齊黎明,盧云婷,關(guān)聯(lián)合,祁 明
(1.華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院,北京 101601; 2.開灤(集團)有限責(zé)任公司,河北 唐山 063018)
煤與瓦斯突出嚴重威脅著突出礦井的安全生產(chǎn),《煤礦安全規(guī)程》和《防治煤與瓦斯突出細則》(2019)均要求突出礦井采取兩個“四位一體”的綜合防突措施。突出預(yù)測是“四位一體”綜合防突措施的第一步,推薦的區(qū)域預(yù)測方法所涉及的指標較少,只有瓦斯壓力和瓦斯含量;而推薦的局部預(yù)測方法所涉及的指標相對較多,包括鉆屑指標法(Δh2、K1和S)、復(fù)合指標法和R指標法3大類,具體包括 4種指標(Δh2、K1、S和q),其中Δh2、K1均為鉆屑瓦斯解吸指標,S為鉆屑量,q為鉆孔瓦斯涌出初速度,R為S、q的復(fù)合函數(shù)。
在不同的地質(zhì)條件下,上述4種指標在預(yù)測煤與瓦斯突出風(fēng)險的敏感性方面,存在著差異;如果被選用的指標不敏感,會導(dǎo)致風(fēng)險誤判,易造成事故。為此,許多省份出臺的地方性法規(guī)中,明確要求突出礦井開展突出危險性預(yù)測敏感指標優(yōu)選,《河北省煤礦瓦斯綜合治理辦法》第三十九條就明確提出“有突出礦井的煤礦企業(yè)應(yīng)根據(jù)所屬礦井煤層的不同狀況,確定符合實際的防突預(yù)測預(yù)報指標體系”。
有關(guān)確定突出預(yù)測敏感指標方法的研究,在公開發(fā)表的文獻上,研究成果較多,但具有明顯的局限性。為此,本研究對確定煤與瓦斯突出預(yù)測敏感指標的新方法進行探索與工程應(yīng)用。
敏感指標指突出預(yù)測時,能靈敏反映突出危險程度,明顯地區(qū)分煤體是否具有突出危險的預(yù)測指標。突出預(yù)測敏感指標在進行工作面預(yù)測時,突出與非突出的測值要有明顯的界限,交叉較少甚至無交叉[1]。
針對怎樣確定敏感指標的問題,國外相關(guān)研究較少,國內(nèi)近年來進行了較多的研究。屠錫根等給出了確定敏感指標的定量判斷標準,當(dāng)能夠同時滿足預(yù)測突出率低于30%、預(yù)測突出準確率超過60%、預(yù)測威脅的準確率超過95%時,就認為此指標為該煤層突出預(yù)測的敏感指標[2];王佑安等提出了根據(jù)預(yù)測數(shù)據(jù)計算預(yù)測突出率、預(yù)測突出準確率及預(yù)測不突出準確率來確定敏感指標的方法,即“三率法”[3];“四率法”是在“三率法”的基礎(chǔ)上改進而來,增加了能夠反映突出漏報率的預(yù)測準確率;周松元運用專家統(tǒng)計法定量分析預(yù)測數(shù)據(jù),并根據(jù)分析結(jié)果與突出危險的關(guān)系確定敏感指標[4];孫東玲運用方差分析法結(jié)合噴孔率,分析突出預(yù)測指標的敏感度[5];彭榮富利用灰色關(guān)聯(lián)分析法分析不同指標與突出的關(guān)聯(lián)性來確定敏感指標[6];李成武等在焦作、北漂等地試驗了基于模糊理論確定預(yù)測指標臨界值的有效性[7];王世超等建立了基于模糊數(shù)學(xué)和多元統(tǒng)計的預(yù)測指標敏感度函數(shù)數(shù)學(xué)模型[8];趙濤濤、張兆一采用了模糊聚類分析方法確定敏感指標[9-10];楊宏民等提出了基于“三率法”和模糊聚類分析法確定敏感指標的方法[11];史廣山利用主成分分析和指標的離散性對回采工作面預(yù)測指標的敏感性進行了分析[12];張嘉勇等通過離散回歸理論分析,將瓦斯涌出量特征值作為預(yù)警指標[13]。
