义安矿掘进工作面煤与瓦斯突出预测指标研究

2013-11-12 04:20凡海东李永刚黄山耀

山西焦煤科技 2013年8期

周霏，凡海东，李永刚，黄山耀

(1.河南理工大学安全科学与工程学院，河南焦作 454000;2.义煤集团巩义铁生沟煤业有限公司，河南巩义 451200)

众所周知，在我国煤与瓦斯突出是在井下煤炭采掘过程中发生的一种机理极为复杂的瓦斯动力现象，也是近几年严重威胁煤矿安全生产的自然灾害之一。改革开放以来，随着我国用煤需求大增，煤矿开采深度加大，矿井瓦斯问题，特别是煤与瓦斯突出问题日益严重。尽管我国逐渐形成了“四位一体”的防突体系，但是从煤与瓦斯突出的预测观点来讲，其预测技术与方法成为了研究分析突出的首要环节和重点。

在我国2009年出版的《防治煤与瓦斯突出规定》［1］中第六条规定:“防突工作要坚持区域防突措施先行、局部防突措施补充的原则。并且突出矿井的采掘工作一定要做到不掘突出头、不采突出面。对未按要求采取区域综合防突措施的，严禁进行采掘活动。”显而易见，对突出矿井来说，准确预测煤与瓦斯突出，不但能减少防突措施的费用，而且还能使措施的有效性更加可靠和科学。

我们知道在煤与瓦斯突出的局部突出预测中，其中对工作面进行预测最为常用。预测就是根据在工作面进行采掘作业前采取一些方法和手段，能预先测定采掘工作面周围有无突出危险性。但工作面预测主要是根据工作面附近的地应力、瓦斯赋存状态以及煤的物理力学性质等因素来确定工作面前方的突出危险性。这就要求得到反映其突出危险性的预测指标，并且这些突出预测指标必须能反映地应力、瓦斯因素以及煤层破坏程度等。

1 突出预测敏感指标的研究

众所周知，敏感指标就是指对采掘的煤层进行突出危险性预测时，能够区分出煤层突出危险程度的指标，并且突出危险程度的大小主要体现在其预测指标数值大小及其变化规律。从数学语言上来说，就是在煤层的突出危险区和非突出危险区内，测定的预测指标在数值上应该有明显的区别，如果能够定量的区分开所预测区域突出危险性的大小，那么该指标就为敏感指标，反之则为不敏感指标。

当然，敏感指标的确定和研究在我国已进行了广泛的讨论。在“七五”期间提出的“三率法”，在“八五”期间提出的“适用条件—初步确定临界值—现场验证”的突出预测的理论体系，突出预测效果作用也很大。

近些年来，我国国内对敏感指标的确定和研究也运用各种各样的方法来确定煤层突出预测指标的敏感性，进而确定不同煤层、不同矿井、不同矿区的敏感指标，例如孙东玲教授［2］运用数理统计知识理论提出的“喷孔率”，以此来反映煤层突出危险性程度，进一步选择最后确定敏感指标;熊亚选博士［3］提出的灰色系统的理论，确定了突出指标的灰色关联分析方法;学者罗勇［4］更是利用人们想象不到的模糊聚类数学分析方法，建立敏感指标的数学模型，同样在淮南潘集矿区的3个矿井进行了成功的应用，效果很好。

目前，我国在工作面突出预测中经常使用的预测指标有钻屑量S，钻屑瓦斯解吸指标Δh2以及钻孔瓦斯涌出初速度q，这些指标在突出预测中起到非常大的作用。

钻屑量指标S是以反映地应力为主导作用的煤与瓦斯突出最为常用的预测指标。研究表明，它主要反映煤层的地应力和煤体强度，但也与瓦斯含量、压力有一定的相关性，因此，可作为一个反映突出危险性的综合指标。

钻屑瓦斯解吸指标Δh2是由煤炭科学研究总院抚顺分院提出，该指标在我国很早就进行了应用，分别写入了《防治煤与瓦斯突出细则》和《防治煤与瓦斯突出规定》，它表明煤体的瓦斯含量越高，煤体的破坏程度越大，解吸指标Δh2值也越大，反之亦然。

《防治煤与瓦斯突出规定》规定当采用复合指标法来预测煤巷掘进工作面突出危险性时，复合指标法的主要测试参数就是钻孔瓦斯涌出初速度q。研究表明:此指标也几乎全面地反映了决定煤层突出危险性的全部因素，例如煤层的应力状态、瓦斯含量、透气性以及煤的力学性质的变化等，故q值反映了煤与瓦斯突出的危险程度。

2 矿井概况

义煤集团义安煤矿位于新安煤田的中部，北东方向的以第31勘探线为界限，北西方向以新安县石寺洞子崖、正村石泉、二道桥以及新安等煤矿的深部边界为界;南东以二1煤底板等高线为界;南西方向则以19号勘探线为界;整个矿井的井田走向长为6.3 km，倾向长 5.5 km，面积约 28.744 km2，该矿的年设计生产能力是120万t。

