贵州煤与瓦斯突出特征统计分析

贵州煤与瓦斯突出特征统计分析

贵州是中国的一个省。由于其特殊的喀斯特地形特征、独特的煤层分布特征和复杂的地质构造特点，将有60%以上的高砖瓦和煤炭开采风险，这是严重的。实践表明,煤与瓦斯突出特征符合一定的统计规律,对于同一地区,由于煤层赋存、地质等条件的相似性,统计规律更为明显,这些统计指标对制定相应的预防措施有一定的指导意义,甚至可以作为预测突出的判据。基于这一观点,通过现场调研的方式,对贵州典型矿区22对及部分地方矿井的523次突出事故资料进行系统的、全面的整理统计,分析贵州煤与瓦斯突出特征及影响因素。1重要特征统计指标的确定1.1煤与瓦斯突出特征统计特性的研究影响突出的各种因素对突出的发生、突出方式、突出强度等的作用程度不近相同。且目前对煤与瓦斯突出机理尚未完全掌握,所以很难用某种数学方法定量的描述突出受何种因素影响及各因素对突出的影响程度如何。研究表明,煤与瓦斯突出满足动力耗散系统的自相似规律,即在同一地质条件下,采用相同的生产方式,不同强度的突出指标满足相似律,可以推定同一地区的突出特征遵循一定的统计规律。因此,对突出特征的研究只能立足于大量的突出事故数据,而突出特征的统计又属于多元统计体系,在对突出资料进行统计分析时,应遵循以下原则:1)指标有助于预测、预防煤与瓦斯突出。3)指标的数据计算和测量方法应具有一致性和精确性。4)对突出卡片无明确记录或记录不清楚的,统计过程中不予考虑。5)不根据其它因素推测另一因素。1.2突出资料统计分析煤与瓦斯突出的理论研究证明,煤层地质是突出的基础,而矿井的生产方式决定了突出类型和强度。因此,根据贵州煤与瓦斯突出的资料情况,选取突出资料中的下列因素进行统计分析:1)突出前预兆、突出后的动力效应即突出对巷道的破坏程度。2)突出点煤层厚度及变化情况、煤层倾角及变化情况、地质构造。3)突出类型、突出地点埋深、巷道类型、突出地点作业方式、突出煤量。2贵州煤炭和砖瓦的突出特征2.1突出为主的分布区贵州煤矿突出类型包含突出、压出、倾出3种,但不同矿区有较大差别,如水域矿区以突出为主,占50.5%;盘江以倾出为主,占50%;林东以压出为主,占46.3%。但就全省情况而言,贵州以突出和压出为主,占78.3%,倾出仅占21.6%。2.2突出强度分布以突出煤量作为表征突出强度的指标,将贵州煤矿突出强度划分为5种类型。统计表明,贵州以中小型突出为主,占41.2%;其次为次大型突出,占34.8%;特大型突出较少,仅占1.2%。2.3煤层始突深度分别统计水矿11#和六枝7#煤始突深度,可以看出,地质异常区的始突深度比地质正常区浅;瓦斯压力梯度大的矿井比梯度小的矿井始突深度浅;倾角较大的煤层始突深度相对较浅;其它条件相同时,倾出的始突深度最浅,压出次之,突出最深,也证明了突出的发生需要较高的能量。2.4深度较大时,贵州大省资企业已开展较深开采后,生活压力在相应随着开采深度的增加,突出次数和强度都有增大趋势,尤其是开采深度≥300m后,突出强度显著增大,但开采深度<300m时,突出强度变化不明显。达到一定的深度后,出现了突出次数和强度减小的趋势,分析认为,贵州一些矿区尚未对较深水平进行大面积开采。因此,就煤与瓦斯突出这一物理现象来说,可以认为随开采深度的增加,突出危险性增高,表现为突出的次数和强度增加,突出危险区域扩大。2.5出则立地条件分析在统计的544次突出资料中,煤平巷掘进工作面突出最多,达249次,上山、下山、切眼共发生突出事例101次,即煤巷掘进工作面发生突出事例350次,占事故比例的64.3%;回采工作面142次,占26.1%;石门揭煤52次,占9.6%。但石门突出的强度最大,明显大于上山、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不同时距放炮引发的突出强度在425次有明确作业方式记录的突出事故中,有419次是由放炮、打钻、手镐落煤、风镐落煤、支护等作业诱导,占98.6%。其中,放炮作业突出336次,占79.1%,无作业突出6次,仅占1.4%。在各种作业方式中,放炮引发的突出强度最大,是其它作业方式下突出强度的2倍以上。其次为支护、移煤机、综掘、综采。六枝矿区曾在支护作业时发生过大型突出,但认为不具有代表性,是支护不及时由煤(岩)体的垮落而引起的。另外,无作业时也发生了不同强度的突出,且以倾出为主。因此,突出除地应力、瓦斯和煤体物理力学性质3个本质要素外,采掘作业是重要的诱导因素。2.7无地质构造发生突出在统计的221次有构造记录的突出事例中,有197次突出地点有断层、褶曲、煤厚变化、倾角变化、软分层增厚等地质构造特征,其中断层和煤厚变化突出146次,占74.1%,无地质构造发生突出24次,仅占10.9%。在各种地质构造中,软分层变厚处突出强度最大,是其它构造影响的3倍以上。