基于灰色關(guān)聯(lián)法對(duì)崔家溝煤礦瓦斯含量影響因素分析

蔣同昌

(1.國(guó)土資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710021；2.陜西煤田地質(zhì)勘查研究院有限公司，陜西 西安 710021)

0 引言

煤層瓦斯含量的高低對(duì)礦井瓦斯涌出量起著至關(guān)重要的作用，同時(shí)也是制約煤層氣開(kāi)發(fā)和瓦斯防治的核心問(wèn)題。通常認(rèn)為煤層瓦斯含量受埋深、煤厚、構(gòu)造、頂板厚度、底板厚度、圍巖巖性以及水文地質(zhì)條件等多個(gè)因素的影響[1-3]。目前，國(guó)內(nèi)外已形成較為全面的煤層瓦斯含量影響因素評(píng)價(jià)方法，主要有模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專(zhuān)家會(huì)議法、層次分析法、灰色關(guān)聯(lián)分析法、回歸分析、主成分分析法、因子分析法、相關(guān)分析法和模糊綜合評(píng)判方法等[4-6]。傳統(tǒng)的回歸分析、方差分析、主成分分析等方法要求數(shù)據(jù)量大，并且要求各因素彼此無(wú)關(guān)，也可能出現(xiàn)量化結(jié)果與定性分析結(jié)果不符等現(xiàn)象。與研究“隨機(jī)不確定性”的概率統(tǒng)計(jì)和研究“認(rèn)知不確定性”的模糊數(shù)學(xué)不同，灰色系統(tǒng)理論的研究對(duì)象是“部分信息已知、部分信息未知”的“小樣本”、“貧信息”不確定性系統(tǒng)，在地質(zhì)學(xué)界得到廣泛應(yīng)用。崔家溝煤礦范圍內(nèi)瓦斯孔較少且瓦斯含量影響因素多，瓦斯地質(zhì)規(guī)律復(fù)雜，礦井絕對(duì)瓦斯涌出量高至52.03 m3/min，在煤礦采掘過(guò)程中經(jīng)常發(fā)生工作面上隅角瓦斯?jié)舛瘸迒?wèn)題[7]，鑒于此，擬采用灰色關(guān)聯(lián)分析法對(duì)影響崔家溝煤礦4-2煤層瓦斯含量的因素進(jìn)行分析并評(píng)價(jià)，為煤礦瓦斯防治提供地質(zhì)依據(jù)。

1 煤礦地質(zhì)特征

崔家溝煤礦位于黃隴侏羅紀(jì)煤田焦坪礦區(qū)中部，北與玉華煤礦毗鄰，南與下石節(jié)煤礦相接，東以煤層露頭為界，西止煤層變薄尖滅帶。礦井采用斜井開(kāi)拓方式、綜采放頂煤一次采全高采煤工藝，煤礦現(xiàn)生產(chǎn)能力1．95 Mt /a。含煤地層為侏羅系中統(tǒng)延安組，主采煤層為4-2煤，地勘時(shí)期瓦斯含量在0.03～4.56 mL/g，瓦斯含量較高。

崔家溝煤礦地處鄂爾多斯盆地次級(jí)構(gòu)造單元之渭北隆起的彬黃坳褶帶內(nèi)。煤礦主體構(gòu)造為一傾向北西的單斜構(gòu)造，地層比較平緩，地層傾角2°～10°。礦井內(nèi)發(fā)育有兩條向斜和兩條背斜，由西南至東北依次為杏樹(shù)坪向斜、土溝梁背斜、土溝梁向斜和陽(yáng)溝背斜，其中礦井中部的土溝梁背斜將煤礦分隔為2個(gè)聚煤區(qū)，即西區(qū)、東區(qū)如圖1所示。據(jù)礦井多年來(lái)生產(chǎn)揭露情況，東區(qū)瓦斯涌出量明顯高于西區(qū)，西區(qū)含水層富水性較東區(qū)強(qiáng)[8-9]。

