煤與瓦斯突出預(yù)測敏感指標(biāo)及其臨界值的確定方法

1、煤與瓦斯突出預(yù)測敏感指標(biāo)及其臨界值的確定方法 工作面煤與瓦斯突出 （以下簡稱突出 ）危險(xiǎn)性預(yù)測和防突措施效果檢驗(yàn) 是突出礦井進(jìn)行防突管理的兩項(xiàng)關(guān)鍵工作。 目前我國大多數(shù)突出礦井， 在進(jìn)行突出危險(xiǎn)性預(yù)測時(shí)所采用的預(yù)測指標(biāo)及其臨界值基本上都是按 照防治煤與瓦斯突出細(xì)則所推薦的。但是，針對不同的礦井或煤 層，突出預(yù)測指標(biāo)的敏感性及其臨界值可能是不同的，甚至存在很大 的差異。礦井在使用中應(yīng)通過現(xiàn)場試驗(yàn)，摸索和確定適合本礦煤層實(shí) 際情況的突出預(yù)測指標(biāo)及其臨界值。否則，可能因?yàn)橹笜?biāo)不敏感或臨 界值不合適而造成預(yù)測結(jié)果的不準(zhǔn)確，導(dǎo)致誤判，結(jié)果發(fā)生突出事故 或增加不必要的防突措施工程。所以，確定礦井突出預(yù)測敏

2、感指標(biāo)及 其臨界值是防突工作中一項(xiàng)十分重要的內(nèi)容。1 預(yù)測敏感指標(biāo)的概念及確定方法 突出預(yù)測敏感指標(biāo)是指針對某一煤層進(jìn)行突出危險(xiǎn)性預(yù)測時(shí)，在目前 技術(shù)水平條件下能夠較為明顯地區(qū)分突出危險(xiǎn)和非突出危險(xiǎn)的指標(biāo)。 煤與瓦斯突出是一種復(fù)雜的瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象，是由地應(yīng)力、瓦斯及煤的 物理力學(xué)性質(zhì) 3 種因素綜合作用的結(jié)果。理想的預(yù)測指標(biāo)應(yīng)是能夠完 全反映引發(fā)突出的 3 個(gè)因素，而實(shí)際上，目前常用的預(yù)測指標(biāo)僅是間 接和部分反映這 3 個(gè)突出預(yù)測因素。對不同礦井、煤層或區(qū)域，突出 的主導(dǎo)因索有所不同， 3 種因素在導(dǎo)致突出作用中的貢獻(xiàn)比重有所不同。 所以，主要反映突出 3 因素中某 1 個(gè)因素或兩方面因素的不同

3、指標(biāo)， 其預(yù)測突出危險(xiǎn)的敏感性會(huì)有所不同。同時(shí)，預(yù)測指標(biāo)還在一定程度 上或多或少地受到現(xiàn)場測試條件、儀器性能、操作人員責(zé)任心等外部 條件和人為因素的影響，使測定出的指標(biāo)值影響因素復(fù)雜，從而影響 指標(biāo)的敏感性。判斷一種指標(biāo)是否敏感，主要考慮兩個(gè)方面的因素：一是指標(biāo)值的大 小是否隨著突出危險(xiǎn)性的大小明顯變化；二是影響指標(biāo)值大小的突出 危險(xiǎn)因素是否大于測定誤差等外部條件和人為因素。具體確定時(shí)可根 據(jù)在有無突出危險(xiǎn)時(shí)的指標(biāo)值大小及其變化幅度，以及測試環(huán)境、手 段、人員水甲等引起的測定誤差大小等判斷，如在突出危險(xiǎn)區(qū)與非危 險(xiǎn)區(qū)、突出點(diǎn)附近與正常帶、 打鉆時(shí)噴孔等動(dòng)力現(xiàn)象 （嚴(yán)重度與頻度等 ） 與正常時(shí)、

