煤與瓦斯突出預測敏感指標及其臨界值的確定方法
作者：中國礦業商務網
2008-12-15 00:00
來源：不詳
摘要：論述了突出預測敏感指標及其臨界值的概念、判斷原則和確定方法，結合大灣礦的實踐，介紹了一種集曆史資料統計、實驗室和現場試驗相結合的突出預測敏感指標及其臨界值的確定過程、步驟和方法，對鑽屑瓦斯解吸指標K
1、鑽孔瓦斯湧出初速度及其衰減指標、鑽粉量、炮後30min噸媒瓦斯湧出量指標V
30和綜合指標R的敏感性進行了考察，並在此基礎上研究和確定了K
1指標和V
30指標的臨界值。
關鍵詞：突出危險性預測；敏感指標；臨界值；確定方法
工作麵煤與瓦斯突出(以下簡稱突出)危險性預測和防突 措施效果檢驗是突出礦井進行防突 管理的兩項關鍵工作。目前我國大多數突出礦井，在進行突出危險性預測時所采用的預測指標及其臨界值基本上都是按照《防治煤與瓦斯突出細則》所推薦的。但是，針對不同的礦井或煤層，突出預測指標的敏感性及其臨界值可能是不同的，甚至存在很大的差異。礦井在使用中應通過現場試驗，摸索和確定適合本礦煤層實際情況的突出預測指標及其臨界值。否則，可能因為指標不敏感或臨界值不合適而造成預測結果的不準確，導致誤判，結果發生突出 02manbetx.com 或增加不必要的防突 措施工程。所以，確定礦井突出預測敏感指標及其臨界值是防突工作中一項十分重要的內容。
1 預測敏感指標的概念及確定方法
突出預測敏感指標是指針對某一煤層進行突出危險性預測時，在目前技術水平條件下能夠較為明顯地區分突出危險和非突出危險的指標。
煤與瓦斯突出是一種複雜的瓦斯動力現象，是由地應力、瓦斯及煤的物理力學性質3種因素綜合作用的結果。理想的預測指標應是能夠完全反映引發突出的3個因素，而實際上，目前常用的預測指標僅是間接和部分反映這3個突出預測因素。對不同礦井、煤層或區域，突出的主導因索有所不同，3種因素在導致突出作用中的貢獻比重有所不同。所以，主要反映突出3因素中某1個因素或兩方麵因素的不同指標，其預測突出危險的敏感性會有所不同。同時，預測指標還在一定程度上或多或少地受到現場測試條件、儀器性能、操作人員責任心等外部條件和人為因素的影響，使測定出的指標值影響因素複雜，從而影響指標的敏感性。
判斷一種指標是否敏感，主要考慮兩個方麵的因素：一是指標值的大小是否隨著突出危險性的大小明顯變化；二是影響指標值大小的突出危險因素是否大於測定誤差等外部條件和人為因素。具體確定時可根據在有無突出危險時的指標值大小及其變化幅度，以及測試環境、手段、人員水甲等引起的測定誤差大小等判斷，如在突出危險區與非危險區、突出點附近與正常帶、打鑽時噴孔等動力現象(嚴重度與頻度等)與正常時、 措施前後等測值的變化情況，以及測值統計結果分布規律、指標與其他敏感指標的對比等進行判斷。所以預測敏感指標，必須通過對各種指標的實際考察，結合本礦煤層或區域的具體測試條件來確定，其敏感指標既能體現出本礦煤層的突出主導因素，又適應礦井的具體測試條件，從而較好地符合礦井實際。
2 敏感指標臨界值的確定方法
對於一個敏感指標而言，希望存在一個理想的臨界值，超過該值一般會發生突出，否則就不發生突出。但是，實際情況並不是這樣，突出危險性是一個概率的概念，一般隨著指標測定值的增高，發生突出的概率會增大。所以理想的臨界值並不存在，實際存在的是一個臨界範圍。當測定值小於此範圍時沒有突出危險。高於時大多都會發生突出，而在該範圍內時，可能發生突出，也可能不發生突出。為便於生產 管理，需要在此範圍內確定一個合理的臨界點，這樣既能保障 安全生產，又盡可能地解放生產力，提高采掘進度。根據我國目前預測技術水平的實際情況，一般情況下，合適的臨界值應該是：當測定值大於它時發生突出的可能性為50%～60%，而小於該值時基本不發生突出，即突出的可能性很小，礦井的預測突出危險率根據煤層危險程度的不同會有所不同，一般礦井可控製在20%~30%。
