摘要：論述了突出預(yù)測(cè)敏感指標(biāo)及其臨界值的概念、判斷原則和確定方法，結(jié)合大灣礦的實(shí)踐，介紹了一種集歷史資料統(tǒng)計(jì)、實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)相結(jié)合的突出預(yù)測(cè)敏感指標(biāo)及其臨界值的確定過程、步驟和方法，對(duì)鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K₁、鉆孔瓦斯涌出初速度及其衰減指標(biāo)、鉆粉量、炮后30min噸媒瓦斯涌出量指標(biāo)V₃₀和綜合指標(biāo)R的敏感性進(jìn)行了考察，并在此基礎(chǔ)上研究和確定了K₁指標(biāo)和V₃₀指標(biāo)的臨界值。

關(guān)鍵詞：突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)；敏感指標(biāo)；臨界值；確定方法

工作面煤與瓦斯突出(以下簡(jiǎn)稱突出)危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)和防突措施效果檢驗(yàn)是突出礦井進(jìn)行防突管理的兩項(xiàng)關(guān)鍵工作。目前我國(guó)大多數(shù)突出礦井，在進(jìn)行突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)時(shí)所采用的預(yù)測(cè)指標(biāo)及其臨界值基本上都是按照《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》所推薦的。但是，針對(duì)不同的礦井或煤層，突出預(yù)測(cè)指標(biāo)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(yīng)通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，摸索和確定適合本礦煤層實(shí)際情況的突出預(yù)測(cè)指標(biāo)及其臨界值。否則，可能因?yàn)橹笜?biāo)不敏感或臨界值不合適而造成預(yù)測(cè)結(jié)果的不準(zhǔn)確，導(dǎo)致誤判，結(jié)果發(fā)生突出事故或增加不必要的防突措施工程。所以，確定礦井突出預(yù)測(cè)敏感指標(biāo)及其臨界值是防突工作中一項(xiàng)十分重要的內(nèi)容。

1 預(yù)測(cè)敏感指標(biāo)的概念及確定方法

突出預(yù)測(cè)敏感指標(biāo)是指針對(duì)某一煤層進(jìn)行突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)時(shí)，在目前技術(shù)水平條件下能夠較為明顯地區(qū)分突出危險(xiǎn)和非突出危險(xiǎn)的指標(biāo)。

煤與瓦斯突出是一種復(fù)雜的瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象，是由地應(yīng)力、瓦斯及煤的物理力學(xué)性質(zhì)3種因素綜合作用的結(jié)果。理想的預(yù)測(cè)指標(biāo)應(yīng)是能夠完全反映引發(fā)突出的3個(gè)因素，而實(shí)際上，目前常用的預(yù)測(cè)指標(biāo)僅是間接和部分反映這3個(gè)突出預(yù)測(cè)因素。對(duì)不同礦井、煤層或區(qū)域，突出的主導(dǎo)因索有所不同，3種因素在導(dǎo)致突出作用中的貢獻(xiàn)比重有所不同。所以，主要反映突出3因素中某1個(gè)因素或兩方面因素的不同指標(biāo)，其預(yù)測(cè)突出危險(xiǎn)的敏感性會(huì)有所不同。同時(shí)，預(yù)測(cè)指標(biāo)還在一定程度上或多或少地受到現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試條件、儀器性能、操作人員責(zé)任心等外部條件和人為因素的影響，使測(cè)定出的指標(biāo)值影響因素復(fù)雜，從而影響指標(biāo)的敏感性。

判斷一種指標(biāo)是否敏感，主要考慮兩個(gè)方面的因素：一是指標(biāo)值的大小是否隨著突出危險(xiǎn)性的大小明顯變化；二是影響指標(biāo)值大小的突出危險(xiǎn)因素是否大于測(cè)定誤差等外部條件和人為因素。具體確定時(shí)可根據(jù)在有無(wú)突出危險(xiǎn)時(shí)的指標(biāo)值大小及其變化幅度，以及測(cè)試環(huán)境、手段、人員水甲等引起的測(cè)定誤差大小等判斷，如在突出危險(xiǎn)區(qū)與非危險(xiǎn)區(qū)、突出點(diǎn)附近與正常帶、打鉆時(shí)噴孔等動(dòng)力現(xiàn)象(嚴(yán)重度與頻度等)與正常時(shí)、措施前后等測(cè)值的變化情況，以及測(cè)值統(tǒng)計(jì)結(jié)果分布規(guī)律、指標(biāo)與其他敏感指標(biāo)的對(duì)比等進(jìn)行判斷。所以預(yù)測(cè)敏感指標(biāo)，必須通過對(duì)各種指標(biāo)的實(shí)際考察，結(jié)合本礦煤層或區(qū)域的具體測(cè)試條件來(lái)確定，其敏感指標(biāo)既能體現(xiàn)出本礦煤層的突出主導(dǎo)因素，又適應(yīng)礦井的具體測(cè)試條件，從而較好地符合礦井實(shí)際。