4、措施前后等測值的變化情況， 以及測值統(tǒng)計(jì)結(jié)果分布規(guī)律、 指標(biāo)與其他敏感指標(biāo)的對比等進(jìn)行判斷。所以預(yù)測敏感指標(biāo)，必須通 過對各種指標(biāo)的實(shí)際考察，結(jié)合本礦煤層或區(qū)域的具體測試條件來確 定，其敏感指標(biāo)既能體現(xiàn)出本礦煤層的突出主導(dǎo)因素，又適應(yīng)礦井的 具體測試條件，從而較好地符合礦井實(shí)際。2 敏感指標(biāo)臨界值的確定方法 對于一個(gè)敏感指標(biāo)而言，希望存在一個(gè)理想的臨界值，超過該值一般 會(huì)發(fā)生突出，否則就不發(fā)生突出。但是，實(shí)際情況并不是這樣，突出 危險(xiǎn)性是一個(gè)概率的概念，一般隨著指標(biāo)測定值的增高，發(fā)生突出的 概率會(huì)增大。所以理想的臨界值并不存在，實(shí)際存在的是一個(gè)臨界范 圍。當(dāng)測定值小于此范圍時(shí)沒有突出危險(xiǎn)。 高

5、于時(shí)大多都會(huì)發(fā)生突出， 而在該范圍內(nèi)時(shí)，可能發(fā)生突出，也可能不發(fā)生突出。為便于生產(chǎn)管 理，需要在此范圍內(nèi)確定一個(gè)合理的臨界點(diǎn)， 這樣既能保障安全生產(chǎn)， 又盡可能地解放生產(chǎn)力，提高采掘進(jìn)度。根據(jù)我國目前預(yù)測技術(shù)水平 的實(shí)際情況，一般情況下，合適的臨界值應(yīng)該是：當(dāng)測定值大于它時(shí) 發(fā)生突出的可能性為50%60%,而小于該值時(shí)基本不發(fā)生突出，即突 出的可能性很小，礦井的預(yù)測突出危險(xiǎn)率根據(jù)煤層危險(xiǎn)程度的不同會(huì) 有所不同,一般礦井可控制在 20%30%。 敏感指標(biāo)臨界值現(xiàn)場考察方法主要有： 不首先設(shè)定試驗(yàn)臨界值,在 不采取任何防突措施的情況下,根據(jù)多次實(shí)際突出前的指標(biāo)測定值與 不突出時(shí)的測定值相比較直接確

6、定。此法雖然直觀和簡便,但很不安 全,容易使安全生產(chǎn)陷入被動(dòng), 一般礦井難以接受。 現(xiàn)場試驗(yàn)摸索, 試驗(yàn)臨界值由低向高逐步提高,直到發(fā)生瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象為止。此法雖 然較為安全,但試驗(yàn)周期較長。 現(xiàn)場試驗(yàn)摸索,先確定一個(gè)較高的 試驗(yàn)臨界值,在此臨界值以下根據(jù)實(shí)際突出或其他現(xiàn)象確定。此法比 第一種方法稍好,但仍不安全,礦井同樣難接受。 通過各種方法先 確定一個(gè)比較接近真實(shí)臨界值的試驗(yàn)臨界值,再通過現(xiàn)場試驗(yàn)進(jìn)行修 正和適當(dāng)調(diào)整。這種方法比較科學(xué),既能縮短試驗(yàn)周期,同時(shí)又盡可 能地保證了安全生產(chǎn)。 根據(jù)多年來的研究和實(shí)踐表明,可以通過歷史資料統(tǒng)計(jì)、實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn) 場試驗(yàn)等相結(jié)合的方法來綜合確定突出危險(xiǎn)預(yù)測敏

7、感指標(biāo)及其臨界值。 值得指出的是, 一些礦井在發(fā)生了個(gè)別的 “低指標(biāo)突出 ”現(xiàn)象后,沒有經(jīng) 過具體分析就降低指標(biāo)臨界值或懷疑指標(biāo)的敏感性,這是不科學(xué)、不 可取的做法。 關(guān)于 “低指標(biāo)突出 ”現(xiàn)象的原因是復(fù)雜的， 可能與地質(zhì)構(gòu)造 的影響、突出主導(dǎo)因素的改變、預(yù)測人員的操作、鉆孔布置、儀器性 能等因素有關(guān)，也可能與指標(biāo)本身的局限性有關(guān)?？赏ㄟ^提高預(yù)測人 員素質(zhì)、規(guī)范操作行為、采用多指標(biāo)預(yù)測和結(jié)合工作面各種情況綜合 判斷等措施降低這種現(xiàn)象的發(fā)生概率。3 預(yù)測敏感指標(biāo)及其臨界值確定實(shí)例 水城礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司大灣煤礦 11#煤層共發(fā)生了 17 次煤與瓦 斯突出現(xiàn)象，最大突出強(qiáng)度 703t。近年來

