鹿臺山煤礦2號煤層瓦斯地質區(qū)劃

張軍鵬

(山西煤炭進出口集團 鹿臺山煤業(yè)有限公司， 山西 沁水 048200)

煤層瓦斯是一種特殊的氣態(tài)地質體，瓦斯的生成、賦存及運移受控于地質條件[1]. 瓦斯地質規(guī)律是瓦斯預測與瓦斯災害防治的理論基礎。我國煤礦的開采實踐證實，煤層瓦斯的分布與煤與瓦斯突出是不均衡的，且主要受地質條件的控制[2-4]. 準確的瓦斯地質區(qū)劃是瓦斯管理與瓦斯防治的基礎，對提高瓦斯分布的認識、瓦斯預測精度等均具有重要的理論意義和實踐意義[5-7].

1 理論基礎

影響瓦斯賦存的地質因素包括煤層埋藏深度、煤層圍巖、地質構造、煤的變質程度、地下水活動、煤層厚度、巖漿侵入、陷落柱發(fā)育、地表沖積層厚度、煤質等。在這些影響因素中，有些地質因素對瓦斯含量的貢獻大，有些貢獻小，只有尋找出對瓦斯含量起決定性作用的因素，才能較真實地反映瓦斯的分布。瓦斯地質區(qū)劃是瓦斯地質學科的基礎理論，其核心是在眾多地質影響因素中，通過對比分析，尋找出時間上和空間上的異同點以及能夠準確區(qū)分瓦斯異常的標志。

瓦斯地質區(qū)劃的關鍵是尋找瓦斯地質變量，影響瓦斯賦存的地質因素都可以稱作瓦斯地質變量。在這些眾多瓦斯地質變量中，一些變量對瓦斯的影響是定量的，可以用數(shù)學關系式來表達，像埋深、煤層厚度等；而另一些瓦斯地質變量對瓦斯的影響則是定性的和趨勢性的，不能直接用數(shù)學關系式來表達，像煤層頂板巖性、斷層、煤質等。定性和定量瓦斯地質變量則不能放在一起分析，需要通過一定的數(shù)學方法進行變量的轉換和統(tǒng)一。

傳統(tǒng)的瓦斯預測及分析是以單變量的一元統(tǒng)計回歸為基礎進行的，所建立的瓦斯預測模型僅考慮煤層埋藏深度這一指標，其預測精度存在明顯不足，不能夠真實反映煤層瓦斯的分區(qū)與分帶[8].

2 瓦斯地質變量篩選

瓦斯地質變量篩選是指從眾多地質因素中篩選出與瓦斯賦存或瓦斯突出直接或間接關聯(lián)的變量。通過瓦斯地質分析，從定性的角度分析地質因素與瓦斯因素之間的相關性，然后采用定量相關性選取相關性比較高的地質因素。剛開始要盡可能多選，避免漏掉有用的信息，然后用數(shù)學的方法把不相關或相關性差的變量剔除掉。當瓦斯地質分析篩選的變量與數(shù)學方法篩選的變量不一致時，盡可能保留數(shù)學方法篩選上的定性變量。瓦斯地質變量篩選方法包括：

1) 回歸分析。

回歸分析是用來研究某一變量與其它若干變量間的變化關系，可以確定自變量的變化對因變量的貢獻大小。通常包括一元線性回歸、多元線性回歸[9].

2) 判別分析。

判別分析是在分類確定情況下，按照特定的判別準則建立一個或多個判別函數(shù)，依據(jù)某一瓦斯地質變量的特征值判別其歸屬問題的一種多變量統(tǒng)計分析方法。

3) 因子分析。

因子分析是指從瓦斯地質變量群中提取出共性因子的方法，這些共性因子對瓦斯含量的影響具有共性，因此可以將這些影響因子歸為一類變量。

4) 數(shù)量化理論I.

