盧衛(wèi)永，宋維賓

（河南理工大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454000）

·試驗(yàn)研究·

中泰煤礦煤與瓦斯突出預(yù)測(cè)指標(biāo)敏感性研究

盧衛(wèi)永，宋維賓

（河南理工大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454000）

為了考察鶴壁中泰煤礦鉆屑量最大值Smax、鉆屑瓦斯涌出初速度qm以及鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)△h2對(duì)該礦煤與瓦斯突出預(yù)測(cè)的敏感性，運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)分析法對(duì)這三個(gè)指標(biāo)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析處理，比較其突出危險(xiǎn)敏感性的大小，得到了突出最敏感的預(yù)測(cè)指標(biāo)，可以提高突出預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的可靠性。

煤與瓦斯突出；敏感性指標(biāo)；灰色關(guān)聯(lián)分析法；預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的可靠性

全國(guó)煤與瓦斯突出統(tǒng)計(jì)情況表明：80%以上的煤與瓦斯突出都發(fā)生在煤巷掘進(jìn)工作面［1］。各煤與瓦斯突出礦井，均按照《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》［2］的規(guī)定指標(biāo)，進(jìn)行煤巷掘進(jìn)工作面突出危險(xiǎn)性的預(yù)測(cè)，然而由于各個(gè)礦井實(shí)際地質(zhì)條件的不同，很難判別選取那種指標(biāo)來(lái)進(jìn)行決策。如何選取適合各自礦井的預(yù)測(cè)指標(biāo)來(lái)進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)成為迫切需要解決的問(wèn)題。為提高中泰煤礦煤巷掘進(jìn)突出預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性及有效性，作者采用鉆屑量最大值Smax值、鉆孔瓦斯涌出初速度qm值和鉆屑解吸指標(biāo)△h2這三項(xiàng)指標(biāo)在鶴壁礦區(qū)中泰煤礦33071下順槽掘進(jìn)工作面進(jìn)行了探索性試驗(yàn)，運(yùn)用理論分析與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)相結(jié)合的方法，比較這三項(xiàng)煤與瓦斯突出預(yù)測(cè)指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度的大小，從而得到敏感度最高的預(yù)測(cè)指標(biāo)，以該指標(biāo)作為突出預(yù)測(cè)的最可靠指標(biāo)，這對(duì)礦井的安全、高效生產(chǎn)有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 煤與瓦斯突出預(yù)測(cè)指標(biāo)

在國(guó)內(nèi)，《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》中規(guī)定的煤巷掘進(jìn)工作面突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)指標(biāo)的具體情況見(jiàn)表1。

表1 煤巷掘進(jìn)工作面突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)指標(biāo)表

△h2的物理意義是10 g煤樣自煤體脫落暴露在大氣中，第3分鐘到第5分鐘的累積瓦斯解吸量，即煤樣開(kāi)始解吸測(cè)定頭兩分鐘的瓦斯解吸量，以水柱計(jì)壓差值來(lái)表示；K1值的物理意義是煤樣自煤體脫落暴露在大氣中后第1分鐘內(nèi)，每克煤的瓦斯解吸量。即△h2和K1都代表了煤體暴露后的瓦斯解吸量，所以在突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)時(shí)選用一個(gè)即可［3-4］。

按照《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》的規(guī)定，鉆屑量的最大值Smax的測(cè)定方法包括容量法和重量法，即鉆孔每鉆進(jìn)1 m，收集該1 m的全部鉆屑量，用量具測(cè)量鉆屑的體積或用彈簧秤進(jìn)行稱(chēng)重，取最大的鉆屑量值記為Smax，單位是kg／m［5］，此次試驗(yàn)采用重量法。

瓦斯涌出初速度qm的測(cè)定方法為：沿著工作面采煤和掘進(jìn)方向，在煤層內(nèi)打深為3．5 m、直徑為42mm的鉆孔，再用專(zhuān)門(mén)的封孔器密封住孔底0．5m長(zhǎng)的鉆孔用作測(cè)量室。在封孔以后2min時(shí)測(cè)定的由導(dǎo)氣管流出的瓦斯流量即是鉆孔瓦斯涌出初速度qm。

按照《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》的規(guī)定，鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)△h2的測(cè)定方法為：打鉆時(shí)，在預(yù)定的位置取出鉆屑，用孔徑d1mm和d3mm的篩子篩分（d1 mm的篩子在下，d3mm的篩子在上）將篩分好的d1 mm～d3mm粒度的試樣裝入MD-2型解吸儀的煤樣瓶中，試樣裝至煤樣憑刻度線(xiàn)水平（10g左右），自鉆孔打至該采樣段起3min后，啟動(dòng)秒表，轉(zhuǎn)動(dòng)三通閥，使煤樣與大氣隔離，在2min時(shí)記錄解吸儀讀數(shù)，該值即為△h2，單位為Pa［5］。