2 敏感指標(biāo)臨界值的確定方法

對(duì)于一個(gè)敏感指標(biāo)而言，希望存在一個(gè)理想的臨界值，超過該值一般會(huì)發(fā)生突出，否則就不發(fā)生突出。但是，實(shí)際情況并不是這樣，突出危險(xiǎn)性是一個(gè)概率的概念，一般隨著指標(biāo)測(cè)定值的增高，發(fā)生突出的概率會(huì)增大。所以理想的臨界值并不存在，實(shí)際存在的是一個(gè)臨界范圍。當(dāng)測(cè)定值小于此范圍時(shí)沒有突出危險(xiǎn)。高于時(shí)大多都會(huì)發(fā)生突出，而在該范圍內(nèi)時(shí)，可能發(fā)生突出，也可能不發(fā)生突出。為便于生產(chǎn)管理，需要在此范圍內(nèi)確定一個(gè)合理的臨界點(diǎn)，這樣既能保障安全生產(chǎn)，又盡可能地解放生產(chǎn)力，提高采掘進(jìn)度。根據(jù)我國(guó)目前預(yù)測(cè)技術(shù)水平的實(shí)際情況，一般情況下，合適的臨界值應(yīng)該是：當(dāng)測(cè)定值大于它時(shí)發(fā)生突出的可能性為50%～60%，而小于該值時(shí)基本不發(fā)生突出，即突出的可能性很小，礦井的預(yù)測(cè)突出危險(xiǎn)率根據(jù)煤層危險(xiǎn)程度的不同會(huì)有所不同，一般礦井可控制在20%~30%。

敏感指標(biāo)臨界值現(xiàn)場(chǎng)考察方法主要有：①不首先設(shè)定試驗(yàn)臨界值，在不采取任何防突措施的情況下，根據(jù)多次實(shí)際突出前的指標(biāo)測(cè)定值與不突出時(shí)的測(cè)定值相比較直接確定。此法雖然直觀和簡(jiǎn)便，但很不安全，容易使安全生產(chǎn)陷入被動(dòng)，一般礦井難以接受。②現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)摸索，試驗(yàn)臨界值由低向高逐步提高，直到發(fā)生瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象為止。此法雖然較為安全，但試驗(yàn)周期較長(zhǎng)。③現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)摸索，先確定一個(gè)較高的試驗(yàn)臨界值，在此臨界值以下根據(jù)實(shí)際突出或其他現(xiàn)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(gè)比較接近真實(shí)臨界值的試驗(yàn)臨界值，再通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)行修正和適當(dāng)調(diào)整。這種方法比較科學(xué)，既能縮短試驗(yàn)周期，同時(shí)又盡可能地保證了安全生產(chǎn)。

根據(jù)多年來(lái)的研究和實(shí)踐表明，可以通過歷史資料統(tǒng)計(jì)、實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)等相結(jié)合的方法來(lái)綜合確定突出危險(xiǎn)預(yù)測(cè)敏感指標(biāo)及其臨界值。

值得指出的是，一些礦井在發(fā)生了個(gè)別的“低指標(biāo)突出”現(xiàn)象后，沒有經(jīng)過具體分析就降低指標(biāo)臨界值或懷疑指標(biāo)的敏感性，這是不科學(xué)、不可取的做法。關(guān)于“低指標(biāo)突出”現(xiàn)象的原因是復(fù)雜的，可能與地質(zhì)構(gòu)造的影響、突出主導(dǎo)因素的改變、預(yù)測(cè)人員的操作、鉆孔布置、儀器性能等因素有關(guān)，也可能與指標(biāo)本身的局限性有關(guān)?？赏ㄟ^提高預(yù)測(cè)人員素質(zhì)、規(guī)范操作行為、采用多指標(biāo)預(yù)測(cè)和結(jié)合工作面各種情況綜合判斷等措施降低這種現(xiàn)象的發(fā)生概率。

