韓寶喜

（河南能源焦煤公司古漢山礦，河南 焦作454000）

1. 礦井概況

九礦井田面積為 5.4km2，地面標(biāo)高+114～+120m，煤層標(biāo)高在-465～-562m左右，煤層埋深約 579～682m。礦井于1959年簡(jiǎn)易投產(chǎn)，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力0.21Mt/a，目前實(shí)際生產(chǎn)能力0.90Mt/a。礦井采用豎井-斜井聯(lián)合多水平綜合開拓布置，目前已開采至二水平，礦井通風(fēng)方式為多進(jìn)風(fēng)井、多回風(fēng)井混合抽出式通風(fēng)。礦井開拓方式為立-斜井多水平混合開拓方式。礦井開采方法采用走向長(zhǎng)壁后退式全部垮落采煤法，回采工藝為綜采。根據(jù)2007年度礦井瓦斯等級(jí)鑒定報(bào)告，九礦礦井瓦斯相對(duì)涌出量 12.55m3/t，瓦斯絕對(duì)涌出量 7.26m3/min；依據(jù)撫順煤科院對(duì)九礦礦井煤層做出的鑒定結(jié)果，可以判定己16-17煤層為煤與瓦斯突出煤層。依照國(guó)家法律規(guī)定，為了保障礦井能夠安全生產(chǎn)，在開采前期需要對(duì)其突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)。

2. 煤與瓦斯突出預(yù)測(cè)敏感指標(biāo)及其統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律

工作面瓦斯突出預(yù)測(cè)敏感指標(biāo)是指對(duì)煤層進(jìn)行工作面突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)時(shí)，在突出危險(xiǎn)和非突出危險(xiǎn)工作面實(shí)測(cè)的指標(biāo)值無交叉或交叉較少。由于技術(shù)因素限制，當(dāng)前采用的用來預(yù)測(cè)煤層突出的指標(biāo)存在一定的限制性，一般情況下煤層突出發(fā)生的概率會(huì)與這些指標(biāo)值存在正相關(guān)的關(guān)系，但是在礦井實(shí)際開采時(shí)，并不能夠確定一個(gè)十分理想的臨界值用于預(yù)測(cè)分析。通過在煤礦生產(chǎn)活動(dòng)的總結(jié)和對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，可以判斷出預(yù)測(cè)指標(biāo)存在一個(gè)相對(duì)合理的范圍，再綜合考慮生產(chǎn)中實(shí)際應(yīng)用的方便性，一般在這個(gè)范圍內(nèi)確定一個(gè)相對(duì)合理的臨界點(diǎn)，把該合理的分界點(diǎn)當(dāng)作敏感指標(biāo)的臨界值來用于預(yù)測(cè)煤層的突出危險(xiǎn)性。

根據(jù)九礦生產(chǎn)實(shí)際情況，在己16-17-22022機(jī)巷及己二皮帶下延跟蹤測(cè)定瓦斯涌出初速度q、鉆屑量S。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定己16-17-22022機(jī)巷及己二皮帶下延147組日常預(yù)測(cè)指標(biāo)值，其日常預(yù)測(cè)指標(biāo)q值和鉆屑量指標(biāo)S的分布規(guī)律如圖 1、圖 2。

圖1 瓦斯涌出初速度q分布規(guī)律

圖2 鉆屑量指標(biāo)S值分布規(guī)律

通過圖1統(tǒng)計(jì)得出：在0≤x﹤1L/min的范圍內(nèi)，其所占的比例最高，占到35%；大于5L/min的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比例為2%。通過圖2統(tǒng)計(jì)得出：在3≤x﹤3.5kg/m的范圍內(nèi)，其所占的比例最高，占到31%；6kg/m﹤x的比例為4%。

3. 預(yù)測(cè)指標(biāo)值的確定

3.1 突出預(yù)測(cè)指標(biāo)敏感性定性分析

在生產(chǎn)活動(dòng)中，當(dāng)前可以預(yù)測(cè)瓦斯突出包括瓦斯涌出初速度q和包括鉆屑量指標(biāo)S等指標(biāo)，瓦斯涌出初速度q值與煤層瓦斯壓力、含量以及應(yīng)力情況有關(guān)，綜合反映了煤層的特性指標(biāo)，而鉆屑量指標(biāo)S受煤體強(qiáng)度及其所受地應(yīng)力的大小控制，該指標(biāo)對(duì)地應(yīng)力的大小變化敏感。

