基于因子-系統聚類的煤與瓦斯突出危險性分析──以平頂山十三礦為例

張 渝,魏云松,黃盼盼,王 田（中國礦業大學（北京）地球科學與測繪工程,北京 100083）

基于因子-系統聚類的煤與瓦斯突出危險性分析──以平頂山十三礦為例

張 渝,魏云松,黃盼盼,王 田
（中國礦業大學（北京）地球科學與測繪工程,北京 100083）

摘 要：根據《防治煤與瓦斯突出規定》的相關規定，在突出煤層開采前必須進行突出危險性區域預測，通過對十三礦煤與瓦斯突出現狀分析可知，影響十三礦瓦斯突出的因素包括：地質構造、開采深度、煤體結構，瓦斯壓力和瓦斯含量等方面，并結合影響因素，利用SPSS軟件，采用因子-系統聚類分析法對煤與瓦斯突出進行危險性評價，最終將瓦斯突出類型分為4類：I級突出程度為無，II級突出程度為弱級，III突出程度為中，IV級突出程度為強。

關鍵詞：煤與瓦斯突出;影響因素;危險性分析；因子-系統聚類

0 引言

煤與瓦斯突出是煤礦開采過程中極其復雜的一種動力現象[1]。煤與瓦斯突出發生時釋放極大的能量，能夠摧毀井下的巷道支護、通風設施以及生產設備，造成巨大的經濟損失；涌出的瓦斯使工人窒息甚至引發劇烈的瓦斯爆炸事故，嚴重威脅作業人員的生命安全。

1 煤與瓦斯突出現狀

自平頂山十三礦建礦以來共發生過3次煤與瓦斯突出現象，主要發生在己一和己三采區的東翼。第一次事故發生于己15-17-11091 機巷切眼 12m處，該工作面處在背斜區域構造內，瓦斯壓力達到 1.7MPa，瓦斯含量 15m3/t，突出煤量 196t，瓦斯涌出量 3840m3。第二次事故發生在己15-17-13031 機巷 830m 處。該工作面在背斜區域構造范圍內，瓦斯壓力達到 2.3MPa，瓦斯含量 10.39 m3/t。第三次事故發生于己15-17-11111 機巷低抽巷 272m 處，發生突出附近有斷層分布，斷層的附近應力集中，造成瓦斯的富集。突出煤量 1133t，瓦斯涌出量 308557m3[2]。

2 煤與瓦斯突出影響因素分析

2.1 地質構造

地質構造是煤與瓦斯突出的薄弱地帶，是控制突出發生的主導因素[3]。地質構造對于瓦斯賦存、煤體結構類型和構造應力等方面的影響十分明顯。十三礦地質構造主要表現形式有褶皺和斷層。煤系地層基本上為襄郟背斜南西翼的單斜構造，精查地質報告共查明正斷層26條，落差大于30m的有19條，構造作用強烈[4]。三次突出都與襄郟背斜次級構造斷層有關。斷層處往往是應力集中部位，為高能瓦斯積聚創造了條件，這些都為煤與瓦斯突出創造了條件。褶皺和逆斷層的發育是平頂山十三礦瓦斯突出的主控因素。

2.2 開采深度

開采深度影響著地應力和煤層瓦斯含量、瓦斯壓力。十三礦在第一次發生煤與瓦斯突出事故之前，開采深度只要在相對較淺的上山開采，這也是沒有發生煤與瓦斯突出的重要原因。隨著開采深度的增加，地應力和煤層瓦斯含量等也隨之發生變化，在第一次發生煤與瓦斯突出的下延1111 機巷及更深的己三 13031 機巷相繼發生兩次突出，并且這兩次突出規模和強度都較第一次大，這也充分說明開采深度是影響瓦斯突出的因素之一。

2.3 煤體結構

煤的瓦斯放散初速度和煤的堅固性系數是預測煤與瓦斯突出危險性的指標，這兩個指標指標反映了含瓦斯煤體放散瓦斯快慢的程度和煤顆粒本身力學強度[5]。由表1可知，瓦斯放散初速度ΔP平均值為12.83大于其臨界值10。除了12051風巷和13081風巷70m堅固性系數大于0.5，其余均小于0.5的臨界值。

2.4 瓦斯壓力

地應力控制瓦斯壓力場，促進瓦斯破壞煤體。圍巖中應力的增加，決定了煤層的透氣性，造成瓦斯壓力梯度增高，對突出有利。瓦斯壓力的大小是煤體含瓦斯壓縮能高低的重要標志。由表1可知，瓦斯的平均壓力大于0.74的臨界值。