敏感指標臨界值現場考察方法主要有：①不首先設定試驗臨界值，在不采取任何防突 措施的情況下，根據多次實際突出前的指標測定值與不突出時的測定值相比較直接確定。此法雖然直觀和簡便，但很不 安全，容易使 安全生產陷入被動，一般礦井難以接受。②現場試驗摸索，試驗臨界值由低向高逐步提高，直到發生瓦斯動力現象為止。此法雖然較為 安全，但試驗周期較長。③現場試驗摸索，先確定一個較高的試驗臨界值，在此臨界值以下根據實際突出或其他現象確定。此法比第一種方法稍好，但仍不安全，礦井同樣難接受。④通過各種方法先確定一個比較接近真實臨界值的試驗臨界值，再通過現場試驗進行修正和適當調整。這種方法比較科學，既能縮短試驗周期，同時又盡可能地保證了安全生產。
根據多年來的研究和實踐表明，可以通過曆史資料統計、實驗室和現場試驗等相結合的方法來綜合確定突出危險預測敏感指標及其臨界值。
值得指出的是，一些礦井在發生了個別的“低指標突出”現象後，沒有經過具體 03manbetx 就降低指標臨界值或懷疑指標的敏感性，這是不科學、不可取的做法。關於“低指標突出”現象的原因是複雜的，可能與地質構造的影響、突出主導因素的改變、預測人員的操作、鑽孔布置、儀器性能等因素有關，也可能與指標本身的局限性有關。可通過提高預測人員素質、規範操作行為、采用多指標預測和結合工作麵各種情況綜合判斷等措施降低這種現象的發生概率。
3 預測敏感指標及其臨界值確定實例
水城礦業(集團)有限責任公司大灣 煤礦11 #煤層共發生了17次煤與瓦斯突出現象，最大突出強度703t。近年來的實踐表明，以前采用的預測指標臨界值未能反映11 #煤層的實際突出危險情況，導致掘進過程中防突措施工程量較大，在一定程度上影響了掘進進度，製約了生產的進一步發展。為此，對礦井突出危險性預測敏感指標及其臨界值專門進行了研究。研究工作分兩個階段進行：第一階段為試驗研究階段，主要通過對曆史資料的統計 03manbetx 和實驗室試驗，首先確定一個主要的敏感指標及其試驗臨界值初值，通過現場試驗，考察各個指標的敏感性，確定出敏感指標及其臨界值；第二階段為擴大應用階段，通過增加試驗工作麵個數，用確定出的敏感指標及其臨界值指導生產，以期進行擴大驗證，根據驗證結果可進行必要的修正和最終確定。
3.1 敏感指標試驗初值的確定
在對礦井突出規律 03manbetx 的基礎上，統計了多年來的曆史資料，經過綜合 03manbetx 初步認為鑽屑瓦斯解吸指標K 1在11 #煤層較敏感，決定作為試驗期間的主要考察指標。其試驗臨界值初值可通過以下3個方麵確定。
3.1.1 曆史預測資料的統計
對全礦所有掘進工作麵的預測資料進行統計(共528次)，結果見表1。1997-1999年來的所有掘進麵的測定資料統計結果也具有大致相同的測值分布規律。在試驗初期，預測突出危險率可取20%以上，試驗初值可選用0.6。
表1
1999-01-2001-05全礦煤巷預測資料統計
3.1.2 突出點附近指標值的大小
通過對10多次突出的分析，雖然突出前的個別測定值小於0.5，但突出點前後的預測資料顯示，絕大多數的K 1指標值均大於0.6，說明K 1值大於0.6時能在一定程度上反映煤層突出危險狀態的存在。所以，試驗初值可選用0.6。
3.1.3 實驗室確定結果
煤層瓦斯壓p與K 1值之間存在一定的相關關係，根據大量的破碎試驗和測試結果，煤層的最小突出瓦斯壓力與煤的堅固性係數等指標存在一定的函數關係，所以通過煤質力學指標可確定煤層的突出臨界瓦斯壓力值，繼而通過實驗室測定的K 1—p關係模型便可確定出煤層的K 1指標臨界值。圖為11 #煤層的K 1—p關係模型。
圖1 11E專用回風巷煤樣K 1—p關係模型實驗結果
通過上述方法，對不同地點煤樣的測定分析，分別確定出11 #煤層的K 1指標臨界值，見表2。在試驗初期，從安全的角度考慮，可以先取0.6作為K 1指標臨界初值。
表2 實驗室確定的K 1指標臨界值
3.2 試驗結果及應用驗證