數(shù)量化理論是多元統(tǒng)計學的一個分支，是一種專門用來處理定性數(shù)據(jù)的多維度數(shù)據(jù)分析方法，可以把諸如煤層頂板巖性、斷層、褶皺等定性瓦斯地質變量的定性影響進行定量化表征，也可以把定性和定量瓦斯地質變量合二為一進行表征，是瓦斯地質分析的一種新的方法。

3 瓦斯地質區(qū)劃指標

煤層瓦斯地質區(qū)劃是通過定性和定量分析瓦斯地質變量，篩選出相關性高的瓦斯地質變量，然后按瓦斯地質變量進行瓦斯等級的劃分。通常所采用的瓦斯地質區(qū)劃指標有瓦斯指標和地質指標兩種。瓦斯指標[10]包括瓦斯涌出指標和瓦斯突出指標，如瓦斯涌出量、瓦斯解吸指標Δh2及K1等；地質指標包括地質構造、埋藏深度、頂板圍巖等，如斷層復雜程度、煤巖頂板巖性分區(qū)、圍巖透氣性、褶皺復雜程度、煤層傾角等。在進行瓦斯地質變量篩選時，首先把定性變量量化為定量變量，采用數(shù)量化理論I，最終篩選出主控瓦斯地質變量。

3.1 頂板巖性指標

煤層直接頂板巖性反映了煤層沉積環(huán)境的變化，不同巖性的巖層對瓦斯的保存能力差異明顯，但這些差異是定性的，為研究方便，把這些定性變量按數(shù)學方法進行量化。定性變量可以用二態(tài)變量來表示，即用“0”和“1”表示其屬性的“無”和“有”。如泥巖頂板可表示為(1，0)，砂巖頂板表示為(0，0).

3.2 瓦斯涌出指標

瓦斯涌出大小直接反映了煤層瓦斯高低，可以采用絕對瓦斯涌出量大小來表示，如：<5 m3/min、5～10 m3/min、10～15 m3/min、>15 m3/min.

3.3 地質構造復雜程度指標

煤礦常見的構造類型包括斷層和褶皺。

3.3.1褶皺復雜程度指標

褶皺復雜程度一般用褶皺剖面變形系數(shù)來表示[11]，但因操作不便利限制了其具體應用。而煤層底板等高線的彎曲形態(tài)可以近似反映褶皺在三維空間的復雜程度，和其剖面上反映褶皺的變形復雜程度具有相似性。煤層底板等高線圖上等高線的彎曲程度可采用平面變形系數(shù)[12]Kp來量化褶皺的復雜性：

(1)

式中：

Kp—平面變形系數(shù)；

l1、l2、l3—統(tǒng)計單元等高線的實際長度、割線長度、相鄰等高線的平距，m；

h—相鄰兩條等高線的高程差，m.

式(1)中參數(shù)取值見圖1.

圖1 褶皺平面變形系數(shù)Kp計算方法示意圖

3.3.2斷層復雜程度指標

斷層復雜程度指標采用斷層復雜程度指數(shù)F來評價：

(2)

式中：

F—斷層復雜指數(shù)；

H—斷層落差，m；

L—斷層延展長度，m；

n—斷層條數(shù)；

S—統(tǒng)計單元面積，m2.

3.4 圍巖透氣性指標

圍巖透氣性是指煤層頂板一定厚度范圍內不同巖性組合的透氣性，可用K圍表示[13]：

(3)

式中：

K圍—圍巖透氣性系數(shù)；

Mi—煤層頂板第i層厚度，m；

Ki—煤層頂板第i層透氣性校正系數(shù)；

Hi—煤層頂板第i層至煤層頂板的距離，m.

圍巖透氣性系數(shù)校正表見表1，透氣性系數(shù)計算示意圖見圖2.