2.5 煤層瓦斯含量

通過煤層原始瓦斯含量的數據可以計算井瓦斯儲量和預測瓦斯涌出量，是煤與瓦斯突出危險性評價的重要參數之一。

表1 樣本數據[6]

3 基于因子-系統聚類分析瓦斯危險性

3.1 因子分析法的實現

實際研究過程中，煤與瓦斯突出影響因素多樣，這些影響因素之間存在一定的相關性，這勢必導致信息的重疊，增加了問題的分析與研究的復雜程度。而因子分析是一種多元統計方法，具有將各相關關系的因素變量轉換成彼此不相關的綜合指標的特征[7]，因此選用因子分析法進行數據的處理。

選取瓦斯壓力、瓦斯含量、瓦斯放散初速度、煤的堅固性系數、開采方式、構造復雜程度、開采深度等煤與瓦斯的影響因素相關數據進行因子分析。見表1[6]。

實現因子分析的基本步驟如下：

（1）對數據進行標準化處理

（2）估計因子載荷矩陣

（3）因子旋轉。

（4）估計因子得分。

3.2 數據結果及分析

經過KMO和Bartlett的檢驗，KMO值為0.689，Bartlett球形度檢驗的原假設為相關系數矩陣為單位陣，Sig值為0.000小于顯著水平0.05，因此拒絕原假設說明度量之間存在相關關系，適合做因子分析。

表2表明公因子分析的變量均具有非常高的共同度，也就是說因子能提取出變量中的大部分信息，說明因子分析的結果是有效的。

提取方法：主成分分析

表2 公因子方差

表3給出了因子貢獻率的結果。在該表中共呈現3組數據，其中包括初始特征值，提取的主因子以及旋轉過后的因子結果，合計表示因子的特征值，方差的%表示該因子的特征值的百分比，累計表示累計的百分比。在提取因子的過程中，需要選取特征值大于1的因子作為主因子，由表3可知，只有前兩個因子的特征值大于1，并且這兩個因子的特征值分別為65.63%和29.76，累計特征之和為95.40%，因此將兩個因子作為主因子。

旋轉過后計算出的每條記錄的2個因子得分作為新變量自動存儲到原始數據文件中，FAC-1為第1因子得分，FAC-2為第2因子得分。

3.3 聚類分析

結合數據特點本文選取組內的數據對象具有最高的相似度，而組間具有較大的差異性的聚類分析法對已有數據進行分析，該方法可以再沒有先驗分類的情況下通過觀察對數據進行分類。將新變量自動存儲到原始數據文件中的FAC-1（第1因子得分）、FAC-2（第2因子得分），進行系統聚類分析。分析數據結果見圖1。

由圖1，將煤與瓦斯突出的等級分為四類，即I級突出程度為無，II級突出程度為弱，III突出程度為中，IV級突出程度為強。見表4。

表4 煤與瓦斯突出結果

4 結論

從平頂山十三礦三次的煤與瓦斯突出的情況分析影響其突出的主要因素包括：地質構造、開采深度、煤體結構、瓦斯壓力等。并通過因子-系統聚類分析的方法分析瓦斯危險性，并將平頂山十三礦瓦斯突出類型分為四類：I級突出程度為無，II級突出程度為弱，III突出程度為中，IV級突出程度為強，通過對比前人的分析結果，證明該分析方法的可行性。

參考文獻：

[1]范天吉.煤礦瓦斯綜合治理技術手冊[M].吉林:吉林音像出版社,2003.

[2]韓劍.平煤十三礦煤與瓦斯賦存規律與構造控制作用研究[D].河南理工大學,2011.

[3]突出煤層煤巷掘進突出敏感指標及其臨界值研究[R].焦作:河南理工大學,2006.

[4]中國煤炭地質總局一二九勘探隊.十三礦礦井地質報告.2010.

[5]孫鑫,徐楊,林柏泉.煤與瓦斯突出影響因素評價分析的模糊層次分析方法[J].中國安全科學學報,2009,10（19）:145-149.

[6]郭德勇,鄭茂杰,郭超等.煤與瓦斯突出預測可拓聚類方法及應用[J].煤炭學報,2009,34（06）:783-787.

[7]陳勝可.SPSS統計分析從入門到精通[M].北京:清華大學出版社,2010.

基金項目：國家自然基金“瓦斯構造物理”（項目編號：A111904）

作者簡介：張渝（1989-），女，河北秦皇島人，碩士研究生，研究方向：礦產普查與勘探。