根據(jù)以往的研究結(jié)果表明，地應(yīng)力的變化可以通過鉆屑量指標(biāo)S來反映；該項(xiàng)指標(biāo)可以反映在瓦斯突出的過程中瓦斯和煤體的物理特性；鉆孔瓦斯涌出初速度q是一個(gè)體現(xiàn)了三個(gè)影響瓦斯突出因素的綜合指標(biāo)。結(jié)合九礦礦井實(shí)際情況進(jìn)行總結(jié)，對(duì)比各項(xiàng)指標(biāo)的特性，本次研究采用鉆屑量指標(biāo)S和鉆孔瓦斯涌出初速度q作為突出預(yù)測(cè)指標(biāo)來進(jìn)行研究分析。

對(duì)己16-17-22022機(jī)巷及己二皮帶下延對(duì)己16-17煤層的多個(gè)已經(jīng)測(cè)試完畢的循環(huán)進(jìn)行分析，共計(jì)找到了16處存在突出危險(xiǎn)的循環(huán)，并對(duì)存在突出危險(xiǎn)循環(huán)中獲取的的q值與S值進(jìn)行分析，做出有突出危險(xiǎn)循環(huán)的預(yù)測(cè)指標(biāo)值變化情況，如表1。

表1 有突出危險(xiǎn)的循環(huán)預(yù)測(cè)指標(biāo)測(cè)值變化

根據(jù)表中兩項(xiàng)指標(biāo)的數(shù)據(jù)變化值可以反映出，已知的16次實(shí)際確定有突出危險(xiǎn)的循環(huán)中，鉆孔瓦斯涌出初速度q只有三次低于計(jì)算出的平均值q-；而鉆屑量指標(biāo)S低于平均值S-的次數(shù)達(dá)到了12次，比例值為25.00%；據(jù)此統(tǒng)計(jì)算出的比例值可以判斷，鉆屑量指標(biāo)S與突出危險(xiǎn)性變化一致性要差于鉆孔瓦斯涌出初速度q。

從預(yù)測(cè)指標(biāo)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)隨工作面突出危險(xiǎn)性相對(duì)變化幅度進(jìn)行分析，在確定有突出危險(xiǎn)的循環(huán)，鉆孔q值最大為平均值q-的1.24倍，最小為1.00倍，平均為1.08倍；S值最大為平均值S-的1.31倍，最低值是平均值 S-為0.91倍，平均是平均值 S-的1.06倍。通過計(jì)算后對(duì)比得出，鉆屑量指標(biāo)S隨工作面突出危險(xiǎn)性相對(duì)變化幅度小于于鉆孔瓦斯涌出初速度q。

根據(jù)以上情況綜合分析，可以得出：九礦己16-17煤層鉆孔瓦斯涌出初速度q最敏感，鉆屑量指標(biāo)S次之。

3.2 突出預(yù)測(cè)指標(biāo)敏感性定量分析

目前研究突出預(yù)測(cè)指標(biāo)的敏感性一般采用 “三率”法，依據(jù)統(tǒng)計(jì)出來的預(yù)測(cè)總次數(shù)和預(yù)測(cè)有突出危險(xiǎn)的次數(shù)，計(jì)算預(yù)測(cè)突出率、預(yù)測(cè)突出準(zhǔn)確率以及預(yù)測(cè)不突出準(zhǔn)確率，并且依據(jù)“三率”分析預(yù)測(cè)指標(biāo)的敏感程度。其中“三率”法的計(jì)算公式：

?

預(yù)測(cè)突出率η1指的是在預(yù)測(cè)過程中判斷有突出危險(xiǎn)性的區(qū)域占進(jìn)行突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)的總區(qū)域的比例，一般情況在追求預(yù)測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確的情況下，力求比值降低，由于受到當(dāng)前的工程技術(shù)條件制約，對(duì)煤層預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性并不能得到保證，根據(jù)以往總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)判斷該值一般低于30%。

?

該項(xiàng)數(shù)據(jù)η2是體現(xiàn)出來在預(yù)測(cè)過程中的精準(zhǔn)性，及在預(yù)測(cè)突出區(qū)域中實(shí)際發(fā)生突出的概率，理論上數(shù)值愈大愈好。但是現(xiàn)階段受到對(duì)瓦斯突出預(yù)測(cè)理論和技術(shù)制約，預(yù)測(cè)準(zhǔn)確值并不高，所以的數(shù)值大于40%就可以在實(shí)際生產(chǎn)中進(jìn)行應(yīng)用。

?