主要預測指標臨界初值確定後，選擇具有代表性的2條巷道作為試驗巷道，其中111103機巷上段分別處於集中應力區和原始應力區，111103軌巷上段一直處於集中應力區，在加強安全防護措施的前提下進行試驗，同時考察了K 1、鑽粉量、鑽孔瓦斯湧出初速度及其衰減指標、炮後30min瓦斯湧出量V 30和綜合指標R。試驗進行了3個月，共掘進巷道250.3m，測定48個循環、95次測定，獲得K 1數據1416個，q指標36次510個，C。指標21個，S指標1416個，R指標87個，通過對測定指標、各種現象等的考察和綜合分析，確定出K 1指標為敏感指標，V 1指標也具有相當敏感性，考慮到V 30指標受到多個因素的影響，決定作為參考指標。在試驗過程中，將K 1指標提高到0.7進行了2個月的試驗，未發生煤與瓦斯突出現象。根據以前多次突出前的V 1指標和該指標與K 1指標的對比，確定V 30指標的臨界值為8m 3/t。
在第一階段確定了敏感指標及其臨界值後，隨即進行了擴大試驗範圍，進行驗證。先後在5條巷道進行擴大應用，掘進巷道353.7m，56個循環79次測定，其中K 1<0.5的儀9次，0.5
1<0.7的斯次，占58.2%，未發生煤與瓦斯突出現象，見圖2。
圖2擴大應用試驗K 1值分布圖
3.3 敏感指標及其臨界值的確定
經超過600m巷道的試驗，確定出大灣礦11 #煤層界值，主要預測指標為K 1指標，其臨界值為0.7；參考指標為V 30指標，臨界值為8m 3/t。二者的使用方法是，當K 1指標預測或檢驗不超標時，可直接掘講，在掘進過程中，統計V 30指標，當K 1值進行預測，突出危險性根據預測結果確定。
采用該敏感指標及其臨界值後，在保證安全前提下，提高了掘進進度，減少了防突措施工程50%以上，降低了防突成本。
4 結語
突出預測敏感指標及其臨界值的確定是一項非常有意義的工作，各礦井應根據自身特點進行摸索確定。采用曆史資料統計、實驗室和現場試驗等相結合的方法確定敏感指標及其臨界值是較簡便、可靠的方法。應盡量采用多指標預測，避免“低指標突出”現象的發生。
參考文獻：
[1] 文光才，趙旭生，等．大灣礦突出預測敏感指標及其臨界值的研究[R].重慶：煤炭科學研究總院重慶分院，2003
[2] 胡千庭，邵軍，等.工作麵預測敏感指標值確定方法的研究[R].重慶：煤炭科學研究總院重慶分院，1995
關鍵詞：突出危險性預測；敏感指標；臨界值；確定方法
工作麵煤與瓦斯突出(以下簡稱突出)危險性預測和防突 措施效果檢驗是突出礦井進行防突 管理的兩項關鍵工作。目前我國大多數突出礦井，在進行突出危險性預測時所采用的預測指標及其臨界值基本上都是按照《防治煤與瓦斯突出細則》所推薦的。但是，針對不同的礦井或煤層，突出預測指標的敏感性及其臨界值可能是不同的，甚至存在很大的差異。礦井在使用中應通過現場試驗，摸索和確定適合本礦煤層實際情況的突出預測指標及其臨界值。否則，可能因為指標不敏感或臨界值不合適而造成預測結果的不準確，導致誤判，結果發生突出 02manbetx.com 或增加不必要的防突 措施工程。所以，確定礦井突出預測敏感指標及其臨界值是防突工作中一項十分重要的內容。
1 預測敏感指標的概念及確定方法
突出預測敏感指標是指針對某一煤層進行突出危險性預測時，在目前技術水平條件下能夠較為明顯地區分突出危險和非突出危險的指標。
煤與瓦斯突出是一種複雜的瓦斯動力現象，是由地應力、瓦斯及煤的物理力學性質3種因素綜合作用的結果。理想的預測指標應是能夠完全反映引發突出的3個因素，而實際上，目前常用的預測指標僅是間接和部分反映這3個突出預測因素。對不同礦井、煤層或區域，突出的主導因索有所不同，3種因素在導致突出作用中的貢獻比重有所不同。所以，主要反映突出3因素中某1個因素或兩方麵因素的不同指標，其預測突出危險的敏感性會有所不同。同時，預測指標還在一定程度上或多或少地受到現場測試條件、儀器性能、操作人員責任心等外部條件和人為因素的影響，使測定出的指標值影響因素複雜，從而影響指標的敏感性。