义安矿采用立井开拓方式:一对立井两水平上下山开拓，其中第一水平平均标高为－318 m，二水平平均标高为－500 m。通风采用抽出式的中央并列式通风系统，在井田深部布置南风井，主、副井进风，形成中央分列式的通风系统。该矿处于新安熔岩水系统中心的深部滞留地带，水文质类型为简单类型。

自从2005年12月第一次发生突出以来，义安矿成为煤与瓦斯突出矿井，目前已发生煤与瓦斯突出3次。其中二1煤2次，二2煤1次，并且突出地点全部都发生在煤巷掘进工作面。鉴于此，该矿对煤巷掘进工作面采用目前常用的钻屑量指标S，钻屑瓦斯解吸指标Δh2以及钻孔瓦斯涌出初速度指标q来预测掘进工作面的突出危险性。

试验过程中，根据义安矿的煤与瓦斯突出实际情况，重点统计测定分析了该矿容易发生突出的二1煤层的12071机巷以及风巷、12081联络巷及风巷、11061风巷以及机巷、22011机巷、12011机巷以及风巷等将近9个掘进工作面的预测(效检)指标q、S、Δh2值的情况，进行下一步的研究分析。

3 突出预测敏感指标方法

突出预测敏感方法从数学语言上描述为:对某一采掘工作面进行煤与瓦斯突出危险性预测时，能够明显地区分出突出危险区域和非突出危险区域的指标，并且该指标数值在突出与非突出区域应该没有交叉或者交叉很小。

本文在前人研究的基础上，提出了突出危险度、预测指标的标准差分析以及模糊优先关系排序决策相结合的方法，来综合判断预测指标的敏感性。

1)突出危险度。

突出危险度是指突出预测指标X的实测值与其的临界值的比值，即称为该指标的突出危险度，用D(X)表示，可表示为:

式中:

D(X)—X的突出危险度;

Xmax—X的实测最大值;

XL—X的临界值(目前)。

突出危险度具有下列意义:

a)他们是无量纲的，并且恒为非负数。b)数值表示预测工作面地点的突出危险程度。在区间［0，1)时，无突出危险性;当等于1时，处于突出危险的临界值，但应按突出危险区管理;当大于1时，处于突出危险区。

2)标准差。

标准差亦称为标准偏差，它是对一组数据平均值分散程度的一种度量。其数学公式为:

式中:

Ximax—每一次预测循环中的最大值;

X—平均值。

3)模糊优先关系的排序决策。

众所周知，决策是人们在生活和工作中的一种有意义活动，是为了解决目前或未知事物来选择最佳方案的过程。而这里研究的模糊决策，就是把所研究论域中的对象按优劣顺序进行排序。

假定论域 U={x1，x2，…，xn}为 n个备选方案(这里也称为对象)，在论域U上确定一个模糊数学集合A，运用模糊数学的方法在于首先从n个备选方案中选择一种优先关系，然后进行排序，这就是本论文中的模糊优先关系排序决策。

然而，对任意论域中的对象xi与xj，当xi与xj相比较时xi对于A比xj对于A优越时，用rij表示，简称xi对xj的优先选择比，同时要求优先选择比rij满足:

上述表明:当xi与xi没有优越时，记rii=0;但如果xi与xj总是各有所长，那么就把两者的优越成分合在一起为1，即rij+rji=1;但当xj比xi有优越而未发觉xi比xj有任何优越时，则记rji，rij=0;如果xi与xj相比时，分不出优劣时，记rij=rji=0.5。

这里称满足(3)式的元素rij所组成的矩阵R，即:

为模糊优先矩阵，其所确定的关系就称为模糊优先关系。

取阈值λ∈［0，1］，得到λ－截矩阵:

其中:

在分析过程中可以发现，当λ由1逐步下降时，如果第一次出现Rλ，那么除对角线元素外它的第i1行元素全部等于1，这里就认为xi1是第一优越对象(不具有唯一性);同时在R中去掉xi1所在的行与列的全部元素，得出n－1阶的模糊矩阵，以此进行类推，运用该方法所得到的最优对象称之为第二优越对象;逐步发展下去，便可将全体研究对象列出，并且是按一定的优劣次序排列出来的［5］。

4 敏感指标确定

根据上述介绍的方法，假定论域U是由在义安矿所采用的三个预测指标q，Δh2，S所组成，即U={S，q，Δh2}，A=“煤与瓦斯突出预测指标”为论域 U上的模糊集，那么对预测指标S，q和Δh2来说，取在该矿跟踪986次循环中测定值，为了消除量纲的影响，进行量纲处理，最后进行模糊优先关系的排序决策，并进行两两比较，从而给出评分。

根据实验和计算，结果见表1。