基于主成分分析法的大直徑鉆孔預測指標敏感性分析

基于主成分分析法的大直徑鉆孔預測指標敏感性分析

0煤體賦存復雜區(qū)域煤和磚瓦的突出是一個復雜的動力學現(xiàn)象。大多數(shù)機制傾向于全球假設，即地應力、高壓磚瓦和煤炭物理力學性質(zhì)的綜合效應。我國煤與瓦斯突出預測分為區(qū)域預測和工作面預測。目前一般采用Φ42mm鉆孔預測工作面煤與瓦斯突出。平頂山礦區(qū)目前進入深部開采,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雜區(qū)域,施工難度更大;現(xiàn)場鉆具采用Φ89mm鉆孔打排放鉆孔后,再用Φ42mm鉆孔預測,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測有機結(jié)合,直接用措施孔作為預測孔,鉆機動力增大的同時也減少了工序。而且,由于在突出煤層打鉆時噴孔、頂鉆、卡鉆現(xiàn)象隨孔徑的增大而變得嚴重,大直徑預測過程中更容易掌握出現(xiàn)的噴孔、頂鉆等異常現(xiàn)象,可以進一步提高預測準確率。預測孔完成預測工作后還可作為措施孔,減少了防突工程量。研究表明,Φ89mm鉆孔對煤體的影響和產(chǎn)生的應力變化規(guī)律和Φ42mm鉆孔是基本一致的。所以,用大孔徑鉆孔預測工作面突出危險性具備優(yōu)越性和可行性。然而,對于大直徑鉆孔突出預測指標及其臨界值,《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)的實際,對大直徑鉆孔突出預測指標與煤與瓦斯突出機理的關(guān)聯(lián)性進行分析,篩選預測指標,分析其敏感性并確定臨界值,這對于提高煤與瓦斯突出預測準確率和效率具有重大的理論意義和實用價值。1特別是關(guān)于突出堡狀況的預測指標及其現(xiàn)場試驗1.1煤層煤厚、煤層傾角此次實驗巷道是平煤股份八礦戊9-10-21030機巷。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生存率測定該工作面使用的Φ42mm鉆孔預測指標為瓦斯涌出初速度q、鉆屑量S和鉆屑解吸指標Δh2,分別取5L/min,4kg/m和200Pa為臨界值。此次研究中,Φ89mm鉆孔突出預測指標采用鉆屑瓦斯解吸指標Q3、鉆屑量S和鉆屑解吸指標Δh2。1.2.1煤與瓦斯的初始解吸特征與小直徑鉆孔預測指標q相對應,大直徑鉆孔將采用鉆屑瓦斯解吸指標Q3作為預測指標之一。煤與瓦斯突出的綜合假說和現(xiàn)場實踐表明,瓦斯因素在突出中發(fā)揮著極其重要的作用。另外,現(xiàn)場和實驗都證明,突出危險性較大的煤層具有較大的初始解吸強度,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開始,連接煤樣罐與瓦斯解吸速度測定儀,測定在第3,4,5min內(nèi)的累計解吸量,記作鉆屑瓦斯解吸指標Q3,單位mL/100g。1.2.2構(gòu)破壞程度、鉆頭直徑鉆屑量指標的大小取決于取樣地點的瓦斯含量、地應力狀況、煤的結(jié)構(gòu)破壞程度和鉆頭直徑。當鉆頭直徑一定時,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,鉆屑量指標是這3個因素的綜合表現(xiàn),鉆屑量愈大則表示突出的危險性愈大。1.2.3水柱計壓差測量預測煤樣的Δh2值時,在規(guī)定時間內(nèi)將煤鉆屑從鉆孔中取出,篩分成1～3mm的樣品,在總暴露時間為3min時開始測量,過2min后的水柱計壓差為Δh2值。鉆屑解吸指標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2011年9～10月對八礦戊9-10-21030機巷掘進工作面進行了大直徑鉆孔突出敏感指標的考察測值,收集相關(guān)數(shù)據(jù)見圖1。為方便繪圖,鉆屑解吸指標Δh2縮小10倍。