基于實時動態趨勢預測法的屯蘭礦2號、8號煤層瓦斯涌出量預測

張美琴，張志剛，李新建

（1.鄭州煤炭工業集團有限公司裴溝煤礦（楊河煤業），河南 鄭州，452382；2.煤炭科學研究總院重慶研究院 瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室，重慶，400037）

基于實時動態趨勢預測法的屯蘭礦2號、8號煤層瓦斯涌出量預測

張美琴1，張志剛2，李新建2

（1.鄭州煤炭工業集團有限公司裴溝煤礦（楊河煤業），河南 鄭州，452382；2.煤炭科學研究總院重慶研究院 瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室，重慶，400037）

瓦斯涌出量是衡量礦井安全狀態的重要指標，也是新井建設和瓦斯抽采工程設計中的重要參數。文章采用實時動態趨勢預測法對屯蘭礦2號、8號煤層回采工作面瓦斯涌出量進行了預測，因其預測準確率高，可以指導礦井更為有效地進行瓦斯管理和安全生產。

瓦斯；涌出量；實時動態趨勢預測

礦井瓦斯涌出量預測是煤礦新井或生產礦井新水平通風設計和瓦斯抽放工程設計、瓦斯防治工作不可缺少的重要環節，它在較大程度上影響著煤礦生產過程中的安全可靠性[1,2,3]。本文通過采用實時動態趨勢預測法，對屯蘭礦瓦斯涌出量進行科學預測，分析了瓦斯涌出量的影響因素、大小、涌出來源，為該礦的安全生產和瓦斯抽采設計提供理論依據及數據基礎。

1 試驗工作面概況

1）12403 工作面概況：屬于南四盤區2號煤層的綜采工作面。該工作面走向長（皮帶順槽1925m，軌道順槽1938 m，回風順槽1936 m），采面長185 m，回采2號煤。該工作面東接南四回風補巷；西與南五盤區邊界相鄰，南與12405（未掘）工作面相鄰，北與12401（未掘）工作面相鄰。采用“兩進一回”通風系統，即12403軌道巷進風，12403膠帶巷進風，12403尾巷回風。

2）18201 工作面概況：屬于南二盤區8號煤層的綜采工作面。該工作面走向長1475 m，采面長185m，回采8號煤。井下位于南二盤區左翼，東與南二左翼下組煤回風巷相接，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“兩進一回”通風系統，即軌道順槽進風（輔助進風），膠帶順槽進風（主進風）、尾巷回風。

3）18203 工作面概況：屬于南二盤區左翼下組煤8號煤層的第二個工作面，該工作面走向長（皮帶順槽1537 m，軌道順槽1624 m，回風順槽1632 m），采面長204 m，可采長度1467 m，回采8號煤。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。煤層基本穩定，厚約3.64m。煤層整體為一寬緩的向斜構造，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陷落柱。18203工作面采用“兩進一回”通風系統，即18203軌道巷進風，18203膠帶巷進風，18203尾巷回風。

以上試驗工作面均采用傾斜長壁后退式、一次采全高、頂板全部垮落法綜合機械化采煤方法，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 采用的預測方法

長期的科學研究和生產實踐表明，影響和控制瓦斯涌出的因素錯綜復雜，既有區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，具有隨機性和多變量特點。但是種種因素和條件并非孤立存在，它們具有很大關聯性。趨勢面擬合可把某一具體變量的整體趨勢變化和局部的偶然性變化分開。趨勢面分析是用簡單的冪級多項式來擬合復雜的曲面，有削平、填平真實曲面的作用。

2.1 趨勢面模擬的方法

設取模擬趨勢面的次數為n0，則趨勢分析的模型公式為

n0次趨勢面的系數ak，i的個數為

若有N個呈離散分布狀態的實際觀測值，現要進行n0次趨勢面（應有N≥S）擬合，需要對N個觀測值Z1，Z2，Z3，…，ZN用最小二乘法確定系數ak，i，即先做觀測值與模擬值之差的平方和：

