基于PCA的煤層瓦斯含量影響因素分析

(華北科技學院 北京 101601)

引言

在美國、澳大利亞等采煤大國，通常都是采用煤層瓦斯含量來作為煤與瓦斯突出危險性的一個指標[1,2]。1994年，澳大利亞政府最先將瓦斯含量定為預測瓦斯突出唯一指標[3]。影響瓦斯賦存規(guī)律的因素很多，比如煤層埋深、煤厚、頂?shù)装鍘r性等。以金家莊煤礦為例，本文將采用主成分分析法對其瓦斯含量的影響因素進行排序，確定其因素權(quán)重。

一、礦井概況

井田位于離柳礦區(qū)西部，三交～柳林單斜含煤區(qū)中南部，走向為北西——南東向，傾向南西，井田東西長4.95km，南北寬2.78km，面積6.0842km2。井田內(nèi)未發(fā)現(xiàn)陷落柱。

二、影響煤層瓦斯含量的因素

(一)頂?shù)装鍘r性

含煤地層的巖性組合及其透氣性對煤層瓦斯含量有重大影響[4]。9號煤層直接頂板為泥巖，厚度3.34-9.72m，平均7.06m，有時為炭質(zhì)泥巖偽頂，厚0.28m左右；底板巖性為泥巖。

(二)煤層埋深

在一定深度范圍內(nèi)，煤層瓦斯含量與埋藏深度成正比[5]。通過對金家莊煤礦9號煤層的埋深等值線圖和瓦斯含量等值線圖對比發(fā)現(xiàn)，瓦斯含量會隨著埋深的增加而逐漸變大。

(三)煤層厚度

煤厚變化破壞了瓦斯在煤層中的均衡狀態(tài)，從而促進了瓦斯的運移和變化，此外，煤厚變化處也往往是地應(yīng)力發(fā)生變化和集中的地方，而地應(yīng)力分布與瓦斯分布極為密切[6]。根據(jù)金家莊煤礦煤層特征表可知，8號煤層平均厚度大約為2m，9號煤層平均厚度約為4.24m。

為了真實反映瓦斯變化規(guī)律，特選取金家莊煤礦一組實測數(shù)據(jù)來分析影響瓦斯含量變化的因素。

三、主成分分析法

(1)數(shù)據(jù)標準化。對樣本數(shù)據(jù)作標準化處理。

(2)協(xié)方差矩陣。

(3)計算特征值、貢獻率

選取方差貢獻率在75%～85%的第j個主成分，其主成分個數(shù)為j=1，2…，q。

(4)確定主成分特征向量，計算出影響因素權(quán)重Wi。

歸一化處理后可計算出各因子的權(quán)重向量Wi，并依此對各因素影響程度進行評價。

四、主成分分析的應(yīng)用

(1)原始數(shù)據(jù)標準化，建立相關(guān)系數(shù)矩陣，得出各影響因素特征值與貢獻率。

數(shù)據(jù)分析可知，底板標高、煤厚、傾角三個影響因素的累積貢獻率到達80.422%，滿足75%～85%要求[8]，所以這3個影響因素可以大致代表所有的變量，即選取底板標高、煤厚、砂巖比為三個主成分。通過前三項主成分方差貢獻率，建立金家莊煤礦瓦斯壓力影響因素的綜合評價函數(shù)：F=35.825X1+69.954X2+80.422X3。用該綜合評價函數(shù)可以在很大程度上代表所有的煤層瓦斯含量的影響因素。

(2)計算權(quán)重向量：

W埋深=|0.82×35.823%+0.424×27.131%-0.353×17.488%|=0.342

同理可以得到W煤厚=0.081、W砂巖比=0.202、W傾角=0.0077、W底板標高=0.344。權(quán)重向量越大，表明該指標影響瓦斯含量程度越大。所以，結(jié)合以上計算方法來看，影響金家莊煤礦瓦斯含量的主要因素順序為：底板標高>埋深>砂巖比>煤厚>傾角。

五、結(jié)論

通過對金家莊煤礦瓦斯含量影響因素的分析，得出結(jié)論如下：

(1)運用主成分分析法對金家莊煤礦影響瓦斯含量因素作出分析，影響瓦斯含量最大的因素為底板標高，影響最小的因素為煤層傾角。

(2)主成分分析法能夠?qū)⒂绊懸蛩剡M行定量化處理，結(jié)合所賦予的權(quán)重，能更加清晰的了解每一個指標對瓦斯含量影響因素的大小，對正確評價瓦斯賦存提供更加有力的依據(jù)，對日常瓦斯管理和防治瓦斯突出具有指導意義。