8、的實(shí)踐表明，以前采用的預(yù) 測指標(biāo)臨界值未能反映 11#煤層的實(shí)際突出危險(xiǎn)情況， 導(dǎo)致掘進(jìn)過程中 防突措施工程量較大，在一定程度上影響了掘進(jìn)進(jìn)度，制約了生產(chǎn)的 進(jìn)一步發(fā)展。為此，對礦井突出危險(xiǎn)性預(yù)測敏感指標(biāo)及其臨界值專門 進(jìn)行了研究。研究工作分兩個(gè)階段進(jìn)行：第一階段為試驗(yàn)研究階段， 主要通過對歷史資料的統(tǒng)計(jì)分析和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，首先確定一個(gè)主要的 敏感指標(biāo)及其試驗(yàn)臨界值初值，通過現(xiàn)場試驗(yàn)，考察各個(gè)指標(biāo)的敏感 性，確定出敏感指標(biāo)及其臨界值；第二階段為擴(kuò)大應(yīng)用階段，通過增 加試驗(yàn)工作面?zhèn)€數(shù)，用確定出的敏感指標(biāo)及其臨界值指導(dǎo)生產(chǎn)，以期 進(jìn)行擴(kuò)大驗(yàn)證，根據(jù)驗(yàn)證結(jié)果可進(jìn)行必要的修正和最終確定。3.1 敏感指標(biāo)

9、試驗(yàn)初值的確定 在對礦井突出規(guī)律分析的基礎(chǔ)上，統(tǒng)計(jì)了多年來的歷史資料，經(jīng)過綜 合分析初步認(rèn)為鉆屑瓦斯解吸指標(biāo) k1在11#煤層較敏感，決定作為試 驗(yàn)期間的主要考察指標(biāo)。 其試驗(yàn)臨界值初值可通過以下 3個(gè)方面確定。3.1.1 歷史預(yù)測資料的統(tǒng)計(jì) 對全礦所有掘進(jìn)工作面的預(yù)測資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì) （共 528 次 ），結(jié)果見表 1。 1997-1999 年來的所有掘進(jìn)面的測定資料統(tǒng)計(jì)結(jié)果也具有大致相同的 測值分布規(guī)律。在試驗(yàn)初期，預(yù)測突出危險(xiǎn)率可取20%以上，試驗(yàn)初值可選用 0.6。表11999-01-2001-05全礦煤巷預(yù)測資料統(tǒng)計(jì)3.1.2 突出點(diǎn)附近指標(biāo)值的大小通過對 10 多次突出的分析，雖然突出

10、前的個(gè)別測定值小于 0.5，但突 出點(diǎn)前后的預(yù)測資料顯示，絕大多數(shù)的 k1 指標(biāo)值均大于 0.6，說明 k1 值大于 0.6 時(shí)能在一定程度上反映煤層突出危險(xiǎn)狀態(tài)的存在。 所以，試 驗(yàn)初值可選用 0.6。3.1.3 實(shí)驗(yàn)室確定結(jié)果煤層瓦斯壓 p 與 k1 值之間存在一定的相關(guān)關(guān)系，根據(jù)大量的破碎試驗(yàn) 和測試結(jié)果，煤層的最小突出瓦斯壓力與煤的堅(jiān)固性系數(shù)等指標(biāo)存在 一定的函數(shù)關(guān)系，所以通過煤質(zhì)力學(xué)指標(biāo)可確定煤層的突出臨界瓦斯 壓力值，繼而通過實(shí)驗(yàn)室測定的 k1p 關(guān)系模型便可確定出煤層的 k1 指標(biāo)臨界值。圖為 11#煤層的 k1p 關(guān)系模型。圖111e專用回風(fēng)巷煤樣k1 p關(guān)系模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果通過上

