石門揭煤突出預測指標的試驗研究
韓 穎,蔣承林
摘 要:通過現場鉆取煤樣,在試驗室測定了2種石門揭煤突出預測指標:綜合指標和初始釋放瓦斯膨脹能指標,利用灰色系統理論進行指標優選,發現了馬家溝礦最佳的突出預測指標———初始釋放瓦斯膨脹能。
關鍵詞:突出預測;綜合指標;初始釋放瓦斯膨脹能;灰色優選
中圖分類號:TD713+.2 文獻標識碼:A 文章編號:1003-496X(2006)
Study on Index of Outburst Forecast when a Cross-cut is UncoveredHAN Ying,JIANG Cheng-lin
(School of Mineral and Safety Engineering,CUMT,Xuzhou221008,China)Abstract:The coal samples are collected by drilling in situ, and two indexes of outburst forecast when a cross-cut is uncovered—gen-eral index and expansion energy in initial released gas, is tested in laboratory, according to the theory of grey system, indexes are op-timized, we find that expansion energy in initial released gas is the best index of outburst forecast when a cross-cut is uncovered inMaJiaGou mine.Key words:outburst forecast;general index;expansion energy in initial released gas;grey optimum selection基金項目:國家自然科學基金資助項目(50274067)
在石門揭煤過程中,突出預測具有非常重要的作用。如果預測有突出危險,則可以事先采取防突措施,使之失去突出危險,然后進行采掘。目前,石門揭煤突出預測指標主要有2種:D、K綜合指標和初始釋放瓦斯膨脹能指標,究竟選用哪種指標更為可靠呢?倘若選擇的指標并非最佳指標,不僅浪費人力物力,增加防突工程量,還可能產生誤報,導致事故發生。為此,我們在馬家溝礦現場鉆取煤樣,對石門揭煤突出預測指標進行了研究。
開灤集團公司馬家溝礦位于河北省唐山市東偏北約
1 石門揭煤突出預測指標研究
1.1 煤樣的選取
為保證試驗的可靠性,每個煤層選取兩個煤樣,用來預測煤層的突出危險性。考慮最危險的狀態,所以把選樣地點定在該礦突出危險性最大的區域———中區。為使所選煤樣能代表深部水平的煤層,分別在現開采的最深部———九、十水平的主采煤層(9-2煤層、12煤層)各取一個煤樣進行實驗。采用完整煤芯取芯器(主要用于石門揭煤取樣)取樣。在打鉆過程中,鉆機帶動取芯器邊旋轉邊前進,由鉆頭的合金片割出的煤芯及時進入不旋轉的內管中被保護起來。在取芯器向前推進的過程中,地應力不斷破壞煤體,因此取出的煤芯保留了地應力作用的“痕跡”。在沒有石門揭煤取樣的條件下,可以直接在采煤工作面采取那些軟分層煤樣,這些煤樣同樣已經受到地應力的作用而破壞,保留有地應力作用的“痕跡”。
將現場取得的煤樣裝入不透氣的塑料袋中保護起來,并注意在運送的過程中不被破壞。
1.2 綜合指標的測定及分析
根據《防治煤與瓦斯突出細則》〔2〕,石門揭開突出煤層前應選用綜合指標法預測其突出危險性。區域突出危險性按下列兩個綜合指標判斷:
D=(0.007 5Hf-3)(p-0.74)
K=△pf
綜合指標測定結果見表1。
由表1可知,各煤樣實測綜合指標均大于臨界值,說明所選煤樣在石門揭煤條件下有突出危險性。
1.3 初始釋放瓦斯膨脹能的測定及分析
從所取煤樣中稱取一定的重量,放入圖1所示
圖1 初始釋放瓦斯膨脹能測定系統
的初始釋放瓦斯膨脹能測定裝置中,抽真空8~10h。然后將該裝置置于相當于煤層溫度的恒溫環境中,關閉電磁閥與中壓及低壓傳感器之間的截止閥,打開中壓、低壓傳感器的旁路閥門;打開進氣閥,與氣源溝通,充入預定瓦斯壓力的瓦斯。在與煤層同樣的溫度下,使煤樣吸附瓦斯8 h。然后,打開計算機數據采集系統,設定好3個壓力傳感器的數據采集速度以及各段的切換臨界值。一切檢查無誤后,打開電磁閥與中壓及低壓傳感器之間的截止閥,關閉中壓、低壓傳感器的旁路閥門,關閉進氣閥,快速打開漸縮噴口上的球形閥,計算機立即進行測定工作,并將測定的各時刻罐內瓦斯的總壓與總溫數據記錄存盤。