2 試驗(yàn)地點(diǎn)選取

試驗(yàn)地點(diǎn)選在中泰煤礦井下33071下順槽，該工作面煤層堅(jiān)固性系數(shù)為0．26～0．47，煤的破壞類(lèi)型為Ⅳ、Ⅴ類(lèi)，煤層原始瓦斯含量為15．8～20．8m3／t，測(cè)定煤層瓦斯壓力為0．6～1．44MPa，透氣性系數(shù)λ為0．0213～0．1819m2／（MPa2·d），瓦斯放散指數(shù)ΔP為12～20，屬于嚴(yán)重突出危險(xiǎn)工作面。

3 突出指標(biāo)敏感性的應(yīng)用

3．1 建立指標(biāo)體系和系統(tǒng)映射量

以鉆屑量最大值Smax、鉆孔瓦斯涌出初速度qm和鉆屑瓦斯解吸△h2三項(xiàng)指標(biāo)建立指標(biāo)體系，組成映射量［6-7］。

建立反映突出危險(xiǎn)程度的系統(tǒng)映射函數(shù)的方法如下：

式中：

X—由Smax、qm和△h2實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)所構(gòu)成的矩陣；

f（X）—映射量函數(shù)；

Xj（i）—同一次實(shí)測(cè)所得到的的原始數(shù)據(jù)Si、qi、△h2i，i=1，2，…，22，j=1，2，3；

i—數(shù)據(jù)組編排序號(hào)；

j—指標(biāo)數(shù)據(jù)的編排序列號(hào)；

n—指標(biāo)數(shù)據(jù)所在的組數(shù)；

m—指標(biāo)體系指標(biāo)容量的大?。?-7］。

3．2 無(wú)量綱化處理原始數(shù)據(jù)

因?yàn)槿N預(yù)測(cè)指標(biāo)所用的量綱單位不同，數(shù)值也有較大差異，無(wú)量綱化處理原始數(shù)據(jù)，以此來(lái)消除各指標(biāo)的不同單位和數(shù)量級(jí)給分析結(jié)果所帶來(lái)的不利影響。運(yùn)用如下函數(shù)進(jìn)行無(wú)量綱化處理：

式中：

無(wú)量綱處理后的系統(tǒng)映射量記作：

式中：

E2（i）—突出危險(xiǎn)程度的系統(tǒng)映射量。

3．3 突出預(yù)測(cè)指標(biāo)與危險(xiǎn)程度關(guān)聯(lián)分析計(jì)算方法

把煤與瓦斯突出看做是一個(gè)灰色信息系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅含有已知的內(nèi)部特性，而且含有未知的、非確定的內(nèi)部特性的系統(tǒng)，系統(tǒng)映射量E1（i）、E2（i）分別為關(guān)聯(lián)分析的參考數(shù)列分，Xj（i）、Xj（i）′分別為對(duì)應(yīng)的比較數(shù)列，比較數(shù)列是由預(yù)測(cè)指標(biāo)鉆屑量最大值Smax、鉆孔瓦斯涌出初速度qm和鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)△h2以及經(jīng)過(guò)無(wú)量綱處理后的三個(gè)指標(biāo)數(shù)據(jù)［6-7］。

灰色關(guān)聯(lián)函數(shù)為［8-9］：

式中，ξk，j為第i時(shí)刻比較序列Xj與參考序列E1（E2）的相對(duì)關(guān)聯(lián)度，即Xj（或Xj（i）′）對(duì)E1（E2）在第i時(shí)刻的關(guān)聯(lián)度；因?yàn)楦髦笜?biāo)具有平等性，所以取分辨系數(shù)K=0．5；參考數(shù)列Xk（i）也就是指建立的系統(tǒng)映射量。

各指標(biāo)與突出危險(xiǎn)性間的關(guān)聯(lián)度可表示為：

3．4 突出預(yù)測(cè)敏感指標(biāo)的確定方法

利用前面分析所建立的模型，輸入實(shí)際測(cè)得指標(biāo)的原始數(shù)據(jù)，可以計(jì)算出三個(gè)預(yù)測(cè)指標(biāo)與突出危險(xiǎn)程度E1（i）以及經(jīng)過(guò)無(wú)量綱處理后的三個(gè)指標(biāo)與突出危險(xiǎn)程度E2（i）之間的灰色關(guān)聯(lián)度。按照灰色關(guān)聯(lián)度理論的結(jié)論可得：兩個(gè)量之間的關(guān)聯(lián)度越大，這兩個(gè)量之間的關(guān)系越密切，即關(guān)聯(lián)度最大的就是最敏感指標(biāo)，關(guān)聯(lián)度最小的為最不敏感指標(biāo)［10］。

3．5 灰色關(guān)聯(lián)分析法的應(yīng)用

收集到中泰礦33071工作面實(shí)測(cè)的最大鉆屑量Smax數(shù)據(jù)、瓦斯涌出初速度qm和鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)△h2，見(jiàn)表2。