采用“三率”方法時(shí)對(duì)于預(yù)測(cè)不突出準(zhǔn)確率要求最高，滿足 η3達(dá)到100%，這就要求預(yù)測(cè)不突出的區(qū)域必須沒發(fā)生突出，保障安全。

依據(jù) “三率”方法來判斷預(yù)測(cè)指標(biāo)的敏感程度，要按照以下步驟來進(jìn)行。

首先對(duì)預(yù)測(cè)指標(biāo)進(jìn)行跟蹤考察，計(jì)算得出當(dāng)預(yù)測(cè)指標(biāo)臨界值取不同的數(shù)值時(shí)，“三率”值的大小。

分析“三率”隨預(yù)測(cè)指標(biāo)值變化情況，判斷在數(shù)值上是否存在同時(shí)滿足上述 “三率”要求的臨界值取值范圍。

其中：XL——滿足預(yù)測(cè)突出率η1、預(yù)測(cè)突出準(zhǔn)確率η2和預(yù)測(cè)不突出準(zhǔn)確率η3的取值要求。

XL集合的取值范圍大小代表了該項(xiàng)預(yù)測(cè)指標(biāo)的敏感程度大小，預(yù)測(cè)指標(biāo)的敏感程度隨著滿足上述要求的取值范圍變大而增強(qiáng)，反之則敏感性降低。如果不存在滿足條件的XL集合，及不存在一個(gè)滿足條件的指標(biāo)臨界值，說明預(yù)測(cè)指標(biāo)不明顯，不能進(jìn)行預(yù)測(cè)。

根據(jù) “三率”變化規(guī)律得到各指標(biāo)的預(yù)測(cè)突出率η1、預(yù)測(cè)突出準(zhǔn)確率η2和預(yù)測(cè)不突出準(zhǔn)確率 η3分別滿足要求時(shí)，指標(biāo)臨界值的取值范圍 X1、X2、X3。根據(jù)式（7）求得同時(shí)滿足“三率”要求的指標(biāo)臨界值取值范圍（如表 2）。

表2 滿足“三率”要求的指標(biāo)臨界值取值范圍

依據(jù)式（1）～式（2）計(jì)算分析預(yù)測(cè)指標(biāo)，計(jì)算出預(yù)測(cè)指標(biāo)臨界取不同數(shù)據(jù)時(shí)對(duì)應(yīng)的“三率”大小，并繪制于圖 3～圖 4中。

圖3 指標(biāo)q臨界值取值變化時(shí)“三率”變化圖

圖4 指標(biāo)S臨界值取值變化時(shí)“三率”變化圖

由圖3、圖 4和表 2可以發(fā)現(xiàn)，鉆孔瓦斯涌出初速度指標(biāo)q，當(dāng)臨界值為4.5時(shí)，“三率”能夠同時(shí)滿足要求，因此鉆孔瓦斯涌出初速度指標(biāo)q可作為九礦的突出預(yù)測(cè)敏感指標(biāo)。對(duì)于鉆屑指標(biāo)S，不能夠同時(shí)滿足“三率”要求的臨界值范圍，屬于不敏感指標(biāo)。

3.3 突出預(yù)測(cè)敏感指標(biāo)確定

首先，對(duì)所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行定性分析。目前，隨著九礦開采向深部延伸，隨著采深的增加煤層地應(yīng)力逐漸增加，鉆屑指標(biāo)S在分析瓦斯突出時(shí)體現(xiàn)出了地應(yīng)力因素對(duì)瓦斯突出的影響，故鉆屑指標(biāo)S也存在敏感性；鉆孔瓦斯涌出初速度q是一個(gè)綜合指標(biāo)，既反映了瓦斯和煤的物理性質(zhì)，亦反映礦井地應(yīng)力大小，敏感性較好。根據(jù)表1可以知道鉆屑量指標(biāo)S隨工作面突出危險(xiǎn)性相對(duì)變化幅度小于鉆孔瓦斯涌出初速度q，又根據(jù)圖3和圖4分析鉆屑量指標(biāo)S變化幅度大于鉆孔瓦斯涌出初速度q，明顯鉆孔瓦斯初速度q敏感。

其次，從定量角度對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對(duì)圖3和圖4進(jìn)行對(duì)比，由圖可知，圖3中鉆孔瓦斯涌出初速度q值存在一個(gè)范圍滿足根據(jù)“三率”要求，在圖4中，不存在滿足“三率”要求的鉆屑量指標(biāo)S值的范圍。據(jù)此可以判斷，鉆孔瓦斯涌出初速度q敏感強(qiáng)于鉆屑量指標(biāo)S。

因此，在對(duì)九礦己16-17煤層采掘工作面突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)的時(shí)候，考慮到鉆孔瓦斯涌出初速度q敏感強(qiáng)于鉆屑量指標(biāo)S，應(yīng)該用鉆孔瓦斯涌出初速度q來作為敏感指標(biāo)進(jìn)行預(yù)測(cè)，鉆屑量指標(biāo)S可以作為輔助敏感指標(biāo)來進(jìn)行突出預(yù)測(cè)。

