明軍[12]采用“三率法”對煤層掘進考察區(qū)的突出預測敏感指標及其臨界值進行了研究;張書金等[13]利用“三率法”和突出危險性相關性分析2種方法,對貴州突出礦區(qū)預測預報敏感性指標進行了研究;雷紅艷[14]建立了鉆屑瓦斯解吸指標K1與ΔP的量化關系以快速確定鉆屑瓦斯解吸指標K1臨界值。“二指標”指的是鉆屑瓦斯解吸指標(Δh2)及鉆屑量指標(S),“二指標”對于煤與瓦斯突出預測及防治起到了關鍵性的作用[15]?;疑到y理論主要基于對灰色理論中的各因素間的影響進行分析,包括系統行為分析和系統因素分析[16-18]。

        由于各個礦區(qū)地質條件及煤層性質差異,不同突出礦井預測的敏感性指標亦不同,需要對同一區(qū)域危險性進行相關研究,并確定其臨界值[19]?;诖?,以赤峪煤礦2號煤層為研究對象,通過灰色關聯分析法對“二指標”(S和Δh2)進行預測,以期確定哪個指標的敏感性更強。同時,結合“三率”法對工作面突出預測及效果檢驗的實測數據進行分析論證,以確定煤層突出預測敏感指標臨界值。

        1 突出預測指標敏感性灰色關聯模型構建

        1.1 試驗地點概況

        赤峪煤礦為突出礦井,2號煤層平均厚度1.8 m,平均傾角7°,最大瓦斯壓力為2.66 MPa,最大原始瓦斯含量為11.29 m3/t。C1203運輸巷、回風巷掘進工作面每掘進5 m進行一次區(qū)域驗證,每個循環(huán)保留不小于2 m的超前距。鉆孔在掘進工作面上下兩層,各布置3個直徑42 mm、深度8 m的鉆孔。中間鉆孔沿巷道掘進方向,兩邊鉆孔在兩側向外施工?;夭晒ぷ髅鎱^(qū)域驗證在沿其推進的方向上每隔15 m間距位置施工一個直徑42 mm、深度10 m的鉆孔。

        1.2 模型構建

        將S和Δh2作為映射量指標,建立表征突出風險大小的系統映射函數如下:

        E1(i)=f(X)

        (1)

        (2)

        式中:X為由Xj(i)組成的階矩陣;f(X)為映射量函數;Xj(i)為第i次預測的j指標實際測值;i為測定數據組序號,i=1,2,…,n;n為指標數據組數;j為指標數據序列號,j=1,2,…,m;m為指標體系采用的指標容量,取2。

        經過量綱變換后的系統映射量為:

        E2(i)=f(X′)

        (3)

        灰色關聯函數pj(i)的計算公式如下[20]:

        (4)

        式中:pj(i)為第i時刻指標序列Xj與參考序列X0的相對差值,即Xj對X0在i時刻的關聯系數;K為分辨系數,由于系統中各指標的平等性,取0.5;X0(i)為參考序列,即建立的系統映射量。

        各指標與突出危險性的關聯度表示如下:

        (5)

        2 突出預測指標敏感性數值計算

        記錄是否出現卡鉆及瓦斯異常等動力現象,測試了C1203工作面運輸巷的“二指標”數據,每個指標各131組數據。鉆屑量Smax和Δh2max曲線見圖1。

        圖1 鉆屑量Smax和Δh2max曲線

        由圖1可知,S的最大值普遍大于4 kg/m,表明C1203工作面巷道在掘進過程中,煤層受地應力影響較大。Δh2在前期小于100 Pa,之后Δh2首次超過200 Pa且振動幅度變大,表明巷道掘進進入了瓦斯含量大且壓力高的區(qū)域,發(fā)生突出的可能性也在逐漸增高。

        將圖1各指標進行無量綱化處理,結果見圖2(a)和(b)。

        圖2 無量綱化指標數據

        由圖2(a)和(b)可以看出,S和Δh2的曲線變化大體同步,例如出現典型瓦斯動力現象時2條曲線均明顯升高。

        設灰色關聯分析模型參考序列為X0,基于相對優(yōu)化原則,選取各指標中最優(yōu)值作為灰色關聯分析參考值,見圖2(c)。

        將“二指標”數據代入式(4)和(5),計算得到相對差值,求得S、Δh2與突出危險性之間的灰色關聯度分別為:P(S)=0.909,P(Δh2)=0.896,鉆屑量S與突出危險性的灰色關聯度更高,敏感度關系為S>Δh2。

        3 突出預測敏感指標臨界值

        3.1 鉆屑量指標臨界值

        分析現場測試得到的131組數據(見圖1),結合S的參考臨界值,得出:鉆屑量S單項指標超限72次,其中出現煤炮、頂鉆等異常現象26次;未超限59次,其中出現煤炮、頂鉆等異常現象4次。對S的參考臨界值為6 kg/m的情況進行“三率”法分析,計算得到預測突出率為54.96%,預測突出準確率為36.11%,預測不突出準確率為91.53%,可見預測突出率偏高,預測突出準確率偏低,盡管保障了掘進工作面的安全,但需要進行瓦斯治理的施工面積較大,增加了防突措施工程量。

