貴州煤與瓦斯突出特征統計分析

貴州是中國的一個省。由于其特殊的喀斯特地形特征、獨特的煤層分布特征和復雜的地質構造特點，將有60%以上的高磚瓦和煤炭開采風險，這是嚴重的。實踐表明,煤與瓦斯突出特征符合一定的統計規律,對于同一地區,由于煤層賦存、地質等條件的相似性,統計規律更為明顯,這些統計指標對制定相應的預防措施有一定的指導意義,甚至可以作為預測突出的判據。基于這一觀點,通過現場調研的方式,對貴州典型礦區22對及部分地方礦井的523次突出事故資料進行系統的、全面的整理統計,分析貴州煤與瓦斯突出特征及影響因素。1重要特征統計指標的確定1.1煤與瓦斯突出特征統計特性的研究影響突出的各種因素對突出的發生、突出方式、突出強度等的作用程度不近相同。且目前對煤與瓦斯突出機理尚未完全掌握,所以很難用某種數學方法定量的描述突出受何種因素影響及各因素對突出的影響程度如何。研究表明,煤與瓦斯突出滿足動力耗散系統的自相似規律,即在同一地質條件下,采用相同的生產方式,不同強度的突出指標滿足相似律,可以推定同一地區的突出特征遵循一定的統計規律。因此,對突出特征的研究只能立足于大量的突出事故數據,而突出特征的統計又屬于多元統計體系,在對突出資料進行統計分析時,應遵循以下原則:1)指標有助于預測、預防煤與瓦斯突出。3)指標的數據計算和測量方法應具有一致性和精確性。4)對突出卡片無明確記錄或記錄不清楚的,統計過程中不予考慮。5)不根據其它因素推測另一因素。1.2突出資料統計分析煤與瓦斯突出的理論研究證明,煤層地質是突出的基礎,而礦井的生產方式決定了突出類型和強度。因此,根據貴州煤與瓦斯突出的資料情況,選取突出資料中的下列因素進行統計分析:1)突出前預兆、突出后的動力效應即突出對巷道的破壞程度。2)突出點煤層厚度及變化情況、煤層傾角及變化情況、地質構造。3)突出類型、突出地點埋深、巷道類型、突出地點作業方式、突出煤量。2貴州煤炭和磚瓦的突出特征2.1突出為主的分布區貴州煤礦突出類型包含突出、壓出、傾出3種,但不同礦區有較大差別,如水域礦區以突出為主,占50.5%;盤江以傾出為主,占50%;林東以壓出為主,占46.3%。但就全省情況而言,貴州以突出和壓出為主,占78.3%,傾出僅占21.6%。2.2突出強度分布以突出煤量作為表征突出強度的指標,將貴州煤礦突出強度劃分為5種類型。統計表明,貴州以中小型突出為主,占41.2%;其次為次大型突出,占34.8%;特大型突出較少,僅占1.2%。2.3煤層始突深度分別統計水礦11#和六枝7#煤始突深度,可以看出,地質異常區的始突深度比地質正常區淺;瓦斯壓力梯度大的礦井比梯度小的礦井始突深度淺;傾角較大的煤層始突深度相對較淺;其它條件相同時,傾出的始突深度最淺,壓出次之,突出最深,也證明了突出的發生需要較高的能量。2.4深度較大時,貴州大省資企業已開展較深開采后,生活壓力在相應隨著開采深度的增加,突出次數和強度都有增大趨勢,尤其是開采深度≥300m后,突出強度顯著增大,但開采深度<300m時,突出強度變化不明顯。達到一定的深度后,出現了突出次數和強度減小的趨勢,分析認為,貴州一些礦區尚未對較深水平進行大面積開采。因此,就煤與瓦斯突出這一物理現象來說,可以認為隨開采深度的增加,突出危險性增高,表現為突出的次數和強度增加,突出危險區域擴大。2.5出則立地條件分析在統計的544次突出資料中,煤平巷掘進工作面突出最多,達249次,上山、下山、切眼共發生突出事例101次,即煤巷掘進工作面發生突出事例350次,占事故比例的64.3%;回采工作面142次,占26.1%;石門揭煤52次,占9.6%。但石門突出的強度最大,明顯大于上山、平巷、切眼、采面和下山,是平巷的2.5倍,上山的2倍、下山的6.8倍、切眼的2.9倍、采面的4.8倍。2.6不同時距放炮引發的突出強度在425次有明確作業方式記錄的突出事故中,有419次是由放炮、打鉆、手鎬落煤、風鎬落煤、支護等作業誘導,占98.6%。其中,放炮作業突出336次,占79.1%,無作業突出6次,僅占1.4%。在各種作業方式中,放炮引發的突出強度最大,是其它作業方式下突出強度的2倍以上。其次為支護、移煤機、綜掘、綜采。六枝礦區曾在支護作業時發生過大型突出,但認為不具有代表性,是支護不及時由煤(巖)體的垮落而引起的。另外,無作業時也發生了不同強度的突出,且以傾出為主。因此,突出除地應力、瓦斯和煤體物理力學性質3個本質要素外,采掘作業是重要的誘導因素。2.7無地質構造發生突出在統計的221次有構造記錄的突出事例中,有197次突出地點有斷層、褶曲、煤厚變化、傾角變化、軟分層增厚等地質構造特征,其中斷層和煤厚變化突出146次,占74.1%,無地質構造發生突出24次,僅占10.9%。在各種地質構造中,軟分層變厚處突出強度最大,是其它構造影響的3倍以上。其次是斷層、褶曲、煤厚變化,其中在煤層變厚處發生突出的強度和頻度都遠大于煤層變薄處的強度和頻度。另外,“無構造”的突出強度和頻度都相對較高,統計資料中包括了部分石門揭煤突出事故,分析認為該現象不具有代表性。