判斷一種指標是否敏感，主要考慮兩個方麵的因素：一是指標值的大小是否隨著突出危險性的大小明顯變化；二是影響指標值大小的突出危險因素是否大於測定誤差等外部條件和人為因素。具體確定時可根據在有無突出危險時的指標值大小及其變化幅度，以及測試環境、手段、人員水甲等引起的測定誤差大小等判斷，如在突出危險區與非危險區、突出點附近與正常帶、打鑽時噴孔等動力現象(嚴重度與頻度等)與正常時、 措施前後等測值的變化情況，以及測值統計結果分布規律、指標與其他敏感指標的對比等進行判斷。所以預測敏感指標，必須通過對各種指標的實際考察，結合本礦煤層或區域的具體測試條件來確定，其敏感指標既能體現出本礦煤層的突出主導因素，又適應礦井的具體測試條件，從而較好地符合礦井實際。
2 敏感指標臨界值的確定方法
對於一個敏感指標而言，希望存在一個理想的臨界值，超過該值一般會發生突出，否則就不發生突出。但是，實際情況並不是這樣，突出危險性是一個概率的概念，一般隨著指標測定值的增高，發生突出的概率會增大。所以理想的臨界值並不存在，實際存在的是一個臨界範圍。當測定值小於此範圍時沒有突出危險。高於時大多都會發生突出，而在該範圍內時，可能發生突出，也可能不發生突出。為便於生產 管理，需要在此範圍內確定一個合理的臨界點，這樣既能保障 安全生產，又盡可能地解放生產力，提高采掘進度。根據我國目前預測技術水平的實際情況，一般情況下，合適的臨界值應該是：當測定值大於它時發生突出的可能性為50%～60%，而小於該值時基本不發生突出，即突出的可能性很小，礦井的預測突出危險率根據煤層危險程度的不同會有所不同，一般礦井可控製在20%~30%。
敏感指標臨界值現場考察方法主要有：①不首先設定試驗臨界值，在不采取任何防突 措施的情況下，根據多次實際突出前的指標測定值與不突出時的測定值相比較直接確定。此法雖然直觀和簡便，但很不 安全，容易使 安全生產陷入被動，一般礦井難以接受。②現場試驗摸索，試驗臨界值由低向高逐步提高，直到發生瓦斯動力現象為止。此法雖然較為 安全，但試驗周期較長。③現場試驗摸索，先確定一個較高的試驗臨界值，在此臨界值以下根據實際突出或其他現象確定。此法比第一種方法稍好，但仍不安全，礦井同樣難接受。④通過各種方法先確定一個比較接近真實臨界值的試驗臨界值，再通過現場試驗進行修正和適當調整。這種方法比較科學，既能縮短試驗周期，同時又盡可能地保證了安全生產。
根據多年來的研究和實踐表明，可以通過曆史資料統計、實驗室和現場試驗等相結合的方法來綜合確定突出危險預測敏感指標及其臨界值。
值得指出的是，一些礦井在發生了個別的“低指標突出”現象後，沒有經過具體 03manbetx 就降低指標臨界值或懷疑指標的敏感性，這是不科學、不可取的做法。關於“低指標突出”現象的原因是複雜的，可能與地質構造的影響、突出主導因素的改變、預測人員的操作、鑽孔布置、儀器性能等因素有關，也可能與指標本身的局限性有關。可通過提高預測人員素質、規範操作行為、采用多指標預測和結合工作麵各種情況綜合判斷等措施降低這種現象的發生概率。
3 預測敏感指標及其臨界值確定實例
水城礦業(集團)有限責任公司大灣 煤礦11 #煤層共發生了17次煤與瓦斯突出現象，最大突出強度703t。近年來的實踐表明，以前采用的預測指標臨界值未能反映11 #煤層的實際突出危險情況，導致掘進過程中防突措施工程量較大，在一定程度上影響了掘進進度，製約了生產的進一步發展。為此，對礦井突出危險性預測敏感指標及其臨界值專門進行了研究。研究工作分兩個階段進行：第一階段為試驗研究階段，主要通過對曆史資料的統計 03manbetx 和實驗室試驗，首先確定一個主要的敏感指標及其試驗臨界值初值，通過現場試驗，考察各個指標的敏感性，確定出敏感指標及其臨界值；第二階段為擴大應用階段，通過增加試驗工作麵個數，用確定出的敏感指標及其臨界值指導生產，以期進行擴大驗證，根據驗證結果可進行必要的修正和最終確定。
3.1 敏感指標試驗初值的確定