A1-陽(yáng)溝背斜；A2-桃花洞向斜 A3-土溝梁背斜；A4-杏樹(shù)坪向斜圖1 崔家溝煤礦構(gòu)造圖

2 灰色關(guān)聯(lián)法

2.1 方法介紹

灰色關(guān)聯(lián)分析法的基本思想是定量地比較或描述系統(tǒng)之間或系統(tǒng)中各因子之間，在發(fā)展過(guò)程中隨時(shí)間而相對(duì)變化的情況，具體來(lái)說(shuō)，就是根據(jù)序列曲線(xiàn)幾何形狀的相似程度來(lái)判斷其聯(lián)系是否緊密，從而找出影響系統(tǒng)的主要因素，該方法具有總體性、非對(duì)稱(chēng)性、非唯一性、有序性、動(dòng)態(tài)性等特點(diǎn)[10]。

2.2計(jì)算步驟

灰色關(guān)聯(lián)法分析計(jì)算步驟一般包括以下步驟：①確定母因素與子因素；②構(gòu)建原始數(shù)據(jù)矩陣；③數(shù)據(jù)歸一化；④計(jì)算絕對(duì)差值矩陣；⑤求出絕對(duì)值矩陣中的最大值和最小值；⑥求關(guān)聯(lián)系數(shù)矩陣；⑦計(jì)算關(guān)聯(lián)度；⑧排出關(guān)聯(lián)序，進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析。具體計(jì)算步驟可參見(jiàn)文獻(xiàn)[11]。

3 灰色關(guān)聯(lián)度計(jì)算

3.1 評(píng)價(jià)參數(shù)的選取

研究表明，影響煤層瓦斯含量的主要因素有煤層埋深、煤厚、構(gòu)造、頂板厚度、底板厚度、圍巖巖性等，頂板封蓋層對(duì)煤層瓦斯有較好的封存作用[12]。因此，文中選取了這些相關(guān)參數(shù)對(duì)崔家溝煤礦4-2煤層瓦斯含量影響因素進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)分析。通過(guò)24個(gè)樣本對(duì)西區(qū)、東區(qū)分別進(jìn)行分析研究，同時(shí)針對(duì)不同區(qū)域不同頂板巖性分開(kāi)討論，旨在合理尋求、評(píng)價(jià)影響瓦斯含量的主控因素。樣本數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

3.2 數(shù)據(jù)歸一化計(jì)算

由于變量的單位和數(shù)量級(jí)相差懸殊，如果直接應(yīng)用原始數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，某些特別大的變量值將壓低值較小變量的作用，為此必須對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化，使其達(dá)到量綱統(tǒng)一。鑒于不同歸一化方法，會(huì)產(chǎn)生不同的關(guān)聯(lián)度結(jié)果，因此，筆者選取了均勻化變換、初值化變換、標(biāo)準(zhǔn)化變換3種歸一化方法，對(duì)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理。由于東區(qū)頂板泥巖區(qū)只有2個(gè)鉆孔的瓦斯含量數(shù)據(jù)，故本次研究工作僅對(duì)其進(jìn)行了定性分析。

A均勻化變換統(tǒng)一量綱，指用序列平均值去除其他數(shù)，從而得到一個(gè)新數(shù)列。

(1)

B初值化變換統(tǒng)一量綱，指用每一個(gè)數(shù)列的第1個(gè)數(shù)去除其他數(shù)，從而得到一個(gè)新數(shù)列。

(2)

C標(biāo)準(zhǔn)化變換統(tǒng)一量綱，指用每一個(gè)數(shù)列的每一個(gè)值減去該數(shù)列的平均值，然后除以該數(shù)列的標(biāo)準(zhǔn)差，從而得到一個(gè)新數(shù)列。

(3)

表1 崔家溝煤礦4-2煤層瓦斯含量與其相關(guān)因素樣本表

注：底板巖性均為泥巖。

3.3 計(jì)算關(guān)聯(lián)度

基于DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，對(duì)不同方法產(chǎn)生的歸一化后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分區(qū)計(jì)算，取分辨系數(shù)ρ=0.5，得出各個(gè)因素與含氣量的關(guān)聯(lián)系數(shù)，再利用式4求解關(guān)聯(lián)度，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