由圖可知大直徑鉆孔預測指標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程中往往出現(xiàn)噴孔等動力現(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Q3曲線具有較好的相關(guān)性;鉆屑解吸指標Δh2值位于40～160Pa之間,該指標值小,變化不大,且與前兩個指標的相關(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、地應力和煤的物理力學性質(zhì)絕大多數(shù)信息的綜合指標,代替人工對各指標進行加權(quán),通過各指標在綜合指標中所占的權(quán)重判斷預測指標的敏感性。在八礦戊9-10-21030機巷掘進工作面大直徑鉆孔的預測指標考察中,共收集Q3值、Δh2值、S值各327個數(shù)據(jù),采用主成分分析的方法,借助SPSS13.0軟件分析結(jié)果見表1。通過主成分分析可以得到包含所有預測指標的主成分F:F=0.880Q3+0.814S+0.554Δh2(1)式中,F為綜合指標;Q3為鉆屑瓦斯解吸指標,mL/100g;S為鉆屑量,kg/m;Δh2為鉆屑瓦斯解吸指標,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個預測指標具有同步性。因此可以把主成分F看作是瓦斯、地應力和煤的物理力學性質(zhì)的綜合反映。鉆屑瓦斯解吸指標Q3主要反映瓦斯因素,鉆屑量S主要反映地應力大小,從式(1)中可以看出Q3值的變化對F貢獻最大,S值變化對F貢獻次之,Δh2值變化對F貢獻最小。因此,綜合認為鉆屑瓦斯解吸指標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Q3作為主要突出敏感指標,鉆屑量S作為輔助指標。3預測敏感指數(shù)的臨界值3.1研究對象與瓦斯含量的關(guān)系鉆屑解吸指標Q3的臨界值確定采用實驗室和現(xiàn)場考察相結(jié)合方法。在實驗室條件下瓦斯壓力、含量與Q3之間的關(guān)系見表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,始突瓦斯壓力相對應的Q3理論值為20mL/100g。隨后進行的現(xiàn)場觀測中,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。當始突瓦斯含量取8.4m3/t時,相應的Q3的大小為35mL/100g,與實驗條件下得到的臨界值20mL/100g相差15mL/100g。為了安全起見,八礦戊組掘進工作面鉆屑解吸指標Q3的臨界值取20mL/100g。3.2預測的準確性鉆屑量S的臨界值根據(jù)“三率”法來確定。工作面突出危險性預測時,必須滿足:預測突出η1率應盡可能小,且不超過30%;預測突出準確率η2盡可能大,且不低于60%;預測不突出準確率η3必須達到100%。由表4可以得出八礦戊組煤層敏感指標鉆屑量S的臨界值取9kg/m時,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能夠很好地反應工作面突出狀況。在距開口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,均超過了20mL/100g和9kg/m,相對應的瓦斯涌出初速度q分別為8.2,14和5.2L/min,也出現(xiàn)超標現(xiàn)象,充分驗證了鉆屑解吸指標Q3和鉆屑量S敏感性。工業(yè)性試驗表明,采用大直徑鉆屑瓦斯解吸指標Q3、鉆屑量S作為八礦戊9-10-21030機巷掘進工作面突出預測敏感指標,臨界值取20mL/100g,9kg/m,能夠準確判定掘進工作面的突出危險性,指標敏感,臨界值可靠。5確定鉆屑解吸指標關(guān)鍵因素(1)采用主成分分析法對八礦戊9-10-21030機巷掘進工作面大直徑鉆孔突出預測指標Q3、鉆屑量S和Δh2進行了敏感性分析,得出鉆屑解吸指標Q3是該工作面煤層的突出預測敏感指標,鉆屑量S作