傳統(tǒng)指標敏感性確定方法的應(yīng)用,必須擁有大量突出和非突出的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),否則,無法實施。然而,在突出煤層中,一般認為,真正具有突出危險的區(qū)域僅占10%,并且,《煤礦安全規(guī)程》和《防治煤與瓦斯突出細則》(2019)均要求“不掘突出頭、不采突出面”,即在開展工作面局部突出預(yù)測之前,已經(jīng)采取了區(qū)域綜合防突措施,突出危險性已經(jīng)基本消除。因此,在井下的局部突出預(yù)測中,動力現(xiàn)象很少,甚至幾乎沒有,這正是傳統(tǒng)方法在新的歷史時代所面臨的最大局限。
隨著采掘工作的延伸,很多高瓦斯礦井(甚至包括低瓦斯礦井)都將升級為突出礦井;升級為突出礦井后,就必須優(yōu)選出突出預(yù)測敏感指標。然而,傳統(tǒng)方法在新時代又存在明顯的局限性,急需探索出新的突出預(yù)測敏感指標確定方法。
我國是世界上煤與瓦斯突出災(zāi)害發(fā)生最為嚴重的國家,突出礦井主要分布在全國17個省、自治區(qū)和直轄市[14];截至2010年底, 我國已累計發(fā)生煤與瓦斯突出20 000余次[15]。很多學(xué)者采用傳統(tǒng)敏感指標確定方法,并結(jié)合煤與瓦斯突出記錄資料和現(xiàn)場突出預(yù)測實踐所掌握的信息,為很多礦井確定了突出預(yù)測敏感指標。
對已經(jīng)確定了突出預(yù)測敏感指標的礦井(或煤層)進行調(diào)研、統(tǒng)計和分析,并最終得出各預(yù)測指標所適用的地質(zhì)條件,該指標即為該地質(zhì)條件下的敏感指標,簡稱統(tǒng)計分析法。調(diào)研對象為已經(jīng)確定了突出預(yù)測敏感指標的礦井(或煤層),調(diào)研方式包括通訊咨詢、現(xiàn)場考察和網(wǎng)絡(luò)搜索等,調(diào)研內(nèi)容主要包括突出預(yù)測敏感指標的選用情況及地質(zhì)條件(主要包括地應(yīng)力、瓦斯壓力、煤體強度、瓦斯放散初速度及煤的構(gòu)造種類等)。
根據(jù)設(shè)計的探索方案,調(diào)研共獲取了100多份樣本;對于信息不完整的樣本(比如只有敏感指標信息,而缺少煤層特點方面的資料),直接刪除;對于從不同渠道獲取的同類信息(比如從不同期刊獲取的同一煤層突出資料信息),進行合并。經(jīng)整理、合并及刪減后,樣本信息比較完整、可靠的有59個,部分(26個)樣本信息如表1所示。
表1 部分(26個)樣本信息
