煤与瓦斯突出预测敏感指标及其临界值的确定方法

       工作面煤与瓦斯突出(以下简称突出)危险性预测和防突措施效果检验是突出矿井进行防突管理的两项关键工作。目前我国大多数突出矿井，在进行突出危险性预测时所采用的预测指标及其临界值基本上都是按照《防治煤与瓦斯突出细则》所推荐的。但是，针对不同的矿井或煤层，突出预测指标的敏感性及其临界值可能是不同的，甚至存在很大的差异。矿井在使用中应通过现场试验，摸索和确定适合本矿煤层实际情况的突出预测指标及其临界值。否则，可能因为指标不敏感或临界值不合适而造成预测结果的不准确，导致误判，结果发生突出事故或增加不必要的防突措施工程。所以，确定矿井突出预测敏感指标及其临界值是防突工作中一项十分重要的内容。

　　1预测敏感指标的概念及确定方法

　　突出预测敏感指标是指针对某一煤层进行突出危险性预测时，在目前技术水平条件下能够较为明显地区分突出危险和非突出危险的指标。

　　煤与瓦斯突出是一种复杂的瓦斯动力现象，是由地应力、瓦斯及煤的物理力学性质3种因素综合作用的结果。理想的预测指标应是能够完全反映引发突出的3个因素，而实际上，目前常用的预测指标仅是间接和部分反映这3个突出预测因素。对不同矿井、煤层或区域，突出的主导因索有所不同，3种因素在导致突出作用中的贡献比重有所不同。所以，主要反映突出3因素中某1个因素或两方面因素的不同指标，其预测突出危险的敏感性会有所不同。同时，预测指标还在一定程度上或多或少地受到现场测试条件、仪器性能、操作人员责任心等外部条件和人为因素的影响，使测定出的指标值影响因素复杂，从而影响指标的敏感性。

　　判断一种指标是否敏感，主要考虑两个方面的因素：一是指标值的大小是否随着突出危险性的大小明显变化；二是影响指标值大小的突出危险因素是否大于测定误差等外部条件和人为因素。具体确定时可根据在有无突出危险时的指标值大小及其变化幅度，以及测试环境、手段、人员水甲等引起的测定误差大小等判断，如在突出危险区与非危险区、突出点附近与正常带、打钻时喷孔等动力现象(严重度与频度等)与正常时、措施前后等测值的变化情况，以及测值统计结果分布规律、指标与其他敏感指标的对比等进行判断。所以预测敏感指标，必须通过对各种指标的实际考察，结合本矿煤层或区域的具体测试条件来确定，其敏感指标既能体现出本矿煤层的突出主导因素，又适应矿井的具体测试条件，从而较好地符合矿井实际。

　　2敏感指标临界值的确定方法

　　对于一个敏感指标而言，希望存在一个理想的临界值，超过该值一般会发生突出，否则就不发生突出。但是，实际情况并不是这样，突出危险性是一个概率的概念，一般随着指标测定值的增高，发生突出的概率会增大。所以理想的临界值并不存在，实际存在的是一个临界范围。当测定值小于此范围时没有突出危险。高于时大多都会发生突出，而在该范围内时，可能发生突出，也可能不发生突出。为便于生产管理，需要在此范围内确定一个合理的临界点，这样既能保障安全生产，又尽可能地解放生产力，提高采掘进度。根据我国目前预测技术水平的实际情况，一般情况下，合适的临界值应该是：当测定值大于它时发生突出的可能性为50%～60%，而小于该值时基本不发生突出，即突出的可能性很小，矿井的预测突出危险率根据煤层危险程度的不同会有所不同，一般矿井可控制在20%~30%。

　　敏感指标临界值现场考察方法主要有：①不首先设定试验临界值，在不采取任何防突措施的情况下，根据多次实际突出前的指标测定值与不突出时的测定值相比较直接确定。此法虽然直观和简便，但很不安全，容易使安全生产陷入被动，一般矿井难以接受。②现场试验摸索，试验临界值由低向高逐步提高，直到发生瓦斯动力现象为止。此法虽然较为安全，但试验周期较长。③现场试验摸索，先确定一个较高的试验临界值，在此临界值以下根据实际突出或其他现象确定。此法比第一种方法稍好，但仍不安全，矿井同样难接受。④通过各种方法先确定一个比较接近真实临界值的试验临界值，再通过现场试验进行修正和适当调整。这种方法比较科学，既能缩短试验周期，同时又尽可能地保证了安全生产。

　　根据多年来的研究和实践表明，可以通过历史资料统计、实验室和现场试验等相结合的方法来综合确定突出危险预测敏感指标及其临界值。

　　值得指出的是，一些矿井在发生了个别的“低指标突出”现象后，没有经过具体分析就降低指标临界值或怀疑指标的敏感性，这是不科学、不可取的做法。关于“低指标突出”现象的原因是复杂的，可能与地质构造的影响、突出主导因素的改变、预测人员的操作、钻孔布置、仪器性能等因素有关，也可能与指标本身的局限性有关。可通过提高预测人员素质、规范操作行为、采用多指标预测和结合工作面各种情况综合判断等措施降低这种现象的发生概率。