3 預(yù)測(cè)敏感指標(biāo)及其臨界值確定實(shí)例

水城礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司大灣煤礦11^#煤層共發(fā)生了17次煤與瓦斯突出現(xiàn)象，最大突出強(qiáng)度703t。近年來(lái)的實(shí)踐表明，以前采用的預(yù)測(cè)指標(biāo)臨界值未能反映11^#煤層的實(shí)際突出危險(xiǎn)情況，導(dǎo)致掘進(jìn)過程中防突措施工程量較大，在一定程度上影響了掘進(jìn)進(jìn)度，制約了生產(chǎn)的進(jìn)一步發(fā)展。為此，對(duì)礦井突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)敏感指標(biāo)及其臨界值專門進(jìn)行了研究。研究工作分兩個(gè)階段進(jìn)行：第一階段為試驗(yàn)研究階段，主要通過對(duì)歷史資料的統(tǒng)計(jì)分析和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，首先確定一個(gè)主要的敏感指標(biāo)及其試驗(yàn)臨界值初值，通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，考察各個(gè)指標(biāo)的敏感性，確定出敏感指標(biāo)及其臨界值；第二階段為擴(kuò)大應(yīng)用階段，通過增加試驗(yàn)工作面?zhèn)€數(shù)，用確定出的敏感指標(biāo)及其臨界值指導(dǎo)生產(chǎn)，以期進(jìn)行擴(kuò)大驗(yàn)證，根據(jù)驗(yàn)證結(jié)果可進(jìn)行必要的修正和最終確定。

3.1 敏感指標(biāo)試驗(yàn)初值的確定

在對(duì)礦井突出規(guī)律分析的基礎(chǔ)上，統(tǒng)計(jì)了多年來(lái)的歷史資料，經(jīng)過綜合分析初步認(rèn)為鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K₁在11^#煤層較敏感，決定作為試驗(yàn)期間的主要考察指標(biāo)。其試驗(yàn)臨界值初值可通過以下3個(gè)方面確定。

3.1.1 歷史預(yù)測(cè)資料的統(tǒng)計(jì)

對(duì)全礦所有掘進(jìn)工作面的預(yù)測(cè)資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(共528次)，結(jié)果見表1。1997-1999年來(lái)的所有掘進(jìn)面的測(cè)定資料統(tǒng)計(jì)結(jié)果也具有大致相同的測(cè)值分布規(guī)律。在試驗(yàn)初期，預(yù)測(cè)突出危險(xiǎn)率可取20%以上，試驗(yàn)初值可選用0.6。

表1

1999-01-2001-05全礦煤巷預(yù)測(cè)資料統(tǒng)計(jì)



3.1.2 突出點(diǎn)附近指標(biāo)值的大小

通過對(duì)10多次突出的分析，雖然突出前的個(gè)別測(cè)定值小于0.5，但突出點(diǎn)前后的預(yù)測(cè)資料顯示，絕大多數(shù)的K₁指標(biāo)值均大于0.6，說(shuō)明K₁值大于0.6時(shí)能在一定程度上反映煤層突出危險(xiǎn)狀態(tài)的存在。所以，試驗(yàn)初值可選用0.6。

3.1.3 實(shí)驗(yàn)室確定結(jié)果

煤層瓦斯壓p與K₁值之間存在一定的相關(guān)關(guān)系，根據(jù)大量的破碎試驗(yàn)和測(cè)試結(jié)果，煤層的最小突出瓦斯壓力與煤的堅(jiān)固性系數(shù)等指標(biāo)存在一定的函數(shù)關(guān)系，所以通過煤質(zhì)力學(xué)指標(biāo)可確定煤層的突出臨界瓦斯壓力值，繼而通過實(shí)驗(yàn)室測(cè)定的K₁—p關(guān)系模型便可確定出煤層的K₁指標(biāo)臨界值。圖為11^#煤層的K₁—p關(guān)系模型。



圖1 11E專用回風(fēng)巷煤樣K₁—p關(guān)系模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過上述方法，對(duì)不同地點(diǎn)煤樣的測(cè)定分析，分別確定出11^#煤層的K₁指標(biāo)臨界值，見表2。在試驗(yàn)初期，從安全的角度考慮，可以先取0.6作為K₁指標(biāo)臨界初值。

