基于實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)趨勢(shì)預(yù)測(cè)法的屯蘭礦2號(hào)、8號(hào)煤層瓦斯涌出量預(yù)測(cè)

張美琴，張志剛，李新建

（1.鄭州煤炭工業(yè)集團(tuán)有限公司裴溝煤礦（楊河煤業(yè)），河南 鄭州，452382；2.煤炭科學(xué)研究總院重慶研究院 瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶，400037）

基于實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)趨勢(shì)預(yù)測(cè)法的屯蘭礦2號(hào)、8號(hào)煤層瓦斯涌出量預(yù)測(cè)

張美琴1，張志剛2，李新建2

（1.鄭州煤炭工業(yè)集團(tuán)有限公司裴溝煤礦（楊河煤業(yè)），河南 鄭州，452382；2.煤炭科學(xué)研究總院重慶研究院 瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶，400037）

瓦斯涌出量是衡量礦井安全狀態(tài)的重要指標(biāo)，也是新井建設(shè)和瓦斯抽采工程設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)。文章采用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)趨勢(shì)預(yù)測(cè)法對(duì)屯蘭礦2號(hào)、8號(hào)煤層回采工作面瓦斯涌出量進(jìn)行了預(yù)測(cè)，因其預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率高，可以指導(dǎo)礦井更為有效地進(jìn)行瓦斯管理和安全生產(chǎn)。

瓦斯；涌出量；實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)趨勢(shì)預(yù)測(cè)

礦井瓦斯涌出量預(yù)測(cè)是煤礦新井或生產(chǎn)礦井新水平通風(fēng)設(shè)計(jì)和瓦斯抽放工程設(shè)計(jì)、瓦斯防治工作不可缺少的重要環(huán)節(jié)，它在較大程度上影響著煤礦生產(chǎn)過(guò)程中的安全可靠性[1,2,3]。本文通過(guò)采用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)趨勢(shì)預(yù)測(cè)法，對(duì)屯蘭礦瓦斯涌出量進(jìn)行科學(xué)預(yù)測(cè)，分析了瓦斯涌出量的影響因素、大小、涌出來(lái)源，為該礦的安全生產(chǎn)和瓦斯抽采設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)及數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)工作面概況

1）12403 工作面概況：屬于南四盤區(qū)2號(hào)煤層的綜采工作面。該工作面走向長(zhǎng)（皮帶順槽1925m，軌道順槽1938 m，回風(fēng)順槽1936 m），采面長(zhǎng)185 m，回采2號(hào)煤。該工作面東接南四回風(fēng)補(bǔ)巷；西與南五盤區(qū)邊界相鄰，南與12405（未掘）工作面相鄰，北與12401（未掘）工作面相鄰。采用“兩進(jìn)一回”通風(fēng)系統(tǒng)，即12403軌道巷進(jìn)風(fēng)，12403膠帶巷進(jìn)風(fēng)，12403尾巷回風(fēng)。

2）18201 工作面概況：屬于南二盤區(qū)8號(hào)煤層的綜采工作面。該工作面走向長(zhǎng)1475 m，采面長(zhǎng)185m，回采8號(hào)煤。井下位于南二盤區(qū)左翼，東與南二左翼下組煤回風(fēng)巷相接，西與南二軌道大巷相鄰，南部為未采掘的18203工作面，上部為已回采的12202工作面。工作面采用“兩進(jìn)一回”通風(fēng)系統(tǒng)，即軌道順槽進(jìn)風(fēng)（輔助進(jìn)風(fēng)），膠帶順槽進(jìn)風(fēng)（主進(jìn)風(fēng)）、尾巷回風(fēng)。

3）18203 工作面概況：屬于南二盤區(qū)左翼下組煤8號(hào)煤層的第二個(gè)工作面，該工作面走向長(zhǎng)（皮帶順槽1537 m，軌道順槽1624 m，回風(fēng)順槽1632 m），采面長(zhǎng)204 m，可采長(zhǎng)度1467 m，回采8號(hào)煤。該工作面北西與18201工作面相鄰，北東與南二左翼下組煤大巷相接。煤層基本穩(wěn)定，厚約3.64m。煤層整體為一寬緩的向斜構(gòu)造，軸部位于工作面中部，走向北西，傾向南東，平均傾角4°。根據(jù)工作面已掘出的巷道和上組煤推斷，工作面有五條斷層和一個(gè)陷落柱。18203工作面采用“兩進(jìn)一回”通風(fēng)系統(tǒng)，即18203軌道巷進(jìn)風(fēng)，18203膠帶巷進(jìn)風(fēng)，18203尾巷回風(fēng)。

