基于主成分分析法的大直徑鉆孔預(yù)測(cè)指標(biāo)敏感性分析

基于主成分分析法的大直徑鉆孔預(yù)測(cè)指標(biāo)敏感性分析

0煤體賦存復(fù)雜區(qū)域煤和磚瓦的突出是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象。大多數(shù)機(jī)制傾向于全球假設(shè)，即地應(yīng)力、高壓磚瓦和煤炭物理力學(xué)性質(zhì)的綜合效應(yīng)。我國(guó)煤與瓦斯突出預(yù)測(cè)分為區(qū)域預(yù)測(cè)和工作面預(yù)測(cè)。目前一般采用Φ42mm鉆孔預(yù)測(cè)工作面煤與瓦斯突出。平頂山礦區(qū)目前進(jìn)入深部開(kāi)采,小直徑鉆孔施工存在明顯不足。小直徑鉆孔施工困難,鉆孔深度淺,尤其是在煤層賦存復(fù)雜區(qū)域,施工難度更大;現(xiàn)場(chǎng)鉆具采用Φ89mm鉆孔打排放鉆孔后,再用Φ42mm鉆孔預(yù)測(cè),頻繁更換施工鉆具,增加了工序。而采用Φ89mm鉆孔代替Φ42mm鉆孔,將工作面防突措施和突出預(yù)測(cè)有機(jī)結(jié)合,直接用措施孔作為預(yù)測(cè)孔,鉆機(jī)動(dòng)力增大的同時(shí)也減少了工序。而且,由于在突出煤層打鉆時(shí)噴孔、頂鉆、卡鉆現(xiàn)象隨孔徑的增大而變得嚴(yán)重,大直徑預(yù)測(cè)過(guò)程中更容易掌握出現(xiàn)的噴孔、頂鉆等異?，F(xiàn)象,可以進(jìn)一步提高預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率。預(yù)測(cè)孔完成預(yù)測(cè)工作后還可作為措施孔,減少了防突工程量。研究表明,Φ89mm鉆孔對(duì)煤體的影響和產(chǎn)生的應(yīng)力變化規(guī)律和Φ42mm鉆孔是基本一致的。所以,用大孔徑鉆孔預(yù)測(cè)工作面突出危險(xiǎn)性具備優(yōu)越性和可行性。然而,對(duì)于大直徑鉆孔突出預(yù)測(cè)指標(biāo)及其臨界值,《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》尚未作出明確規(guī)定。因此,筆者結(jié)合平頂山礦區(qū)的實(shí)際,對(duì)大直徑鉆孔突出預(yù)測(cè)指標(biāo)與煤與瓦斯突出機(jī)理的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行分析,篩選預(yù)測(cè)指標(biāo),分析其敏感性并確定臨界值,這對(duì)于提高煤與瓦斯突出預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率和效率具有重大的理論意義和實(shí)用價(jià)值。1特別是關(guān)于突出堡狀況的預(yù)測(cè)指標(biāo)及其現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)1.1煤層煤厚、煤層傾角此次實(shí)驗(yàn)巷道是平煤股份八礦戊9-10-21030機(jī)巷。戊9-10煤層煤厚平均3.2m,煤層傾角平均12°。戊組煤層始突標(biāo)高-340m,垂深460m,始突瓦斯壓力為0.57MPa,始突瓦斯含量為8.4m3/t。1.2生存率測(cè)定該工作面使用的Φ42mm鉆孔預(yù)測(cè)指標(biāo)為瓦斯涌出初速度q、鉆屑量S和鉆屑解吸指標(biāo)Δh2,分別取5L/min,4kg/m和200Pa為臨界值。此次研究中,Φ89mm鉆孔突出預(yù)測(cè)指標(biāo)采用鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)Q3、鉆屑量S和鉆屑解吸指標(biāo)Δh2。1.2.1煤與瓦斯的初始解吸特征與小直徑鉆孔預(yù)測(cè)指標(biāo)q相對(duì)應(yīng),大直徑鉆孔將采用鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)Q3作為預(yù)測(cè)指標(biāo)之一。