煤与瓦斯突出预测敏感指标及其临界值的确定方法

2007 年 6 月 矿业安全与环保 第 34 卷第 3 期
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 %。
表 1 1999 - 01 —2001 - 05 全矿煤巷预测资料统计
K1 值分布范围 ≥0. 5 ≥0. 6 ≥0. 7 ≥0. 8 ≥0. 9 ≥1. 0 占总次数比例Π% 31. 8 22. 9 15. 5 10. 2 5. 3 3. 4
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
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 2 实验室确定的 K1 指标临界值
煤样号
采 样 地 点
1
11E 专用回风平巷 (距突出点约 70 m)
K1 指标临界值 0. 7
2
11W 集中机巷 (突出点)
Baidu Nhomakorabea
0. 6
3
111103 轨巷 (距突出点约 20 m)
0. 7
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 30 min 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. 3 m ,测定 48 个循环 、95 次测定 ,获得 K1 数据 1 416个 , q 指标 36 次 510 个 , Cq 指标 21 个 , S 指标 1 416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 , V30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 V30 指 标和该指标与 K1 指标的对比 ,确定 V30 指标的临界 值为 8 m3Πt 。
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[1] 。
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
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 。
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. 7 m ,56 个循环 79 次 测定 ,其中 K1 < 0. 5 的仅 9 次 ,0. 5 < K1 < 0. 7 的 46 次 ,占 58. 2 % ,未发生煤与瓦斯突出现象 ,见图 2 。
2007 年 6 月 矿业安全与环保 第 34 卷第 3 期
应用技术
煤与瓦斯突出预测敏感指标及其 临界值的确定方法
赵旭生1 ,2 ,董银生3 ,岳超平2
(1. 山东科技大学 资源与环境学院 ,山东 青岛 266510 ; 2. 煤炭科学研究总院重庆分院 ,重庆 400037 ; 3. 宁夏煤矿安全监察局 银南分局 ,宁夏 银川 751411)
收稿日期 :2006 - 09 - 05
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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 ,突出的主导因素有所不同 ,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 、人员水平等引起的测 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 。
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系模型便可确定出煤层的 K1 指标临界值[2] 。图 1 为 11 # 煤层的 K1 —p 关系模型 。
图 1 11E 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 。
a —111103 轨道巷上段 ;b —111103 轨道巷下段 ;c —111103 机巷下段 ;d —111104 切眼 ;e —111104 机巷上段 。 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 600 m 巷道的试验 ,确定出大湾矿 11# 煤层
摘 要 :论述了突出预测敏感指标及其临界值的概念 、判断原则和确定方法 ,结合大湾矿的实践 ,介 绍了一种集历史资料统计 、实验室和现场试验相结合的突出预测敏感指标及其临界值的确定过程 、步骤 和方法 ,对钻屑瓦斯解吸指标 K1 、钻孔瓦斯涌出初速度及其衰减指标 、钻粉量 、炮后 30 min 吨煤瓦斯涌 出量指标 V30 和综合指标 R 的敏感性进行了考察 ,并在此基础上研究和确定了 K1 指标和 V30 指标的临 界值 。
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 。
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 703 t 。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[1] 。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
关键词 :突出危险性预测 ;敏感指标 ;临界值 ;确定方法 中图分类号 : TD713 + . 2 文献标识码 :C 文章编号 :1008 - 4495 (2007) 03 - 0028 - 03
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 。
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