        選取8個待定臨界值分別計算相對應的預測突出率、預測突出準確率和預測不突出準確率,結果見表1。

        表1 C1203工作面S臨界值“三率”法分析

        由表1可見,鉆屑量S在7.2~8.0 kg/m內預測突出率均為19.08%,預測突出準確率為88.00%,預測不突出準確率91.51%。由于131組突出危險性預測數據中的最大S值均不在7.2~8.0 kg/m內,需要對S的臨界值作進一步分析。

        選取C1204回風巷掘進工作面突出危險性預測的121組數據對鉆屑量指標S的臨界值范圍進行分析。根據S臨界值范圍,S值單項指標超限61次,其中發(fā)生煤炮、夾鉆、噴孔等瓦斯動力現象共25次。

        選取5個待定臨界值分別計算“三率”,結果見表2。

        表2 C1204工作面S臨界值“三率”法分析

        由表2可知,當S的臨界值取7.2、7.4 kg/m時,預測不突出準確率(均高于95%)明顯高于S的臨界值在7.6~8.0 kg/m內的準確率,同時S的臨界值取7.2 kg/m時,預測突出率上升,預測突出準確率反而有所降低。因此S的臨界值取7.4 kg/m較為合適。

        3.2 鉆屑瓦斯解吸指標Δh2臨界值

        根據現場測試得到的131組數據(見圖1),以及Δh2參考臨界值,可發(fā)現Δh2出現異常現象16次;未超限108次,其中異?,F象15次。選取8個待定臨界值,分別計算“三率”,結果見表3。

        表3 C1203工作面Δh2臨界值“三率”法分析

        由表3可見,當Δh2臨界值取200 Pa時,預測突出率為17.56%,預測突出準確率為69.57%,預測不突出準確率為86.11%。從整體上看,當Δh2臨界值低于180 Pa時,預測突出準確率低于60%,預測突出率卻高于30%,需要進行瓦斯治理的施工面積較大,增加防突措施工程量。當Δh2臨界值高于200 Pa時,預測突出率降低,但預測突出準確率和預測不突出準確率也會隨之下降,導致不安全。當Δh2取值為180 Pa時,“三率”與200 Pa時的最為接近,但效果仍不如200 Pa時的結果。綜上所述,為保障礦井安全,鉆屑瓦斯解吸指標Δh2臨界值取200 Pa較為合理。

        3.3 “二指標”突出預測臨界值

        對2個突出預測指標同時進行“三率”法分析,當S=7.4 kg/m,Δh2=200 Pa時,對突出預測數據進行“三率”法分析,結果見表4。

        表4 C1203工作面S和Δh2臨界值“三率”法分析

        由表4可見,當采用2個敏感指標同時預測時,預測不突出準確率達到了100%,同時預測突出率為31.30%,預測突出準確率達到75.61%。選取2個指標同時開展預測,并沒有新增防突措施,實現了經濟效益最大化。

        3.4 煤層突出預測敏感指標臨界值

        通過灰色關聯分析,得出S的敏感性要略好。而使用“二指標”同時進行突出預測檢測出的具有實際突出危險的31次中,S貢獻次數為25次,占比80.65%;Δh2貢獻次數為23次,占比74.19%;其中,“二指標”同時預測有突出風險的次數為7次,分別僅占S與Δh2單獨預測具有突出危險的次數比重為28.00%和30.43%。因此,盡管S值相比于Δh2對突出的敏感性更好,但Δh2仍然具有不可替代性。此外,在圖2中,“二指標”曲線的變化趨勢基本一致,但其中一項指標(Δh2)超出臨界值時,而另一指標(S)達到峰值卻并未超出臨界值的情況較為常見,說明“二指標”在2號煤層的突出預測中均不可或缺。

        綜上所述,鉆屑量S和鉆屑瓦斯解吸指標Δh2應同時作為2號煤層突出預測敏感指標,臨界值分別取7.4 kg/m 和200 Pa。

        4 現場工程應用

        2號煤層的各個工作面在掘進和回采期間均按照突出煤層進行管理,其預測數據見表5。

        表5 瓦斯參數測定結果

        各個指標的臨界值分別為壓力小于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可見,幾個測試地點均沒有發(fā)生效果檢驗指標超標情況,瓦斯含量最大為6.89 m3/t,且在開切眼處,表明選擇該類指標是合理的。

        5 結論

        1)鉆屑量S和鉆屑瓦斯解吸指標Δh2應同時作為赤峪煤礦2號煤層突出預測敏感指標。通過灰色關聯度建模分析,計算敏感指標與突出危險之間的關聯度,得到灰色關聯度結果P(S)=0.909>P(Δh2)=0.896,表明鉆屑量S作為預測指標的敏感度更高。

        2)對C1203、C1204工作面突出預測數據進行“三率”法分析,當Δh2為200 Pa時,預測突出率為17.56%,預測突出準確率為69.57%,預測不突出準確率為86.11%;當S為7.4 kg/m時,預測突出率39.67%,預測突出準確率50%,預測不突出準確率為98.63%。對2個指標同時進行“三率”法分析,預測突出率為31.30%,預測突出準確率為75.61%,預測不突出準確率達到100%。確定S和Δh2臨界值分別為7.4 kg/m和200 Pa。

        3)通過對2號煤層各個工作面的S和Δh2的效果檢驗,證明了其臨界值的合理性。隨著開采深度的增加,區(qū)域效果檢驗指標(S、Δh2)在現場生產過程中需要反復檢驗,以保證礦井生產的有序進行。

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