煤與瓦斯突出的綜合假說(shuō)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明,瓦斯因素在突出中發(fā)揮著極其重要的作用。另外,現(xiàn)場(chǎng)和實(shí)驗(yàn)都證明,突出危險(xiǎn)性較大的煤層具有較大的初始解吸強(qiáng)度,瓦斯解吸和泄出越快,煤中瓦斯膨脹能的釋放越集中,從而容易形成具有攜帶能力的瓦斯流,造成煤與瓦斯突出。鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)Q3可以很好地反映煤層卸壓后瓦斯初始解吸量的特征。在鉆孔施工過(guò)程中,用煤樣罐接取煤鉆屑,待煤鉆屑自煤壁脫落卸壓2min后,自第3min開(kāi)始,連接煤樣罐與瓦斯解吸速度測(cè)定儀,測(cè)定在第3,4,5min內(nèi)的累計(jì)解吸量,記作鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)Q3,單位mL/100g。1.2.2構(gòu)破壞程度、鉆頭直徑鉆屑量指標(biāo)的大小取決于取樣地點(diǎn)的瓦斯含量、地應(yīng)力狀況、煤的結(jié)構(gòu)破壞程度和鉆頭直徑。當(dāng)鉆頭直徑一定時(shí),鉆屑量主要決定于另外三者,這三者也是影響煤與瓦斯突出最主要的因素。所以,鉆屑量指標(biāo)是這3個(gè)因素的綜合表現(xiàn),鉆屑量愈大則表示突出的危險(xiǎn)性愈大。1.2.3水柱計(jì)壓差測(cè)量預(yù)測(cè)煤樣的Δh2值時(shí),在規(guī)定時(shí)間內(nèi)將煤鉆屑從鉆孔中取出,篩分成1～3mm的樣品,在總暴露時(shí)間為3min時(shí)開(kāi)始測(cè)量,過(guò)2min后的水柱計(jì)壓差為Δh2值。鉆屑解吸指標(biāo)Δh2愈大,則煤體的瓦斯含量愈高,越易突出。1.3鉆屑解吸指標(biāo)2011年9～10月對(duì)八礦戊9-10-21030機(jī)巷掘進(jìn)工作面進(jìn)行了大直徑鉆孔突出敏感指標(biāo)的考察測(cè)值,收集相關(guān)數(shù)據(jù)見(jiàn)圖1。為方便繪圖,鉆屑解吸指標(biāo)Δh2縮小10倍。由圖可知大直徑鉆孔預(yù)測(cè)指標(biāo)Q3值位于6.5～35mL/100g之間,變化幅度較大,且高值處鉆孔施工過(guò)程中往往出現(xiàn)噴孔等動(dòng)力現(xiàn)象;鉆屑量S值位于7～11.2kg/m之間,變化較為明顯,且S值曲線與指標(biāo)Q3曲線具有較好的相關(guān)性;鉆屑解吸指標(biāo)Δh2值位于40～160Pa之間,該指標(biāo)值小,變化不大,且與前兩個(gè)指標(biāo)的相關(guān)性不明顯。2主成分分析結(jié)果使用主成分分析方法可以得到包含瓦斯、地應(yīng)力和煤的物理力學(xué)性質(zhì)絕大多數(shù)信息的綜合指標(biāo),代替人工對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行加權(quán),通過(guò)各指標(biāo)在綜合指標(biāo)中所占的權(quán)重判斷預(yù)測(cè)指標(biāo)的敏感性。在八礦戊9-10-21030機(jī)巷掘進(jìn)工作面大直徑鉆孔的預(yù)測(cè)指標(biāo)考察中,共收集Q3值、Δh2值、S值各327個(gè)數(shù)據(jù),采用主成分分析的方法,借助SPSS13.0軟件分析結(jié)果見(jiàn)表1。通過(guò)主成分分析可以得到包含所有預(yù)測(cè)指標(biāo)的主成分F:F=0.880Q3+0.814S+0.554Δh2(1)式中,F為綜合指標(biāo);Q3為鉆屑瓦斯解吸指標(biāo),mL/100g;S為鉆屑量,kg/m;Δh2為鉆屑瓦斯解吸指標(biāo),Pa。由式(1)可知:Q3,S,Δh2系數(shù)全是正數(shù),其中Q3的系數(shù)最大,S次之,Δh2的系數(shù)最小,表明3個(gè)預(yù)測(cè)指標(biāo)具有同步性。因此可以把主成分F看作是瓦斯、地應(yīng)力和煤的物理力學(xué)性質(zhì)的綜合反映。鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)Q3主要反映瓦斯因素,鉆屑量S主要反映地應(yīng)力大小,從式(1)中可以看出Q3值的變化對(duì)F貢獻(xiàn)最大,S值變化對(duì)F貢獻(xiàn)次之,Δh2值變化對(duì)F貢獻(xiàn)最小。因此,綜合認(rèn)為鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)Q3最敏感,鉆屑量S次之,Δh2不敏感。故選取鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)Q3作為主要突出敏感指標(biāo),鉆屑量S作為輔助指標(biāo)。3預(yù)測(cè)敏感指數(shù)的臨界值3.1研究對(duì)象與瓦斯含量的關(guān)系鉆屑解吸指標(biāo)Q3的臨界值確定采用實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)考察相結(jié)合方法。在實(shí)驗(yàn)室條件下瓦斯壓力、含量與Q3之間的關(guān)系見(jiàn)表2、圖2和圖3。由圖2、圖3可看出,Q3能夠很好地反映瓦斯壓力和瓦斯含量,由表2可得出Q3與瓦斯壓力P的相關(guān)性最好,始突瓦斯壓力相對(duì)應(yīng)的Q3理論值為20mL/100g。隨后進(jìn)行的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)中,瓦斯含量W與Q3的關(guān)系如圖4所示。由圖4可知,Q3與瓦斯含量相關(guān)性很好,Q3與瓦斯含量符合關(guān)系式:Q3=3.7797W+2.8786,R2=0.7237。當(dāng)始突瓦斯含量取8.4m3/t時(shí),相應(yīng)的Q3的大小為35mL/100g,與實(shí)驗(yàn)條件下得到的臨界值20mL/100g相差15mL/100g。為了安全起見(jiàn),八礦戊組掘進(jìn)工作面鉆屑解吸指標(biāo)Q3的臨界值取20mL/100g。3.2預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性鉆屑量S的臨界值根據(jù)“三率”法來(lái)確定。工作面突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)時(shí),必須滿足:預(yù)測(cè)突出η1率應(yīng)盡可能小,且不超過(guò)30%;預(yù)測(cè)突出準(zhǔn)確率η2盡可能大,且不低于60%;預(yù)測(cè)不突出準(zhǔn)確率η3必須達(dá)到100%。由表4可以得出八礦戊組煤層敏感指標(biāo)鉆屑量S的臨界值取9kg/m時(shí),滿足η1=13.41%<30%,η2=81.82%>60%,η3=100%。因此鉆屑量S的臨界值取9kg/m最為合理。4瓦斯出水初速度q由圖5可以看出,Q3臨界值取20mL/100g,S取9kg/m能夠很好地反應(yīng)工作面突出狀況。在距開(kāi)口353,362和377m處,Q3分別為31,37和35.5mL/100g,S分別為9.8,11.7和9.8kg/m,均超過(guò)了20mL/100g和9kg/m,相對(duì)應(yīng)的瓦斯涌出初速度q分別為8.2,14和5.2L/min,也出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象,充分驗(yàn)證了鉆屑解吸指標(biāo)Q3和鉆屑量S敏感性。工業(yè)性試驗(yàn)表明,采用大直徑鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)Q3、鉆屑量S作為八礦戊9-10-21030機(jī)巷掘進(jìn)工作面突出預(yù)測(cè)敏感指標(biāo),臨界值取20mL/100g,9kg/m,能夠準(zhǔn)確判定掘進(jìn)工作面的突出危險(xiǎn)性,指標(biāo)敏感,臨界值可靠。5確定鉆屑解吸指標(biāo)關(guān)鍵因素(1)采用主成分分析法對(duì)八礦戊9-10-21030機(jī)巷掘進(jìn)工作面大直徑鉆孔突出預(yù)測(cè)指標(biāo)Q3、鉆屑量S和Δh2進(jìn)行了敏感性分析,得出鉆屑解吸指標(biāo)Q3是該工作面煤層的突出預(yù)測(cè)敏感指標(biāo),鉆屑量S作