表2 實(shí)驗(yàn)室確定的K₁指標(biāo)臨界值



3.2 試驗(yàn)結(jié)果及應(yīng)用驗(yàn)證

主要預(yù)測(cè)指標(biāo)臨界初值確定后，選擇具有代表性的2條巷道作為試驗(yàn)巷道，其中111103機(jī)巷上段分別處于集中應(yīng)力區(qū)和原始應(yīng)力區(qū)，111103軌巷上段一直處于集中應(yīng)力區(qū)，在加強(qiáng)安全防護(hù)措施的前提下進(jìn)行試驗(yàn)，同時(shí)考察了K₁、鉆粉量、鉆孔瓦斯涌出初速度及其衰減指標(biāo)、炮后30min瓦斯涌出量V₃₀和綜合指標(biāo)R。試驗(yàn)進(jìn)行了3個(gè)月，共掘進(jìn)巷道250.3m，測(cè)定48個(gè)循環(huán)、95次測(cè)定，獲得K₁數(shù)據(jù)1416個(gè)，q指標(biāo)36次510個(gè)，C。指標(biāo)21個(gè)，S指標(biāo)1416個(gè)，R指標(biāo)87個(gè)，通過對(duì)測(cè)定指標(biāo)、各種現(xiàn)象等的考察和綜合分析，確定出K₁指標(biāo)為敏感指標(biāo)，V₁指標(biāo)也具有相當(dāng)敏感性，考慮到V₃₀指標(biāo)受到多個(gè)因素的影響，決定作為參考指標(biāo)。在試驗(yàn)過程中，將K₁指標(biāo)提高到0.7進(jìn)行了2個(gè)月的試驗(yàn)，未發(fā)生煤與瓦斯突出現(xiàn)象。根據(jù)以前多次突出前的V₁指標(biāo)和該指標(biāo)與K₁指標(biāo)的對(duì)比，確定V₃₀指標(biāo)的臨界值為8m³/t。

在第一階段確定了敏感指標(biāo)及其臨界值后，隨即進(jìn)行了擴(kuò)大試驗(yàn)范圍，進(jìn)行驗(yàn)證。先后在5條巷道進(jìn)行擴(kuò)大應(yīng)用，掘進(jìn)巷道353.7m，56個(gè)循環(huán)79次測(cè)定，其中K₁<0.5的儀9次，0.51<0.7的斯次，占58.2%，未發(fā)生煤與瓦斯突出現(xiàn)象，見圖2。



圖2擴(kuò)大應(yīng)用試驗(yàn)K₁值分布圖

3.3 敏感指標(biāo)及其臨界值的確定

經(jīng)超過600m巷道的試驗(yàn)，確定出大灣礦11^#煤層界值，主要預(yù)測(cè)指標(biāo)為K₁指標(biāo)，其臨界值為0.7；參考指標(biāo)為V₃₀指標(biāo)，臨界值為8m³/t。二者的使用方法是，當(dāng)K₁指標(biāo)預(yù)測(cè)或檢驗(yàn)不超標(biāo)時(shí)，可直接掘講，在掘進(jìn)過程中，統(tǒng)計(jì)V₃₀指標(biāo)，當(dāng)K₁值進(jìn)行預(yù)測(cè)，突出危險(xiǎn)性根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果確定。

采用該敏感指標(biāo)及其臨界值后，在保證安全前提下，提高了掘進(jìn)進(jìn)度，減少了防突措施工程50%以上，降低了防突成本。

4 結(jié)語(yǔ)

突出預(yù)測(cè)敏感指標(biāo)及其臨界值的確定是一項(xiàng)非常有意義的工作，各礦井應(yīng)根據(jù)自身特點(diǎn)進(jìn)行摸索確定。采用歷史資料統(tǒng)計(jì)、實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)等相結(jié)合的方法確定敏感指標(biāo)及其臨界值是較簡(jiǎn)便、可靠的方法。應(yīng)盡量采用多指標(biāo)預(yù)測(cè)，避免“低指標(biāo)突出”現(xiàn)象的發(fā)生。

參考文獻(xiàn)：

[1] 文光才，趙旭生，等．大灣礦突出預(yù)測(cè)敏感指標(biāo)及其臨界值的研究[R].重慶：煤炭科學(xué)研究總院重慶分院，2003

[2] 胡千庭，邵軍，等.工作面預(yù)測(cè)敏感指標(biāo)值確定方法的研究[R].重慶：煤炭科學(xué)研究總院重慶分院，1995