在對礦井突出規律 03manbetx 的基礎上，統計了多年來的曆史資料，經過綜合 03manbetx 初步認為鑽屑瓦斯解吸指標K 1在11 #煤層較敏感，決定作為試驗期間的主要考察指標。其試驗臨界值初值可通過以下3個方麵確定。
3.1.1 曆史預測資料的統計
對全礦所有掘進工作麵的預測資料進行統計(共528次)，結果見表1。1997-1999年來的所有掘進麵的測定資料統計結果也具有大致相同的測值分布規律。在試驗初期，預測突出危險率可取20%以上，試驗初值可選用0.6。
表1
1999-01-2001-05全礦煤巷預測資料統計
3.1.2 突出點附近指標值的大小
通過對10多次突出的分析，雖然突出前的個別測定值小於0.5，但突出點前後的預測資料顯示，絕大多數的K 1指標值均大於0.6，說明K 1值大於0.6時能在一定程度上反映煤層突出危險狀態的存在。所以，試驗初值可選用0.6。
3.1.3 實驗室確定結果
煤層瓦斯壓p與K 1值之間存在一定的相關關係，根據大量的破碎試驗和測試結果，煤層的最小突出瓦斯壓力與煤的堅固性係數等指標存在一定的函數關係，所以通過煤質力學指標可確定煤層的突出臨界瓦斯壓力值，繼而通過實驗室測定的K 1—p關係模型便可確定出煤層的K 1指標臨界值。圖為11 #煤層的K 1—p關係模型。
圖1 11E專用回風巷煤樣K 1—p關係模型實驗結果
通過上述方法，對不同地點煤樣的測定分析，分別確定出11 #煤層的K 1指標臨界值，見表2。在試驗初期，從安全的角度考慮，可以先取0.6作為K 1指標臨界初值。
表2 實驗室確定的K 1指標臨界值
3.2 試驗結果及應用驗證
主要預測指標臨界初值確定後，選擇具有代表性的2條巷道作為試驗巷道，其中111103機巷上段分別處於集中應力區和原始應力區，111103軌巷上段一直處於集中應力區，在加強安全防護措施的前提下進行試驗，同時考察了K 1、鑽粉量、鑽孔瓦斯湧出初速度及其衰減指標、炮後30min瓦斯湧出量V 30和綜合指標R。試驗進行了3個月，共掘進巷道250.3m，測定48個循環、95次測定，獲得K 1數據1416個，q指標36次510個，C。指標21個，S指標1416個，R指標87個，通過對測定指標、各種現象等的考察和綜合分析，確定出K 1指標為敏感指標，V 1指標也具有相當敏感性，考慮到V 30指標受到多個因素的影響，決定作為參考指標。在試驗過程中，將K 1指標提高到0.7進行了2個月的試驗，未發生煤與瓦斯突出現象。根據以前多次突出前的V 1指標和該指標與K 1指標的對比，確定V 30指標的臨界值為8m 3/t。
在第一階段確定了敏感指標及其臨界值後，隨即進行了擴大試驗範圍，進行驗證。先後在5條巷道進行擴大應用，掘進巷道353.7m，56個循環79次測定，其中K 1<0.5的儀9次，0.5
圖2擴大應用試驗K 1值分布圖
3.3 敏感指標及其臨界值的確定
經超過600m巷道的試驗，確定出大灣礦11 #煤層界值，主要預測指標為K 1指標，其臨界值為0.7；參考指標為V 30指標，臨界值為8m 3/t。二者的使用方法是，當K 1指標預測或檢驗不超標時，可直接掘講，在掘進過程中，統計V 30指標，當K 1值進行預測，突出危險性根據預測結果確定。
采用該敏感指標及其臨界值後，在保證安全前提下，提高了掘進進度，減少了防突措施工程50%以上，降低了防突成本。
4 結語
突出預測敏感指標及其臨界值的確定是一項非常有意義的工作，各礦井應根據自身特點進行摸索確定。采用曆史資料統計、實驗室和現場試驗等相結合的方法確定敏感指標及其臨界值是較簡便、可靠的方法。應盡量采用多指標預測，避免“低指標突出”現象的發生。
參考文獻：
[1] 文光才，趙旭生，等．大灣礦突出預測敏感指標及其臨界值的研究[R].重慶：煤炭科學研究總院重慶分院，2003
[2] 胡千庭，邵軍，等.工作麵預測敏感指標值確定方法的研究[R].重慶：煤炭科學研究總院重慶分院，1995
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