表2 33071工作面突出指標(biāo)所測(cè)的數(shù)據(jù)表

由表3的最后一行，可得出建立的指標(biāo)體系與突出危險(xiǎn)程度之間的關(guān)聯(lián)度見(jiàn)表4。

表3 灰色關(guān)聯(lián)法分析處理突出指標(biāo)數(shù)據(jù)結(jié)果表

表4 突出指標(biāo)與突出危險(xiǎn)性關(guān)聯(lián)度分析結(jié)果表

由表4可以看出，最大鉆屑量Smax與系統(tǒng)映射量E1（i）、E2（i）的關(guān)聯(lián)度，在三個(gè)指標(biāo)中為最大，其敏感性最強(qiáng)；鉆孔瓦斯涌出初速度qm次之，鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)△h2的關(guān)聯(lián)度最小，其敏感程度最差。

4 結(jié) 語(yǔ)

1）運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)分析法，通過(guò)有量綱關(guān)聯(lián)度分析和無(wú)量綱關(guān)聯(lián)度分析處理了同一地點(diǎn)的突出預(yù)測(cè)指標(biāo)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，得出了各個(gè)指標(biāo)與突出危險(xiǎn)性的關(guān)聯(lián)度。最大鉆屑量Smax為33071工作面最敏感的預(yù)測(cè)指標(biāo)，所以最大鉆屑量Smax能更準(zhǔn)確地反映工作面前方煤體的突出危險(xiǎn)程度，可作為中泰煤礦煤巷掘進(jìn)突出預(yù)測(cè)的敏感指標(biāo)，提高煤與瓦斯突出預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)的可靠性。

2）本文存在的不足是所收集的原始數(shù)據(jù)偏少，未能確定出適合該礦實(shí)際情況的突出預(yù)測(cè)指標(biāo)的較準(zhǔn)確的臨界值，缺乏實(shí)際可參考價(jià)值和可操作性。為了最終可以確定符合中泰煤礦實(shí)際情況的突出預(yù)測(cè)指標(biāo)較準(zhǔn)確的臨界值，需要實(shí)測(cè)搜集中泰煤礦的原始數(shù)據(jù)，理論分析和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)并重，以期得到更加準(zhǔn)確的結(jié)果，解決實(shí)際問(wèn)題。

［1］ 劉 操，張瀾濤．煤巷掘進(jìn)突出預(yù)測(cè)指標(biāo)研究［J］．河南理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2009，28（2）：146-149．

［2］ 國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局，國(guó)家煤礦安全監(jiān)察局．防治煤與瓦斯突出規(guī)定［M］．北京：煤炭工業(yè)出版社，2009：22-26．

［3］ 孟絮屹，桂祥友，郁鐘銘．鉆屑量與鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)預(yù)測(cè)突出的應(yīng)用研究［J］．礦業(yè)研究與開(kāi)發(fā)，2008，28（4）：64-66．

［4］ 廖志恒，桂祥友，徐佑林．煤礦鉆屑量與解吸指標(biāo)的測(cè)定及誤差分析［J］．礦業(yè)研究與開(kāi)發(fā)，2008，28（2）：75-77．

［5］ 國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局，國(guó)家煤礦安全監(jiān)察局．防治煤與瓦斯突出細(xì)則［M］．北京：煤炭工業(yè)出版社，2009：22-26．

［6］ 李國(guó)禎．某礦煤與瓦斯突出預(yù)測(cè)指標(biāo)敏感性研究［J］．現(xiàn)代礦業(yè)，2010，490（2）：82-86．

［7］ 李國(guó)禎．發(fā)耳煤礦煤與瓦斯突出預(yù)測(cè)指標(biāo)敏感性探討［J］．工業(yè)安全與環(huán)保，2010，37（5）：33-35．

［8］ 鄧聚龍．灰色系統(tǒng)基本方法［M］．武漢：華中工學(xué)院出版社，1987：55-58．

［9］ 鄧聚龍．灰色系統(tǒng)理論教程［M］．武漢：華中理工大學(xué)出版社，1990：73-78．

［10］ 朱運(yùn)華．基于灰色關(guān)聯(lián)分析法確定突出敏感指標(biāo)［J］．煤礦開(kāi)采，2007，76（3）：11-13．

Research on Sensibility of Coal and Gas Outburst Forecast Index in Zhongtai Coal Mine

Lu Wei-yong，Song Wei-bin

In order to compare the sensibility of forecast on coal and gas outburst in Zhongtai coal mine of Hebi city，Smax index of the biggest amount drilling filings，initial velocity qm of drilling filings gas emission and△h2index of drilling filings gas desorption are analyzed and processed by using gray relating analysis method．The sensibility risk of coal and gas outburst is compared，the most sensible forecast index of outburst is found．It can increase the reliability of outburst forecast．

Coal and gas outburst；Sensibility index；Gray relating analysis method；Reliability of forecast

TD713

B

1672-0652（2013）10-0021-04

2013-07-22

盧衛(wèi)永（1987—），男，河南周口人，2012級(jí)河南理工大學(xué)在讀碩士研究生，主要從事煤礦資源開(kāi)采技術(shù)方面的研究（E-mail）489698551＠qq．com