基于多元回歸分析的瓦斯含量影響因素研究

陳國軍，楊 伐

（1.安徽理工大學 地球與環境學院，安徽 淮南232001；2.淮南礦業集團 潘二煤礦，安徽 淮南232003）

1 概述

煤層氣是形成并儲存于煤層中的非常規天然氣，其主要成分有氮氣、甲烷、一氧化碳，在煤礦生產中俗稱瓦斯。煤礦的安全開采往往受瓦斯的影響與制約，因而研究瓦斯的分布特征和規律顯得尤為重要。然而，在同一個井田內不同煤層、同一煤層不同地點受各種地質因素的綜合作用，導致瓦斯含量變化較大，突變的情況也時有發生。

目前，對瓦斯含量的預測包括定性預測和定量預測兩個方面。常用的方法有：模糊綜合評價法、灰色關聯分析法、人工神經網絡法、等溫吸附曲線法、溫度－壓力－吸附曲線法、煤級－灰分－含氣性類比法、多元回歸分析法等，各種方法都有自身的適用條件。在有限的費用和瓦斯含量數據的前提下，需要一種簡單有效的計算方法來進行瓦斯含量的預測。本文以淮南煤田潘二井田3煤層為例，采用多元回歸分析法建立地質變量與多個變量之間的關系模型，對瓦斯含量有關問題進行探討。

2 井田地質概況

潘二井田西起Ⅸ線，東至13－1煤層－800m等高線地面投影，北界起于F1及其延長線，經F66、F1－3至13－1煤層－800m等高線地面投影，南界由F5向東經Ⅵ線、背斜軸、Ⅳ－Ⅴ線、F2至13－1煤層－800m底板等高線地面投影。東西走向長約11km，南北寬1.3～3km，面積19.6518km2。本井田位于陶王背斜及其轉折端。陶王背斜是形態完整的短軸背斜，長軸約7km，長短軸之比為1∶2，軸向北西55°～60°。陶王背斜北有F66、F68逆沖斷層，南有F5、F3逆斷層組，兩組逆斷層將背斜夾于其間，它們均屬潘集背斜的擠壓構造成分，其中北翼逆沖斷層規模大，是典型的逆沖迭瓦狀構造（見圖1）。本井田含煤地層為石炭、二疊系，其中二疊系下統山西組3煤層是主采煤層，煤層厚度2.09～9.17m，平均5.07m，可采指數為1，變異系數25.80%，屬穩定煤層，煤巖組分以亮煤為主，其次為鏡煤、暗煤，煤類為1／3焦煤。

圖1 潘二井田構造示意

3 瓦斯含量預測參數的選取

煤層集生氣層和儲集層于一體。煤層的生氣量與成煤物質和煤變質程度有關；其儲氣能力與煤的變質程度、煤巖成分和氣體壓力等因素有關；而壓力又與煤儲層的埋深、區域水文地質條件、氣生成量有關；除煤層自身條件外，煤儲層的保存條件對煤層氣含量也有重要的影響。這些諸多影響因素以及復雜的相互配置關系造成了煤層氣含量的差異變化。在這些影響因素中，有些地質因素是可以直接測量得到，比如煤層厚度、埋深、頂板巖性、灰分與水分含量、鏡質組反射率等。根據現有的數據，本文選取了4個地質因素—煤層厚度、埋深、頂板巖性、頂板向上5 m內砂巖厚度，通過研究它們與瓦斯含量的關系，對潘二井田3煤層的瓦斯含量進行了預測。表1為潘二井田3煤層的參數統計。其中煤層頂板巖石類型分為泥巖、砂質泥巖、粉砂巖、細砂巖、中砂巖和粗砂巖6種類型，按它們對煤層氣保存條件的影響程度依次賦值為0、1、2、3、4和5；頂板5m內砂巖厚度是指煤層頂面向上起算5m范圍內砂巖層厚度的總和。

表1 潘二井田3煤層瓦斯含量與其相關因素樣本

4 計算過程

運用SPSS統計軟件對表1相關參數進行線性回歸分析，得到如下回歸方程：

回歸方程（1）的復相關系數 R2＝0.471、統計量F＝2.898、顯著性P＝0.064。對方程進行顯著性F檢驗，取顯著性水平a＝0.1，F＞F1－0.1（4，18－4－1）＝2.43；同時對方程用P值法作檢驗，P＝0.064＜a＝0.1。由此可知，在顯著性水平為0.1的統計意義上回歸方程是顯著的。經計算自變量X1、X2、X3和X4的顯著性P值分別為：0.022、0.83、0.077、0.308，顯而易見，自變量 X2和 X4沒有通過顯著性檢驗。對此作進一步逐步回歸分析，其中偏F統計量的兩個臨界值，一個用作選取自變量FE＝0.05，另一個用作剔除自變量FD＝0.1，得到如下回歸方程：

回歸方程（2）的復相關系數 R2＝0.3、統計量 F＝6.624、顯著性P＝0.02。取顯著性水平a＝0.05，對方程進行顯著性F檢驗，F＞F1－0.05（1，18－1－1）＝4.49；同時對方程用P值法作檢驗，P＝0.02＜a＝0.05。由此可知，在顯著性水平為0.05的統計意義上回歸方程是顯著的，并且自變量X1通過顯著性檢驗，剔除了自變量X2、X3和X4。

5 結語

1）利用回歸線性方程分析了瓦斯含量與埋深、煤厚、頂板巖性、頂板5m范圍內的砂巖厚度之間的關系，發現煤厚、頂板巖性和頂板5m范圍內的砂巖厚度對于瓦斯含量的變化影響較小，只有埋深有較大影響。提出的瓦斯含量數學模型有較好的顯著性，但是得出的結果只是預測值，實際的瓦斯含量只能接近預測值，甚至受到其它地質因素的影響，有些實際值遠離預測值。

2）由于瓦斯含量的變化是多種地質因素綜合作用的結果，各種地質因素的不確定性導致瓦斯含量預測是一個極為復雜的工作。受實際條件的制約，本文提出的瓦斯含量數學模型的復相關系數R2＝0.3，說明因變量埋深只能解釋30%的自變量瓦斯含量的變化，其余變化部分是由于其它的地質因素如地質構造、煤的變質程度等影響所致，有待于進一步研究。這里為潘二井田3煤層瓦斯含量預測提供了一種有效可行的方法。

3）由樣本數據可得瓦斯含量平均為6.38m3／t，陶王背斜核部的瓦斯含量平均為5.24m3／t，背斜核部的瓦斯含量明顯較小；同時東部采區瓦斯含量平均為6.5m3／t，西部采區瓦斯含量平均為5.1m3／t，存在明顯差異性。潘二井田3煤層瓦斯含量分布總體呈現這種核部小于兩翼、西部小于東部的趨勢，結合東部采區斷層發育的地質條件，表明地質構造對于瓦斯含量分布影響明顯。背斜核部影響了瓦斯的保存條件，易發生解析逸散，故瓦斯含量較低。

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