以上試驗(yàn)工作面均采用傾斜長(zhǎng)壁后退式、一次采全高、頂板全部垮落法綜合機(jī)械化采煤方法，其中12403和18201工作面的煤塵具有爆炸性，屬于Ⅰ類自燃傾向性煤層。

2 采用的預(yù)測(cè)方法

長(zhǎng)期的科學(xué)研究和生產(chǎn)實(shí)踐表明，影響和控制瓦斯涌出的因素錯(cuò)綜復(fù)雜，既有區(qū)域性因素和局部性因素的制約，也有不少偶然性條件的作用，具有隨機(jī)性和多變量特點(diǎn)。但是種種因素和條件并非孤立存在，它們具有很大關(guān)聯(lián)性。趨勢(shì)面擬合可把某一具體變量的整體趨勢(shì)變化和局部的偶然性變化分開(kāi)。趨勢(shì)面分析是用簡(jiǎn)單的冪級(jí)多項(xiàng)式來(lái)擬合復(fù)雜的曲面，有削平、填平真實(shí)曲面的作用。

2.1 趨勢(shì)面模擬的方法

設(shè)取模擬趨勢(shì)面的次數(shù)為n0，則趨勢(shì)分析的模型公式為

n0次趨勢(shì)面的系數(shù)ak，i的個(gè)數(shù)為

若有N個(gè)呈離散分布狀態(tài)的實(shí)際觀測(cè)值，現(xiàn)要進(jìn)行n0次趨勢(shì)面（應(yīng)有N≥S）擬合，需要對(duì)N個(gè)觀測(cè)值Z1，Z2，Z3，…，ZN用最小二乘法確定系數(shù)ak，i，即先做觀測(cè)值與模擬值之差的平方和：

再求 σ對(duì)系數(shù)ak，i的偏導(dǎo)數(shù)，令其為零：

式（4）表示一個(gè)具有S個(gè)方程和S個(gè)未知數(shù)ak，i的線性代數(shù)方程組，可經(jīng)求取ak，i最終確定趨勢(shì)面擬合模型表達(dá)式。

瓦斯涌出量及其變化受諸多因素的制約和影響，在煤體空間的分布呈現(xiàn)較大的差異，但又遵循某種規(guī)律，例如：瓦斯含量隨煤層埋藏深度、變質(zhì)程度的增加而增加等等。因此，采用趨勢(shì)面模擬分析瓦斯涌出量規(guī)律的方案是切實(shí)可行的。遵循形式簡(jiǎn)單而實(shí)用的原則，并結(jié)合相關(guān)的科研實(shí)踐反饋，選擇二元多次線性方程作為趨勢(shì)面模型。設(shè)有N個(gè)坐標(biāo)為（xi，yi）、觀測(cè)值為Wi的某瓦斯地質(zhì)變量數(shù)據(jù)，fk（x，y）為近似描述該瓦斯地質(zhì)變量變化的函數(shù)，則有：

式中：k為趨勢(shì)面方程的次數(shù)（k=0，1，2，…）；bi為趨勢(shì)面方程待定系數(shù)，由實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)決定（i=0，1，2，…，m）；m=（k+1）（k+2）/2-1。

2.2 趨勢(shì)面模型的解算

趨勢(shì)面模型解算的關(guān)鍵在于利用已經(jīng)掌握的N個(gè)觀測(cè)數(shù)據(jù)（xi，yi，Wi）確定給定趨勢(shì)面次數(shù)條件中bi的值。根據(jù)最小二乘法的相關(guān)原理，構(gòu)造如下函數(shù)：即

通過(guò)解此方程組［式（8）］得到各個(gè)bi的值，與此對(duì)應(yīng)的fk（x，y）即為期望取得的確定的瓦斯涌出量的趨勢(shì)面方程。

本研究所采用的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)趨勢(shì)預(yù)測(cè)法，是在趨勢(shì)面法的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)預(yù)測(cè)采掘工作面進(jìn)行單元?jiǎng)澐?，?jiàn)圖1所示，實(shí)現(xiàn)為未采掘區(qū)域進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)。即實(shí)現(xiàn)由原來(lái)單點(diǎn)代面到多點(diǎn)代面，使預(yù)測(cè)精度得到進(jìn)一步提高。

圖1 實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)趨勢(shì)預(yù)測(cè)法模型圖

步驟如下：(1)區(qū)域分割。將預(yù)測(cè)區(qū)域D任意分為n個(gè)子域，這樣，有更小的面替代整個(gè)預(yù)測(cè)區(qū)域，即預(yù)測(cè)區(qū)域的離散化。 Δσ1，Δσ2，…Δσn(用Δσi表示第i個(gè)子域的面積)相應(yīng)地此曲面分為n個(gè)小曲面。(2)取近似。在每個(gè)子域內(nèi)任取一點(diǎn)，用改點(diǎn)代表所劃分的小區(qū)域趨勢(shì)值。（ξi，ηi）∈Δσii=1，2，3，…n.(3)參數(shù)求解。按照趨勢(shì)面法求解步驟進(jìn)行參數(shù)求解。