4. 瓦斯突出預(yù)測(cè)敏感指標(biāo)臨界值確定

對(duì)于九礦己16-17煤層采掘工組面瓦斯突出預(yù)測(cè)敏感指標(biāo)的確定，依據(jù)之前分析所獲得的結(jié)論，確定q（鉆孔瓦斯涌出初速度）為瓦斯突出預(yù)測(cè)的敏感指標(biāo)，同時(shí)將S（鉆屑量）作為較敏感指標(biāo)，在對(duì)煤層瓦斯突出危險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)配合使用。對(duì)于鉆孔瓦斯涌出初速度q，在取值范圍在3.5～5.0L/min區(qū)間時(shí)，臨界值取不同值時(shí)的“三率”結(jié)果，見表 3。

表3 鉆孔瓦斯涌出初速度q臨界值取不同值時(shí)“三率”分析結(jié)果

由表3可知，當(dāng)鉆孔瓦斯涌出初速度q臨界值取值由3.5L/min時(shí)，為52.49%，預(yù)測(cè)突出準(zhǔn)確率是 15.92%，當(dāng)鉆孔瓦斯涌出初速度q的取值增大到4.5L/min時(shí)，預(yù)測(cè)突出率下降到了17.20%,同時(shí)預(yù)測(cè)突出準(zhǔn)確率增加到51.26%；而當(dāng)臨界值取值由4.5L/min增大到5.0L/min時(shí)，預(yù)測(cè)突出率由17.20%下降到了15.86%,預(yù)測(cè)突出準(zhǔn)確率由50%增加到50.79%。同時(shí)鉆孔瓦斯涌出初速度q的的臨界值取值在4.5～5.0L/min之間變化時(shí)，該變化對(duì)預(yù)測(cè)突出率和預(yù)測(cè)突出準(zhǔn)確率的影響不大，但預(yù)測(cè)不突出準(zhǔn)確率卻隨之下降了11.96%。所以，結(jié)合“三率”數(shù)值曲線的變化和安全性要求，可以確定鉆孔瓦斯涌出初速度q取值為4.5L/min為臨界值。

對(duì)于鉆屑量S，沒有能同時(shí)滿足“三率”要求的臨界值取值范圍。鉆屑量S取不同值時(shí)，

計(jì)算其“三率”結(jié)果如表4所示。

表4 鉆屑量指標(biāo)S臨界值取不同值時(shí)“三率”分析結(jié)果

由表 4數(shù)據(jù)可知，當(dāng)鉆屑量 S值在 4.0～5.5kg/m之間變化時(shí)，其預(yù)測(cè)不突出準(zhǔn)確率都不能達(dá)到100%，不符合要求，當(dāng)鉆屑量S的臨界值取值小于5.0kg/m時(shí)，預(yù)測(cè)突出準(zhǔn)確率不能滿足“不低于40%”的要求；當(dāng)鉆屑量S等于5.5kg/m時(shí)，預(yù)測(cè)突出準(zhǔn)確率能滿足“不低于40%”的要求,此時(shí)突出率為8.46%，與國(guó)內(nèi)外統(tǒng)計(jì)得出的突出煤層有危險(xiǎn)面積占開采面積10%左右一致，基于以上考慮，結(jié)合安全需要，取S=5.5kg/m作為鉆屑量S值的臨界值。

5. 結(jié)論

（1）瓦斯涌出初速度 q為九礦己16-17煤層的突出預(yù)測(cè)敏感指標(biāo)，其臨界值定為4.5L/min；該指標(biāo)適用于回采工作面、掘進(jìn)工作面和石門揭煤工作面的突出預(yù)測(cè)和效果檢驗(yàn)。

（2）為防止由于集中應(yīng)力造成的局部異常壓出現(xiàn)象，保證預(yù)測(cè)結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性，在進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)輔以測(cè)定鉆屑量指標(biāo)S，其臨界值為5.5kg/m。

（3）當(dāng)本礦的采掘活動(dòng)延深到突出危險(xiǎn)區(qū)以下時(shí)，采用指標(biāo)進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)應(yīng)進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證。當(dāng)在突出危險(xiǎn)區(qū)進(jìn)行工作面預(yù)測(cè)時(shí)，當(dāng)預(yù)測(cè)指標(biāo)q小于4.5L/min而工作面出現(xiàn)瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象時(shí)，應(yīng)適當(dāng)降低其臨界值。

[1]俞啟相.礦井瓦斯防治[M].徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，1992.

[2]張鐵崗.礦井瓦斯綜合治理技術(shù)[M].北京:煤炭工業(yè)出版社，2001.

[3]煤炭工業(yè)部.防治煤與瓦斯突出細(xì)則[M].北京:煤炭工業(yè)出版社，1995.