將煤樣罐內的煤樣取出。將同樣體積的鐵塊放入初始釋放瓦斯膨脹能測定裝置中,按同樣的條件、方法測定裝置內死空間的瓦斯涌出過程的壓力和溫度曲線。根據空氣動力學公式分別計算這兩種情況下由噴口涌出的瓦斯膨脹能曲線〔3〕。對這兩條曲線的前10 s瓦斯膨脹能分別進行積分,除以煤樣質量,就分別得到從煤樣和死空間涌出的初始釋放瓦斯膨脹能和從死空間涌出的初始釋放瓦斯膨脹能,兩者相減則得到單位質量煤樣的初始釋放瓦斯膨脹能Wp(單位為mJ/g)。這個值就是相應于所充入的瓦斯壓力下的初始釋放瓦斯膨脹能。
為測定煤樣在不同瓦斯壓力下的初始釋放瓦斯膨脹能,分別將煤樣和對應的鐵塊在0~1.80 MPa(相對壓力)范圍內選9個不同壓力點進行充氣吸附平衡和測定,測定結果見表2。本試驗存在的綜合誤差在0.68%~4.32%范圍內變化〔4〕,低于5%,符合工程測量的要求。
在瓦斯壓力為零的情況下,瓦斯膨脹能也為零,所以我們把零點和測定點放在一起進行分析,以增加分析結果的準確性。
以初始釋放瓦斯膨脹能Wp為縱坐標,煤層瓦斯壓力p為橫坐標,將表2中測定的煤樣(鐵塊)與死空間的初始釋放瓦斯膨脹能Wp與對應的瓦斯壓力值描點。然后運用數學軟件Maple對各煤層的數據進行曲線擬合〔5〕。所得結果如圖2—圖6所示。
圖中γ表示相關度,其值均在0.99以上,說明擬合曲線的精度很高,它保證了關聯結果的可靠性。從關聯結果來看,Wp與瓦斯壓力p成正比關系,即:Wp=kp(k為常數,因煤樣而異)
馬家溝煤礦深部水平9-2煤層的瓦斯壓力為1.061~1.65 MPa,深部水平12煤層的瓦斯壓力為
0.997~1.502 MPa。根據球殼失穩理論,當煤樣中的初始釋放瓦斯能大于42.98 mJ/g時,石門揭煤試驗中有96.7%達到弱突出,而當煤樣中的初始釋放
圖2 鐵塊擬合曲線
圖3 九水平9-2煤樣擬合曲線
圖4 九水平12煤層煤樣擬合
圖5 十水平12煤樣擬合曲線
圖6 十水平9-2煤層煤樣擬合曲線
瓦斯能大于103.8 mJ/g,石門揭煤試驗中有90.9%達到大型突出〔6〕。據此判定,所選煤樣在石門揭煤條件下具有突出危險性。D、K綜合指標測定結果與初始釋放瓦斯膨脹能測定結果相吻合,從另一角度證明了初始釋放瓦斯膨脹能指標的準確性和可靠性。
1.4 2種方法的比較
先用綜合指標法對馬家溝深部水平石門揭煤突出危險性作出了預測,又用初始釋放瓦斯膨脹能法作出預測,并得到了驗證。究竟哪種方法更可靠呢?下面運用灰關聯模型〔7〕對2種方法進行比較。
(1)求絕對關聯度。
(2)求相對關聯度。
先求出Xi(i=0,1,2,3,4)得初值像X′i=
〔(3)求綜合關聯度。取θ=0.5,ρ0i=θε0i+(1
-θ)r01,i=0,1,2,3,4。
(4)結果分析。
為分析各指標間的關聯程度,選取突出危險程度作為母因素,指標p、△P、f、D、K、Wp作為子因素,進行灰關聯分析,原始數據見表3。突出危險程度為定性指標,按表4進行評分,確定其等級。根據灰關聯分析步驟,逐步進行計算,得到各指標間的綜合關聯度,列于表5。
1.4.3 2種方法的比較結果
根據表5中數值大小進行排序,可得出各指標反映煤與瓦斯突出危險的準確程度排序為:堅固性系數f>瓦斯壓力p>瓦斯膨脹能指標Wp>瓦斯放散指數△P>綜合指標D>綜合指標K。在石門揭煤突出預測中,皆使用綜合指標,故不考慮單項指標。因此,瓦斯膨脹能指標Wp為最優因素,綜合指標D次之,綜合指標K列第3。由此可見,馬家溝礦的瓦斯膨脹能指標Wp可以更加準確地反映石門揭煤過程中煤與瓦斯突出的危險程度。
2 結 論
根據上述測定分析,可以得出以下結論:(1)在煤層瓦斯壓力小于2.0 MPa時,馬家溝礦煤樣的初始釋放瓦斯膨脹能隨煤層瓦斯壓力的增加而線性增加,兩者呈正比關系。
(2)根據煤樣的初始釋放瓦斯膨脹能與煤層瓦斯壓力的線性關系,在石門揭煤過程中,可以用少量的測定確定實際煤層的初始釋放瓦斯膨脹能隨瓦斯壓力的變化曲線,從而定量地檢驗工作面前方局部煤層的防突效果。
(3)由灰關聯分析得出,在馬家溝礦石門揭煤突出預測指標中,初始釋放瓦斯膨脹能指標Wp可以更加準確地反映石門揭煤過程中煤與瓦斯突出的危險程度。
參考文獻:
〔1〕 開灤礦務局馬家溝礦.馬家溝地質報告〔R〕,1999.〔2〕 中華人民共和國煤炭工業部制定.防治煤與瓦斯突出細則〔M〕.北京:煤炭工業出版社,1995:39.
〔3〕 蔣承林,陳松立,陳燕云.煤樣的初始釋放瓦斯膨脹能測定〔J〕.巖石力學與工程學報,1996(4):395-400.
〔4〕 韓 穎,蔣承林.初始釋放瓦斯膨脹能與煤層瓦斯壓力的關系〔J〕.中國礦業大學學報,2005,34(5):650-654.
〔5〕 洪維恩.數學魔法師Maple 6〔M〕.北京:人民郵電出版社,2001:436-438.
〔6〕 蔣承林.突出危險性的線性判別法及臨界值研究〔J〕.中國礦業大學學報,2000(1):63-66.
〔7〕 劉思峰.灰色系統理論及其應用〔M〕.北京:科學出版社,1999.
作者簡介:韓 穎(1980-),男,山東濟南人,博士研究生,從事礦井瓦斯防治方面的研究工作。