3 回采工作面瓦斯涌出量的預(yù)測(cè)

根據(jù)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)趨勢(shì)預(yù)測(cè)法的分析方法，分別對(duì)所選試驗(yàn)工作面進(jìn)行預(yù)測(cè)。

3.1 回采工作面瓦斯涌出量實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)趨勢(shì)預(yù)測(cè)法預(yù)測(cè)模型的確定

圖2 18201工作面日產(chǎn)量、主采煤層埋深與工作面絕對(duì)涌出量對(duì)應(yīng)圖

最終得到如下瓦斯涌出量趨勢(shì)動(dòng)態(tài)函數(shù)：

3.2 回采工作面瓦斯涌出量實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)趨勢(shì)預(yù)測(cè)函數(shù)預(yù)測(cè)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證瓦斯涌出量實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)趨勢(shì)預(yù)測(cè)函數(shù)的準(zhǔn)確性，將已回采的工作面12403和工作面18203作為瓦斯涌出量預(yù)測(cè)對(duì)象，預(yù)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖3和圖4。

從圖3與圖4的預(yù)測(cè)結(jié)果看出，預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性95.08%以上。該工作面瓦斯涌出量預(yù)測(cè)模型能夠滿足礦井實(shí)際瓦斯涌出精度要求，產(chǎn)量在（2400 t，8 000 t）、埋深（350 m，500 m）范圍內(nèi)能夠作為礦井瓦斯涌出量預(yù)測(cè)方法在屯蘭礦生產(chǎn)中推廣應(yīng)用。

4 結(jié)論

1）采用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)趨勢(shì)預(yù)測(cè)法得到了屯蘭礦回采工作面瓦斯涌出量趨勢(shì)動(dòng)態(tài)函數(shù)。2）在一定埋深與產(chǎn)量范圍內(nèi)，采用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)趨勢(shì)預(yù)測(cè)法進(jìn)行采掘工作面瓦斯涌出量預(yù)測(cè)，其準(zhǔn)確性高，并能動(dòng)態(tài)反映未采掘區(qū)域瓦斯涌出情況，因此可以作為礦井瓦斯涌出量預(yù)測(cè)手段，指導(dǎo)礦井瓦斯防治。3）建議在礦井實(shí)際采掘過(guò)程中注意瓦斯涌出異常變化對(duì)安全生產(chǎn)的影響，并及時(shí)修正相應(yīng)的預(yù)測(cè)函數(shù)系數(shù)，使預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性更高，更合理。

圖3 18203工作面預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)比

圖4 12403工作面預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)比

[1]于不凡，王佑安.煤礦瓦斯災(zāi)害防治及利用技術(shù)手冊(cè)[M].北京:煤炭工業(yè)出版社，2001.

[2]俞啟香.礦井瓦斯防治[M].徐州:中國(guó)礦業(yè)人學(xué)出版社，1992.

[3]王佑安.煤礦瓦斯防治[M].北京:煤炭工業(yè)出版社，1992.

[4]煤炭科學(xué)研究總院重慶研究院.屯蘭礦瓦斯賦存與涌出規(guī)律研究及煤與瓦斯突出防治體系建立[R].2009.

Gas Emission Prediction in No.2 and No.8 Seams of Tunlan Mine by Real-time Dynamic Trend Forecast Approach

ZHANG Mei-qin1,ZHANG Zhi-gang2,LI Xin-jian2
(1.Peigou Mine,Zhengzhou Coal Industry Group,Zhengzhou Henan452382；2.State Key Laboratory for Gas Hazard Control and Emergency Response Technology,Chongqing Institute,Coal Science Research Institute,Chongqing400037)

The gas emission is not only a critical indicator to assess the safety condition in mines,but also an important parameter in the mine construction and gas drainage construction.The study predicts the emission in No.2 and No.8 seams of Tunlan mine caving faces by real-time dynamic trend forecast. Because of its high accuracy,the approach can be used in gas control and safety production in mines.

gas;gas emission;real-time dynamic trend forecast

TD712+.5

A

1672-5050（2011）06-0065-03

2011-03-07

張美琴（1973—），女，山西忻州人，大學(xué)本科，助理工程師，從事煤礦現(xiàn)場(chǎng)的技術(shù)及管理工作。

劉新光