基于多元線性回歸對瓦斯含量和涌出量預(yù)測的實(shí)驗(yàn)研究

胡魏魏

（陜西煤業(yè)化工技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710100）

實(shí)驗(yàn)礦井為瓦斯礦井，5308 工作面煤厚0～10.0 m，平均6.14 m，煤層傾角0～12°，平均4°。該工作面大部分區(qū)域?qū)儆诿簩影l(fā)育分層結(jié)構(gòu)，瓦斯是制約該工作面回采的重要因素，5308 工作面還未貫通切眼形成工作面。

1 瓦斯賦存規(guī)律的實(shí)驗(yàn)研究

1.1 瓦斯含量的測定

瓦斯含量測定點(diǎn)位置如圖1。依據(jù)不同取樣點(diǎn)的煤樣，開展對煤層瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)的測定和分析。各個(gè)測點(diǎn)的瓦斯含量見表1。

表1 不同地點(diǎn)瓦斯含量測定表 m3/t

圖1 測定瓦斯含量取樣位置圖

1.2 瓦斯含量的影響因素及其函數(shù)關(guān)系

瓦斯含量影響因素為：煤層的儲(chǔ)氣條件、礦井的地質(zhì)構(gòu)造和工作面的回采[1]。作用于瓦斯賦存分布的重要地質(zhì)因素有：煤層的變質(zhì)程度、礦井的圍巖條件、區(qū)域的地質(zhì)構(gòu)造、埋藏深度、煤的暴露程度等。經(jīng)過分析表明，對煤層瓦斯賦存的重要因素有：地質(zhì)構(gòu)造、煤的厚度、基巖厚度、煤層底板標(biāo)高等。工作面測點(diǎn)瓦斯的含量與煤層底板標(biāo)高、基巖厚度、煤的厚度之間的關(guān)系見表2。

表2 瓦斯含量、可解析瓦斯含量與煤層底板標(biāo)高、基巖厚度、煤層厚度關(guān)系表

1.2.1 瓦斯含量與單一影響因素的關(guān)系

由表2 的數(shù)據(jù)可得瓦斯含量與單一因素的線性函數(shù)關(guān)系，如圖2～圖4。瓦斯含量受此三因素影響的大小程度為：煤層底板標(biāo)高因素＞煤層厚度因素＞基巖厚度因素。瓦斯含量與煤層底板標(biāo)高的相關(guān)度更高，依據(jù)此公式可以預(yù)測工作面其他區(qū)域的瓦斯含量。

圖2 瓦斯含量與煤層底板標(biāo)高的線性函數(shù)關(guān)系

圖3 瓦斯含量與煤層厚度的線性函數(shù)關(guān)系

圖4 瓦斯含量與基巖厚度的線性函數(shù)關(guān)系

1.2.2 瓦斯含量與其影響因素的多元線性關(guān)系

由單因素預(yù)測得出的瓦斯含量與煤層底板標(biāo)高的線性函數(shù)關(guān)系，其擬合度R依然偏小，預(yù)測誤差較大。這種瓦斯預(yù)測模型存在不足，因此采取多元線性回歸的方法，以3 因素為自變量，選用SPSS多元線性回歸軟件進(jìn)行分析，可得其關(guān)系為：

式中：y為瓦斯含量，m3/t；Y為可解析瓦斯含量，m3/t；x1為煤層底板標(biāo)高，m；x2為煤層厚度，m；x3為基巖厚度，m。

煤層瓦斯含量線性回歸的擬合系數(shù)R2=0.338，擬合度比單因素線性關(guān)系更高，預(yù)測誤差較小，預(yù)測模型優(yōu)于只考慮單因素的情形。依據(jù)瓦斯含量預(yù)測模型對工作面其他區(qū)域的瓦斯含量進(jìn)行預(yù)測，得出瓦斯賦存規(guī)律。

2 瓦斯涌出規(guī)律的預(yù)測

對工作面瓦斯涌出量預(yù)測方式可以分為兩種：分源預(yù)測和礦山統(tǒng)計(jì)[2-5]。分源預(yù)測法準(zhǔn)確率大于85%，采用分源法預(yù)測5308 工作面瓦斯涌出量。分源預(yù)測法是預(yù)測煤層的相對瓦斯涌出量，主要以瓦斯含量、回采條件為預(yù)測基礎(chǔ)，依據(jù)各個(gè)來源的瓦斯涌出規(guī)律進(jìn)行計(jì)算，得出回采和掘進(jìn)工作面、采區(qū)以及礦井的瓦斯涌出量[6]。