(4)

式中：ri—第i個(gè)子因素與母因素的關(guān)聯(lián)度;ξi(k)—第i個(gè)子因素的第k個(gè)觀測(cè)值與母因素的關(guān)聯(lián)度。

3.4 關(guān)聯(lián)度分析

西區(qū)頂板泥巖區(qū)：3種歸一化方法得出的埋深、頂板厚度的關(guān)聯(lián)度均最高，說(shuō)明在此區(qū)域煤層瓦斯含量主要受埋深、頂板厚度的控制。

西區(qū)頂板砂巖區(qū)：底板標(biāo)高的關(guān)聯(lián)序有2種結(jié)果排名最高，另外煤厚、頂板厚度、底板厚度的關(guān)聯(lián)序都有排名第二的情況，說(shuō)明西區(qū)頂板砂巖區(qū)煤層瓦斯含量主要受底板標(biāo)高的控制，其次受其他因素的影響。

東區(qū)頂板砂巖區(qū)：埋深、頂板厚度的關(guān)聯(lián)序均有排名第一、第二的情況，說(shuō)明此區(qū)域煤層瓦斯含量主要受埋深、頂板砂巖厚度的控制。

東區(qū)頂板泥巖區(qū)：僅有2個(gè)鉆孔數(shù)據(jù)，其瓦斯含量分別為0.85 mL/g、4.56 mL/g，對(duì)應(yīng)的頂板泥巖厚度分別為2.59 m、5.6 m，該厚度為樣本中頂板泥巖厚度的最大值，4.56 mL/g也為樣本中瓦斯含量的最大值，說(shuō)明東區(qū)頂板泥巖分布區(qū)煤層瓦斯含量主要受頂板泥巖厚度的影響。

表2 關(guān)聯(lián)度分析表

4 結(jié)論

(1)西區(qū)、東區(qū)頂板泥巖區(qū)平均瓦斯含量均高于砂巖區(qū)平均瓦斯含量。

(2)西區(qū)含水層富水性較東區(qū)強(qiáng)，但是其瓦斯含量較東區(qū)低，這說(shuō)明西區(qū)煤層瓦斯含量也受地下水活動(dòng)的影響，有利于瓦斯的逸散。

(3)通過(guò)灰色關(guān)聯(lián)分析得知，東區(qū)頂板砂巖區(qū)煤層瓦斯含量主要受頂板砂巖厚度的影響。根據(jù)本數(shù)據(jù)，東區(qū)頂板砂巖厚度明顯大于西區(qū)，且其瓦斯含量也大于西區(qū)，這驗(yàn)證了東區(qū)頂板砂巖區(qū)煤層瓦斯含量受砂巖厚度的影響。東區(qū)頂板泥巖區(qū)煤層瓦斯含量主要受頂板泥巖厚度的影響。

(4)西區(qū)煤層瓦斯含量，頂板泥巖區(qū)主要受埋深、頂板泥巖厚度的影響；頂板砂巖區(qū)主要受底板標(biāo)高的影響，即其受向斜構(gòu)造的影響，驗(yàn)證了構(gòu)造控氣理論的向斜瓦斯集中封閉結(jié)論。

(5)通過(guò)灰色關(guān)聯(lián)分析，綜合分析了崔家溝井田4-2煤層瓦斯含量的影響因素，得出礦井東區(qū)瓦斯含量主要受埋深、頂板覆蓋層厚度控制；西區(qū)瓦斯含量主要受構(gòu)造、埋深以及頂板蓋層的控制?？梢?jiàn)，埋深、頂板蓋層厚度、構(gòu)造對(duì)崔家溝煤礦瓦斯含量起主要的控制作用，此結(jié)論與崔家溝煤礦瓦斯地質(zhì)規(guī)律相一致。