　3预测敏感指标及其临界值确定实例

　　水城矿业(集团)有限责任公司大湾煤矿11#煤层共发生了17次煤与瓦斯突出现象，最大突出强度703t。近年来的实践表明，以前采用的预测指标临界值未能反映11#煤层的实际突出危险情况，导致掘进过程中防突措施工程量较大，在一定程度上影响了掘进进度，制约了生产的进一步发展。为此，对矿井突出危险性预测敏感指标及其临界值专门进行了研究。研究工作分两个阶段进行：第一阶段为试验研究阶段，主要通过对历史资料的统计分析和实验室试验，首先确定一个主要的敏感指标及其试验临界值初值，通过现场试验，考察各个指标的敏感性，确定出敏感指标及其临界值；第二阶段为扩大应用阶段，通过增加试验工作面个数，用确定出的敏感指标及其临界值指导生产，以期进行扩大验证，根据验证结果可进行必要的修正和最终确定。

　　3.1敏感指标试验初值的确定

　　在对矿井突出规律分析的基础上，统计了多年来的历史资料，经过综合分析初步认为钻屑瓦斯解吸指标K1在11#煤层较敏感，决定作为试验期间的主要考察指标。其试验临界值初值可通过以下3个方面确定。

　　3.1.1历史预测资料的统计

　　对全矿所有掘进工作面的预测资料进行统计(共528次)，结果见表1。1997-1999年来的所有掘进面的测定资料统计结果也具有大致相同的测值分布规律。在试验初期，预测突出危险率可取20%以上，试验初值可选用0.6。

　　表1

　　1999-01-2001-05全矿煤巷预测资料统计

　　3.1.2突出点附近指标值的大小

　　通过对10多次突出的分析，虽然突出前的个别测定值小于0.5，但突出点前后的预测资料显示，绝大多数的K1指标值均大于0.6，说明K1值大于0.6时能在一定程度上反映煤层突出危险状态的存在。所以，试验初值可选用0.6。

　　3.1.3实验室确定结果

　　煤层瓦斯压p与K1值之间存在一定的相关关系，根据大量的破碎试验和测试结果，煤层的最小突出瓦斯压力与煤的坚固性系数等指标存在一定的函数关系，所以通过煤质力学指标可确定煤层的突出临界瓦斯压力值，继而通过实验室测定的K1—p关系模型便可确定出煤层的K1指标临界值。图为11#煤层的K1—p关系模型。

　　图111E专用回风巷煤样K1—p关系模型实验结果

　　通过上述方法，对不同地点煤样的测定分析，分别确定出11#煤层的K1指标临界值，见表2。在试验初期，从安全的角度考虑，可以先取0.6作为K1指标临界初值。

　表2实验室确定的K1指标临界值

　　3.2试验结果及应用验证

　　主要预测指标临界初值确定后，选择具有代表性的2条巷道作为试验巷道，其中111103机巷上段分别处于集中应力区和原始应力区，111103轨巷上段一直处于集中应力区，在加强安全防护措施的前提下进行试验，同时考察了K1、钻粉量、钻孔瓦斯涌出初速度及其衰减指标、炮后30min瓦斯涌出量V30和综合指标R。试验进行了3个月，共掘进巷道250.3m，测定48个循环、95次测定，获得K1数据1416个，q指标36次510个，C。指标21个，S指标1416个，R指标87个，通过对测定指标、各种现象等的考察和综合分析，确定出K1指标为敏感指标，V1指标也具有相当敏感性，考虑到V30指标受到多个因素的影响，决定作为参考指标。在试验过程中，将K1指标提高到0.7进行了2个月的试验，未发生煤与瓦斯突出现象。根据以前多次突出前的V1指标和该指标与K1指标的对比，确定V30指标的临界值为8m3/t。

　　在第一阶段确定了敏感指标及其临界值后，随即进行了扩大试验范围，进行验证。先后在5条巷道进行扩大应用，掘进巷道353.7m，56个循环79次测定，其中K1<0.5的仪9次，0.51<0.7的斯次，占58.2%，未发生煤与瓦斯突出现象，见图2。

　　图2扩大应用试验K1值分布图

　　3.3敏感指标及其临界值的确定

　　经超过600m巷道的试验，确定出大湾矿11#煤层界值，主要预测指标为K1指标，其临界值为0.7；参考指标为V30指标，临界值为8m3/t。二者的使用方法是，当K1指标预测或检验不超标时，可直接掘讲，在掘进过程中，统计V30指标，当K1值进行预测，突出危险性根据预测结果确定。

　　采用该敏感指标及其临界值后，在保证安全前提下，提高了掘进进度，减少了防突措施工程50%以上，降低了防突成本。

　　4结语

　　突出预测敏感指标及其临界值的确定是一项非常有意义的工作，各矿井应根据自身特点进行摸索确定。采用历史资料统计、实验室和现场试验等相结合的方法确定敏感指标及其临界值是较简便、可靠的方法。应尽量采用多指标预测，避免“低指标突出”现象的发生。

　　参考文献：

　　[1]文光才，赵旭生，等．大湾矿突出预测敏感指标及其临界值的研究[R].重庆：煤炭科学研究总院重庆分院，2003

　　[2]胡千庭，邵军，等.工作面预测敏感指标值确定方法的研究[R].重庆：煤炭科学研究总院重庆分院，1995