其次是断层、褶曲、煤厚变化,其中在煤层变厚处发生突出的强度和频度都远大于煤层变薄处的强度和频度。另外,“无构造”的突出强度和频度都相对较高,统计资料中包括了部分石门揭煤突出事故,分析认为该现象不具有代表性。贵州易发生突出的地质构造带主要有煤厚变化带、压型及压扭性断层带、向斜轴部带,煤层产状急剧变化区,煤层顶板破碎带等。2.8种或2种以上的突出预应力在382次有明确突出预兆记载的突出事故中,喷孔、煤体结构变化、响煤炮、卡钻、瓦斯异常等预兆突出340次,占89%,其中喷孔预兆最多,为106次,占31.2%;一次突出有2种或2种以上突出预兆的156次,占40.8%;无预兆突出42次,占11%。可以认为大多数突出发生前都会出现预兆,且相当一部分突出有2种以上预兆。在各种突出预兆中,支架压力增大突出强度最大,达到252.3t,其次为响煤炮,突出强度为206.9t。喷孔预兆的突出强度最小,仅47.7t。需要指出的是,喷孔预兆突出的强度虽小,但喷孔预兆发生突出的次数较多。另外,无预兆突出强度强度达到298.6t,反而大于其它有预兆突出强度,是由于统计中包含了石门揭煤突出,石门揭煤有安全岩柱,一般都无预兆,但突出强度大。2.9典型矿井的突出强度分析统计274次有明确突出点煤层厚度记录的突出事例,可以看出,煤层厚度与突出频度变化关系较为离散,但就典型矿井如汪家寨煤矿、大湾煤矿来说,突出主要发生在煤厚较大煤层。尤其是同一煤层由薄变厚处其突出危险性更大;就全省而言,煤层厚度2~3m时突出强度较大,煤层厚度5~6m是突出强度最大,但平均突出强度的变化程度不大。因此,认为贵州不具备突出强度随着煤层厚度增加而增大的普遍特征。3影响因素分析：煤炭和砖瓦的突出影响因素3.1因素权重确定煤与瓦斯突出的发生受多种因素的影响,而各因素对突出影响程度又具有一定的模糊性,在对突出事故资料统计时的开采深度、巷道类型、作业方式、地质构造等因素,也并非单独反映地应力、瓦斯和煤体的力学性质的某一个方面。而且任何突出地点也并非全部具备这些条件。因此,若要对这些地点突出危险程度进行判断,需要将这些影响因素进行综合比较,考虑每一个因素对突出的影响程度,并确定主要因素。目前确定因素权重应用比较广泛的方法主要有专家调查法、专家评议法、层次分析法、主成分分析法。其中,前3种方法都有通过专家打分或人为判断各因素间的相互标度的过程,容易受个人知识水平和经验的限制。而主成分分析法能克服以上方法的缺点,将多项指标转化为少数几项综合指标,用综合指标来解释多变量的方差-协方差结构。用少数几个主成分集中原始变量的大部分信息,在应用上侧重于信息贡献影响力综合评定各因素的权重,且该方法比较适用于在多种相关因素共同作用时分析各因素的权重。3.2煤量特征及统计结果在对煤与瓦斯突出资料统计过程中,均是将同一组数据从不同的影响因素方面进行分析,即对每种因素的分析使用的是相同的数据资料。统计平均突出煤量过程中,采用次数的加权平均,其数学模型如下:式中:Q为平均突出煤量,t;Qi为每次突出煤量,t;ni为统计次数,无因次。根据统计结果,煤层厚度对突出影响不具有普遍性。因此,按式(1)计算得到开采深度、巷道类型、作业方式、地质构造、突出预兆等因素影响下的平均突出煤量,并计算突出煤量方差值见表1。3.3确定作业方式和突出麻黄按照主成分分析法的数学建模过程(计算过程略),计算各因素主成分得分,假设开采深度为X1、巷道类型为X2、地质构造为X3、突出预兆为X4、作业方式为X5,则重新组成的5个主成分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由以上计算结果可以看出,第1主成分中的第5个因素的权重最大,对应为作业方式;其次为第1个因素,对应为开采深度;突出预兆因素对应的权重第3;最小的为第3个因素,对应为地质构造。第2主成分中的第2个因素的权重最大,对应为巷道类型,其次为开采深度。在开采深度、巷道类型、地质构造、突出预兆和作业方式5种影响因素中,可以认为开采深度能够说明一个地区的地应力和瓦斯赋存状况;巷道类型对突出起着加速或抑制作用;地质构造带一般煤体比较松软、破碎、瓦斯较大,是突出最容易发生的地带;突出预兆是突出发生前的最直观信息;作业方式是突出的诱导因素。在实际生产过程中,不同的矿区、矿井其影响突出危险程度的因素也各不相同。而且瓦斯地质理论研究已经证实,地质构造是控制煤与瓦斯突出发生的主要因素。从主成分分析结果可以看出,影响贵州煤与瓦斯突出的最重要因素是作业方式,其对煤体的直接作用容易使应力得到瞬间释放,从而造成突出,即突出的发生受外界诱导因素的影响作用很大。4州煤矿区始突深度总体特征1)贵州煤与瓦斯突出动力现象类型以突出和压出为主,突出强度以中小型为主,近年大型和特大型突出有发生率有增高的趋势,应引起高度注意。2)统计表明,贵州煤矿区