貴州易發生突出的地質構造帶主要有煤厚變化帶、壓型及壓扭性斷層帶、向斜軸部帶,煤層產狀急劇變化區,煤層頂板破碎帶等。2.8種或2種以上的突出預應力在382次有明確突出預兆記載的突出事故中,噴孔、煤體結構變化、響煤炮、卡鉆、瓦斯異常等預兆突出340次,占89%,其中噴孔預兆最多,為106次,占31.2%;一次突出有2種或2種以上突出預兆的156次,占40.8%;無預兆突出42次,占11%。可以認為大多數突出發生前都會出現預兆,且相當一部分突出有2種以上預兆。在各種突出預兆中,支架壓力增大突出強度最大,達到252.3t,其次為響煤炮,突出強度為206.9t。噴孔預兆的突出強度最小,僅47.7t。需要指出的是,噴孔預兆突出的強度雖小,但噴孔預兆發生突出的次數較多。另外,無預兆突出強度強度達到298.6t,反而大于其它有預兆突出強度,是由于統計中包含了石門揭煤突出,石門揭煤有安全巖柱,一般都無預兆,但突出強度大。2.9典型礦井的突出強度分析統計274次有明確突出點煤層厚度記錄的突出事例,可以看出,煤層厚度與突出頻度變化關系較為離散,但就典型礦井如汪家寨煤礦、大灣煤礦來說,突出主要發生在煤厚較大煤層。尤其是同一煤層由薄變厚處其突出危險性更大;就全省而言,煤層厚度2~3m時突出強度較大,煤層厚度5~6m是突出強度最大,但平均突出強度的變化程度不大。因此,認為貴州不具備突出強度隨著煤層厚度增加而增大的普遍特征。3影響因素分析：煤炭和磚瓦的突出影響因素3.1因素權重確定煤與瓦斯突出的發生受多種因素的影響,而各因素對突出影響程度又具有一定的模糊性,在對突出事故資料統計時的開采深度、巷道類型、作業方式、地質構造等因素,也并非單獨反映地應力、瓦斯和煤體的力學性質的某一個方面。而且任何突出地點也并非全部具備這些條件。因此,若要對這些地點突出危險程度進行判斷,需要將這些影響因素進行綜合比較,考慮每一個因素對突出的影響程度,并確定主要因素。目前確定因素權重應用比較廣泛的方法主要有專家調查法、專家評議法、層次分析法、主成分分析法。其中,前3種方法都有通過專家打分或人為判斷各因素間的相互標度的過程,容易受個人知識水平和經驗的限制。而主成分分析法能克服以上方法的缺點,將多項指標轉化為少數幾項綜合指標,用綜合指標來解釋多變量的方差-協方差結構。用少數幾個主成分集中原始變量的大部分信息,在應用上側重于信息貢獻影響力綜合評定各因素的權重,且該方法比較適用于在多種相關因素共同作用時分析各因素的權重。3.2煤量特征及統計結果在對煤與瓦斯突出資料統計過程中,均是將同一組數據從不同的影響因素方面進行分析,即對每種因素的分析使用的是相同的數據資料。統計平均突出煤量過程中,采用次數的加權平均,其數學模型如下:式中:Q為平均突出煤量,t;Qi為每次突出煤量,t;ni為統計次數,無因次。根據統計結果,煤層厚度對突出影響不具有普遍性。因此,按式(1)計算得到開采深度、巷道類型、作業方式、地質構造、突出預兆等因素影響下的平均突出煤量,并計算突出煤量方差值見表1。3.3確定作業方式和突出麻黃按照主成分分析法的數學建模過程(計算過程略),計算各因素主成分得分,假設開采深度為X1、巷道類型為X2、地質構造為X3、突出預兆為X4、作業方式為X5,則重新組成的5個主成分P1、P2、P3、P4和P5如下:P1=-0.5360X1+0.1603X2+0.1242X3-0.2339X4+0.7854X5P2=0.4495X1-0.7264X2+0.0769X3-0.3992X4+0.3239X5P3=-0.3403X1-0.5625X2+0.1560X3+0.7325X4+0.0754X5P4=-0.3030X1-0.0993X2+0.7804X3-0.3449X4-0.4127X5P5=-0.5505X1-0.3468X2-0.5865X3-0.3611X4-0.3198X5由以上計算結果可以看出,第1主成分中的第5個因素的權重最大,對應為作業方式;其次為第1個因素,對應為開采深度;突出預兆因素對應的權重第3;最小的為第3個因素,對應為地質構造。第2主成分中的第2個因素的權重最大,對應為巷道類型,其次為開采深度。在開采深度、巷道類型、地質構造、突出預兆和作業方式5種影響因素中,可以認為開采深度能夠說明一個地區的地應力和瓦斯賦存狀況;巷道類型對突出起著加速或抑制作用;地質構造帶一般煤體比較松軟、破碎、瓦斯較大,是突出最容易發生的地帶;突出預兆是突出發生前的最直觀信息;作業方式是突出的誘導因素。在實際生產過程中,不同的礦區、礦井其影響突出危險程度的因素也各不相同。而且瓦斯地質理論研究已經證實,地質構造是控制煤與瓦斯突出發生的主要因素。從主成分分析結果可以看出,影響貴州煤與瓦斯突出的最重要因素是作業方式,其對煤體的直接作用容易使應力得到瞬間釋放,從而造成突出,即突出的發生受外界誘導因素的影響作用很大。4州煤礦區始突深度總體特征1)貴州煤與瓦斯突出動力現象類型以突出和壓出為主,突出強度以中小型為主,近年大型和特大型突出有發生率有增高的趨勢,應引起高度注意。2)統計表明,貴州煤礦區