一般工作面瓦斯涌出量有兩種來源：開采層瓦斯涌出和鄰近層瓦斯涌出。實(shí)驗(yàn)礦井5308 工作面由于鄰近煤層已回采完畢，且與其中間留有煤柱，因此鄰近層瓦斯涌出對本層煤回采時(shí)可以忽略，工作面瓦斯涌出量預(yù)測只計(jì)算本煤層的瓦斯涌出量。

由色譜分析煤層瓦斯成分中CH4組分26.840 1%～50.046 0% ，平均38.088 4%，因此得出的結(jié)果瓦斯相對涌出量和絕對涌出量都應(yīng)再乘以CH4成分所占的比例。

式中：q開為回采工作面煤層（也包括圍巖）瓦斯涌出量，m3/t；K1為圍巖瓦斯涌出系數(shù)，取K1=1.3；K2為工作面遺煤瓦斯涌出系數(shù)，K2=1/η，η為工作面回采率，取0.80；K3為準(zhǔn)備巷道預(yù)排瓦斯影響系數(shù)；m為煤層厚度，m；m0為煤層開采厚度，m；XC為煤層殘存瓦斯含量，m3/t；X為煤層原始瓦斯含量，m3/t；φ為煤層氣體成分中CH4所占的百分比，取38.088 4%。

式中：L為回采工作面長度，m；h為巷道預(yù)排瓦斯帶寬度，按表3 選取。

表3 巷道預(yù)排瓦斯帶寬度取值表

結(jié)合公式（2）可知：

式中：Y為可解析瓦斯含量，m3/t。

h值亦可用公式計(jì)算：

低變質(zhì)煤：h=0.808T0.55

高變質(zhì)煤：h=（13.85×0.011 83T）/（1+0.018 3T）

結(jié)合公式（2）（3）（4）（5）可推導(dǎo)出瓦斯涌出量與其影響因素的關(guān)系：

即可得到瓦斯涌出量與瓦斯含量主控因素煤層底板標(biāo)高和基巖厚度的關(guān)系式，能夠預(yù)測回采工作面不同區(qū)域的瓦斯涌出量，進(jìn)一步可得即將回采工作面的瓦斯涌出規(guī)律。此預(yù)測方法在成莊礦3#煤層、白芨溝煤礦2621-1 工作面煤層等多個(gè)煤礦進(jìn)行了瓦斯涌出量預(yù)測，對預(yù)測工作面瓦斯涌出規(guī)律能夠提供一定的參考。

3 結(jié)論

1）由實(shí)驗(yàn)礦井煤層瓦斯含量與其影響因素的線性函數(shù)關(guān)系可知，決定性影響因素是煤層底板標(biāo)高。瓦斯含量與煤層底板標(biāo)高的線性函數(shù)關(guān)系y=-0.015x-4.184（其中因變量y為瓦斯含量，自變量x為煤層底板標(biāo)高）。

2）采用多元線性回歸的方式可知，瓦斯含量、可解析的瓦斯含量與煤層底板標(biāo)高、煤層厚度和基巖厚度的多元線性關(guān)系為：y=-0.024x1-0.002x2-0.07x3-7.162、Y=-0.15x1-0.66x3-4.398（其中y為瓦斯含量、Y為可解析瓦斯含量，x1為煤層底板標(biāo)高，x2為煤層厚度，x3為基巖厚度），這種方法預(yù)測誤差更小。

3）根據(jù)瓦斯含量可以預(yù)測瓦斯涌出量，結(jié)合可解析瓦斯含量與多元影響因素的線性關(guān)系，可以推導(dǎo)出瓦斯涌出量與煤層底板標(biāo)高、煤層厚度、基巖厚度的函數(shù)關(guān)系，q開=K1·K2·K3·m/m0·（-0.15x1-0.66x3-4.398）·φ，進(jìn)一步可以計(jì)算工作面各個(gè)區(qū)域的瓦斯涌出量，預(yù)測得出工作面瓦斯涌出規(guī)律。