煤與瓦斯突出預(yù)測敏感指標確定方法探索及應(yīng)用

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。

1 探索突出預(yù)測敏感指標確定新方法的必要性

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。

2 突出預(yù)測敏感指標確定新方法探索

2.1 探索方案設(shè)計

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)。

2.2 探索方案實施

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。

2.3 新方法的應(yīng)用

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。

3 工程應(yīng)用

3.1 開灤礦區(qū)瓦斯動力災(zāi)害控制性因素分析

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。

3.2 開灤礦區(qū)煤與瓦斯突出預(yù)測敏感指標優(yōu)選

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。

3.3 開灤礦區(qū)煤與瓦斯突出預(yù)測工程實踐

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。

4 結(jié)語

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。