由表1可知,鉆孔瓦斯涌出初速度q在河南得到廣泛使用,將鉆孔瓦斯涌出初速度q列為突出預(yù)測敏感指標的區(qū)域,有一個共同的特點是屬于典型的突出煤層(f值低、ΔP高和Ⅳ、Ⅴ類煤),因此,對于典型的突出煤層,建議選擇q為敏感指標。將瓦斯解吸指標Δh2和K1作為敏感指標的應(yīng)用非常廣泛,除了典型的突出煤層區(qū)域和高應(yīng)力區(qū)域(采深大、構(gòu)造復(fù)雜),一般都是優(yōu)先選用瓦斯解吸指標Δh2和K1作為敏感指標,并且,選擇二者的區(qū)域一般瓦斯?jié)舛榷急容^高,因此,對于以瓦斯為主導(dǎo)的突出,建議選擇Δh2、K1指標為敏感指標。除了局部區(qū)域外,幾乎所有的調(diào)研對象都將鉆屑量S作為敏感指標,特別是在采深大、構(gòu)造復(fù)雜的區(qū)域,該指標的地位更加重要,因此,對于以應(yīng)力為主導(dǎo)的突出,建議選擇鉆屑量S為敏感指標。
根據(jù)上述分析結(jié)果可知,q適用于典型的突出煤層,Δh2和K1適用于以瓦斯為主導(dǎo)的突出煤層,S適用于以應(yīng)力為主導(dǎo)的突出煤層。各突出預(yù)測指標的適用性如表2所示。
表2 各突出預(yù)測指標的適用性
在應(yīng)用統(tǒng)計分析法確定突出預(yù)測敏感指標時,首先,應(yīng)摸清煤層的地質(zhì)條件,并分析其煤與瓦斯突出控制性因素;然后,根據(jù)表2的對應(yīng)關(guān)系,確定1~2個指標為其突出預(yù)測敏感指標;最后,在突出預(yù)測實踐中,進行檢驗。
在開灤礦區(qū),共有3個突出礦井,分別是馬家溝礦、趙各莊礦和錢家營礦。本研究共收集了開灤礦區(qū)47次煤與瓦斯突出的記錄卡片,記錄的信息包括每次突出發(fā)生的條件(包括采深、采掘作業(yè)類型、煤層厚度、傾角、煤體硬度、頂?shù)装鍘r性、動力災(zāi)害發(fā)生時的相對瓦斯涌出量、鄰近層開采情況和地質(zhì)條件)及動力災(zāi)害的強度(拋出煤量和瓦斯涌出量)。
有些條件(采深、煤層厚度、傾角、動力災(zāi)害發(fā)生時的相對瓦斯涌出量)是定量的,有些條件(采掘作業(yè)類型、煤體硬度、頂?shù)装鍘r性、鄰近層開采情況和地質(zhì)構(gòu)造)是定性的。在采用數(shù)學(xué)方法分析其權(quán)重時,需要將定性的條件量化。另外,瓦斯動力災(zāi)害結(jié)果包括拋出煤量和瓦斯涌出量,這兩個方面需要聯(lián)合起來,形成一個評價瓦斯動力災(zāi)害后果的指標。
由于突出地點全部發(fā)生在掘進過程中,作業(yè)類型包括石門揭煤、上山掘進和平巷掘進,將發(fā)生事故的采掘作業(yè)類型量化為1,其余兩個為0;將松軟煤層量化為1,中硬煤層量化為0;巖性包括頁巖、中粒砂巖、細砂巖和粉砂巖4種,將相應(yīng)的量化為1,其余為0;鄰近層開采情況包括停采位置、不可采、未開采和已采4種,同樣,將相應(yīng)的量化為1,其余為0;地質(zhì)條件比較復(fù)雜,但是,主要為地質(zhì)構(gòu)造和煤層重疊,有就量化為1,否則為0;拋出煤量比瓦斯涌出量要小約2個數(shù)量級,因此,將瓦斯動力災(zāi)害嚴重程度量化為拋出煤量和瓦斯涌出量的1%之和。
在量化處理后,根據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測法,編制好相應(yīng)的計算程序;輸入量化處理后的數(shù)據(jù),并運行程序,即可得出各影響因素與瓦斯動力災(zāi)害結(jié)果之間的相關(guān)性。計算結(jié)果越接近于1,表明其相對應(yīng)的自變量與因變量的相關(guān)關(guān)系越顯著,即該因素對瓦斯動力災(zāi)害的影響權(quán)重越大。