再求 σ對系數ak，i的偏導數，令其為零：

式（4）表示一個具有S個方程和S個未知數ak，i的線性代數方程組，可經求取ak，i最終確定趨勢面擬合模型表達式。

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較大的差異，但又遵循某種規律，例如：瓦斯含量隨煤層埋藏深度、變質程度的增加而增加等等。因此，采用趨勢面模擬分析瓦斯涌出量規律的方案是切實可行的。遵循形式簡單而實用的原則，并結合相關的科研實踐反饋，選擇二元多次線性方程作為趨勢面模型。設有N個坐標為（xi，yi）、觀測值為Wi的某瓦斯地質變量數據，fk（x，y）為近似描述該瓦斯地質變量變化的函數，則有：

式中：k為趨勢面方程的次數（k=0，1，2，…）；bi為趨勢面方程待定系數，由實際觀測數據決定（i=0，1，2，…，m）；m=（k+1）（k+2）/2-1。

2.2 趨勢面模型的解算

趨勢面模型解算的關鍵在于利用已經掌握的N個觀測數據（xi，yi，Wi）確定給定趨勢面次數條件中bi的值。根據最小二乘法的相關原理，構造如下函數：即

通過解此方程組［式（8）］得到各個bi的值，與此對應的fk（x，y）即為期望取得的確定的瓦斯涌出量的趨勢面方程。

本研究所采用的實時動態趨勢預測法，是在趨勢面法的基礎上，通過對預測采掘工作面進行單元劃分，見圖1所示，實現為未采掘區域進行實時動態預測。即實現由原來單點代面到多點代面，使預測精度得到進一步提高。

圖1 實時動態趨勢預測法模型圖

步驟如下：(1)區域分割。將預測區域D任意分為n個子域，這樣，有更小的面替代整個預測區域，即預測區域的離散化。 Δσ1，Δσ2，…Δσn(用Δσi表示第i個子域的面積)相應地此曲面分為n個小曲面。(2)取近似。在每個子域內任取一點，用改點代表所劃分的小區域趨勢值。（ξi，ηi）∈Δσii=1，2，3，…n.(3)參數求解。按照趨勢面法求解步驟進行參數求解。

3 回采工作面瓦斯涌出量的預測

根據實時動態趨勢預測法的分析方法，分別對所選試驗工作面進行預測。

3.1 回采工作面瓦斯涌出量實時動態趨勢預測法預測模型的確定

圖2 18201工作面日產量、主采煤層埋深與工作面絕對涌出量對應圖

最終得到如下瓦斯涌出量趨勢動態函數：

3.2 回采工作面瓦斯涌出量實時動態趨勢預測函數預測驗證

為了驗證瓦斯涌出量實時動態趨勢預測函數的準確性，將已回采的工作面12403和工作面18203作為瓦斯涌出量預測對象，預測結果見圖3和圖4。

從圖3與圖4的預測結果看出，預測的準確性95.08%以上。該工作面瓦斯涌出量預測模型能夠滿足礦井實際瓦斯涌出精度要求，產量在（2400 t，8 000 t）、埋深（350 m，500 m）范圍內能夠作為礦井瓦斯涌出量預測方法在屯蘭礦生產中推廣應用。

4 結論

1）采用實時動態趨勢預測法得到了屯蘭礦回采工作面瓦斯涌出量趨勢動態函數。2）在一定埋深與產量范圍內，采用實時動態趨勢預測法進行采掘工作面瓦斯涌出量預測，其準確性高，并能動態反映未采掘區域瓦斯涌出情況，因此可以作為礦井瓦斯涌出量預測手段，指導礦井瓦斯防治。3）建議在礦井實際采掘過程中注意瓦斯涌出異常變化對安全生產的影響，并及時修正相應的預測函數系數，使預測準確性更高，更合理。

圖3 18203工作面預測結果對比

圖4 12403工作面預測結果對比

[1]于不凡，王佑安.煤礦瓦斯災害防治及利用技術手冊[M].北京:煤炭工業出版社，2001.

[2]俞啟香.礦井瓦斯防治[M].徐州:中國礦業人學出版社，1992.

[3]王佑安.煤礦瓦斯防治[M].北京:煤炭工業出版社，1992.

[4]煤炭科學研究總院重慶研究院.屯蘭礦瓦斯賦存與涌出規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，大學本科，助理工程師，從事煤礦現場的技術及管理工作。

劉新光