11、述方法，對不同地點(diǎn)煤樣的測定分析，分別確定出11#煤層的k1 指標(biāo)臨界值，見表 2。在試驗(yàn)初期，從安全的角度考慮，可以先取 0.6作為k1指標(biāo)臨界初值。表 2 實(shí)驗(yàn)室確定的 k1 指標(biāo)臨界值3.2 試驗(yàn)結(jié)果及應(yīng)用驗(yàn)證 主要預(yù)測指標(biāo)臨界初值確定后，選擇具有代表性的 2 條巷道作為試驗(yàn) 巷道，其中 111103 機(jī)巷上段分別處于集中應(yīng)力區(qū)和原始應(yīng)力區(qū)， 111103 軌巷上段一直處于集中應(yīng)力區(qū)，在加強(qiáng)安全防護(hù)措施的前提下進(jìn)行試 驗(yàn)，同時(shí)考察了 k1 、鉆粉量、鉆孔瓦斯涌出初速度及其衰減指標(biāo)、炮 后30min瓦斯涌出量v30和綜合指標(biāo)r。試驗(yàn)進(jìn)行了 3個(gè)月，共掘進(jìn)巷 道250.3m,測定48個(gè)循環(huán)、

12、95次測定，獲得k1數(shù)據(jù)1416個(gè)，q指標(biāo) 36次510個(gè)，c。指標(biāo)21個(gè)，s指標(biāo)1416個(gè)，r指標(biāo)87個(gè)，通過對測 定指標(biāo)、各種現(xiàn)象等的考察和綜合分析,確定出 k1 指標(biāo)為敏感指標(biāo), v1 指標(biāo)也具有相當(dāng)敏感性,考慮到 v30 指標(biāo)受到多個(gè)因素的影響,決 定作為參考指標(biāo)。在試驗(yàn)過程中,將 k1 指標(biāo)提高到 0.7 進(jìn)行了 2 個(gè)月 的試驗(yàn),未發(fā)生煤與瓦斯突出現(xiàn)象。根據(jù)以前多次突出前的 v1 指標(biāo)和 該指標(biāo)與 k1 指標(biāo)的對比,確定 v30 指標(biāo)的臨界值為 8m3/t 。 在第一階段確定了敏感指標(biāo)及其臨界值后, 隨即進(jìn)行了擴(kuò)大試驗(yàn)范圍, 進(jìn)行驗(yàn)證。先后在 5條巷道進(jìn)行擴(kuò)大應(yīng)用,掘進(jìn)巷道 353

13、.7m, 56個(gè)循 環(huán)79次測定，其中k1<0.5的儀9次，0.51<0.7的斯次，占58.2%,未 發(fā)生煤與瓦斯突出現(xiàn)象，見圖 2 圖 2 擴(kuò)大應(yīng)用試驗(yàn) k1 值分布圖3.3 敏感指標(biāo)及其臨界值的確定經(jīng)超過 600m 巷道的試驗(yàn)，確定出大灣礦 11#煤層界值，主要預(yù)測指標(biāo) 為 k1 指標(biāo)，其臨界值為 0.7；參考指標(biāo)為 v30 指標(biāo)，臨界值為 8m3/t 二者的使用方法是，當(dāng) k1 指標(biāo)預(yù)測或檢驗(yàn)不超標(biāo)時(shí)，可直接掘講，在 掘進(jìn)過程中，統(tǒng)計(jì)v30指標(biāo)，當(dāng)k1值進(jìn)行預(yù)測，突出危險(xiǎn)性根據(jù)預(yù)測 結(jié)果確定。采用該敏感指標(biāo)及其臨界值后， 在保證安全前提下， 提高了掘進(jìn)進(jìn)度， 減少了防突措施工程 50%以上，降低了防突成本。4 結(jié)語 突出預(yù)測敏感指標(biāo)及其臨界值的確定是一項(xiàng)非常有意義的工