運行計算結(jié)果顯示,與瓦斯動力災(zāi)害的相關(guān)性最緊密的前5位因素是:煤厚、粉砂巖、石門、地質(zhì)構(gòu)造、煤層重疊;在這5個因素中,石門和粉砂巖均對煤體有較好的封閉作用,有效阻礙煤體瓦斯釋放,煤厚異常和煤層重疊也是地質(zhì)構(gòu)造運動影響的結(jié)果。因此,在開灤礦區(qū),對煤與瓦斯突出起控制性作用的因素主要為地質(zhì)構(gòu)造所產(chǎn)生的高應(yīng)力,其次是高壓瓦斯。
根據(jù)各突出預(yù)測指標適用性,并結(jié)合開灤礦區(qū)的瓦斯動力災(zāi)害控制性因素,在開灤礦區(qū)煤與瓦斯突出預(yù)測指標應(yīng)首選鉆屑量S,次選瓦斯解吸指標Δh2和K1。
《河北省煤礦瓦斯綜合治理辦法》第四十七條要求,工作面突出危險性預(yù)測和工作面防突措施效果檢驗應(yīng)至少采用1種具備儲存、顯示功能的儀器,設(shè)備內(nèi)儲存的數(shù)據(jù)保持2 d以上。目前,市場上的常規(guī)突出預(yù)測指標(q、Δh2、K1和S)測定儀器,具備該功能并且應(yīng)用比較成熟的,只有用于測定K1的WTC瓦斯突出參數(shù)儀。
因此,考慮到《河北省煤礦瓦斯綜合治理辦法》第四十七條對突出預(yù)測儀器在儲存、顯示功能方面的要求,開灤礦區(qū)的突出預(yù)測指標選定為S和K1。
在開灤礦區(qū)錢家營礦5煤層的1355、1356和1358等3個工作面,應(yīng)用初選的煤與瓦斯突出預(yù)測指標S和K1,開展現(xiàn)場突出預(yù)測試驗,預(yù)測結(jié)果見圖1。
(a)1355回風(fēng)邊眼
(b)1356回風(fēng)巷
(c)1358回風(fēng)巷
(d)1358運輸巷
在突出預(yù)測和隨后的掘進過程中,均沒有任何動力現(xiàn)象,沒有突出危險。由圖1可以看出,K1最高值為0.21 mL/(g·min1/2),只有臨界值的42.0%,S最高值為5.5 kg/m,為臨界值的91.7%,均未超標,因此,突出預(yù)測指標測試數(shù)據(jù)反映的突出危險性與實際相吻合。在測試地點,瓦斯起主導(dǎo)作用的K1較小,地應(yīng)力起主導(dǎo)作用的S相對較高;這與尚未考慮測試儀器要求時的預(yù)測指標優(yōu)選結(jié)果“在開灤礦區(qū),煤與瓦斯突出預(yù)測指標應(yīng)首選鉆屑量S,次選瓦斯解吸指標Δh2和K1”是一致的。因此,從現(xiàn)場工程實踐來看,將S和K1定為開灤礦區(qū)突出預(yù)測敏感指標,是合適的。
1)煤與瓦斯突出預(yù)測傳統(tǒng)指標敏感性確定方法存在較大局限性,面對市場需求,急需探索出新的突出預(yù)測敏感指標確定方法。
2)提出了用于確定突出預(yù)測敏感指標的統(tǒng)計分析法,找出了各預(yù)測指標適應(yīng)的地質(zhì)條件;q適用于典型的突出煤層,Δh2和K1適用于以瓦斯為主導(dǎo)的突出煤層,S適用于以應(yīng)力為主導(dǎo)的突出煤層。
3)在開灤礦區(qū),對煤與瓦斯突出起控制性作用的因素主要為高應(yīng)力,其次是高壓瓦斯;結(jié)合《河北省煤礦瓦斯綜合治理辦法》第四十七條的要求,選定其突出預(yù)測敏感指標為S和K1。