表1 圍巖透氣性系數(shù)校正表

圖2 圍巖透氣性系數(shù)計算示意圖

4 鹿臺山煤礦瓦斯地質區(qū)劃

4.1 礦井概況

鹿臺山煤礦2015年9月正式投產，設計生產能力60萬t/a，開采C-P系2號、15號煤層，采用斜井單一水平開拓，中央分列式抽出通風方式，正常條件下一采二掘接替。井田2號煤層瓦斯含量最大15.18 m3/t，井田構造為一向N緩傾的單斜構造，地層產狀走向近EW向，井田揭露斷層43條，其中正斷層35條，逆斷層8條，斷層落差最大4.0 m，最小0.5 m，歷年礦井瓦斯等級為高瓦斯礦井。

4.2 瓦斯地質變量篩選

鹿臺山煤礦目前開采2號煤層，煤層厚度賦存穩(wěn)定，整個井田瓦斯南低北高，局部瓦斯異常。通過瓦斯地質定性分析，煤層埋藏深度、頂板巖性及透氣性系數(shù)、地質構造是影響本井田瓦斯賦存的主要地質因素。為了便于更準確分析瓦斯賦存規(guī)律和篩選瓦斯地質變量，在此采用數(shù)量化理論I對瓦斯地質變量進行篩選。

4.2.1統(tǒng)計單元劃分

瓦斯地質數(shù)學模型是以已知統(tǒng)計單元為樣本建立起來的。要建立預測瓦斯含量的數(shù)學模型，首先需要在預測煤層的已采區(qū)域劃分統(tǒng)計單元。根據(jù)鹿臺山煤礦已采區(qū)的實際情況，在1∶5 000的煤層底板等高線圖上，以工作面每兩個月回采塊段的相對中心位置作為已知統(tǒng)計單元的實際采樣點位置參與瓦斯含量的模型計算，已采區(qū)共劃分32個統(tǒng)計單元。

4.2.2變量選擇和取值

采用數(shù)量化理論I建立瓦斯含量的預測模型，瓦斯含量為因變量，各種影響因素為自變量。

1) 因變量。以統(tǒng)計單元中心點實測瓦斯含量為因變量。

2) 自變量。自變量選取煤層埋深、頂板巖性、圍巖透氣性、褶皺平面變形系數(shù)、煤層底板標高、煤厚等6個指標，分別在每個統(tǒng)計單元中心點對上述6個地質指標進行取值。

4.2.3瓦斯含量預測模型

采用瓦斯地質數(shù)學模型軟件，經過變量檢驗、篩選和調整，用數(shù)學方法剔除了部分相差性差的變量，隨機抽取3、13、23三個未參與數(shù)學模型建立的統(tǒng)計單元，作為對預測模型的檢驗，最終建立瓦斯含量與瓦斯地質變量間的數(shù)學模型：

W=0.042dl(1)-12.52dx(1，1)-

11.07dx(1，2)+2.53dx(2，2)

(4)

式中：

W—瓦斯含量，m3/t；

dl(1)—埋藏深度，定量變量，m；

dx(1,1)—30 m圍巖透氣性系數(shù)項目“≤0.3”類目之反應；

dx(1,2)—30 m圍巖透氣性系數(shù)“>0.3”類目之反應；

dx(2,2)—褶皺平面變形系數(shù)Kp“>0.5”類目之反應。

4.2.4預測模型精度檢驗

1) 理論檢驗。

為驗證所篩選的瓦斯地質變量對瓦斯含量的影響程度，對每個自變量進行顯著性檢驗，以Ri和ti表示瓦斯含量與埋藏深度(i=1)、頂板30 m圍巖透氣性系數(shù)(i=2)、褶皺平面變形系數(shù)(i=3)的偏相關系數(shù)及其t統(tǒng)計量，R為復相關系數(shù)，計算結果如下：

(5)

2) 實際檢驗。

把3個未參與預測模型建立的統(tǒng)計單元數(shù)值代入預測模型，預測瓦斯含量分別為13.56 m3/t、9.72 m3/t、8.55 m3/t，實測瓦斯含量分別為14.28 m3/t、10.21 m3/t、9.26 m3/t，相對誤差分別為5.04%、4.80%、7.67%，平均誤差5.84%(表2)，預測精度<10%，可以滿足未采區(qū)瓦斯含量預測。

表2 2號煤層預測效果檢驗表

4.3 鹿臺山煤礦瓦斯地質區(qū)劃

依據(jù)鹿臺山煤礦瓦斯地質變量篩選結果可知，煤層埋藏深度和褶皺平面變形系數(shù)是影響瓦斯異常分布的主要地質因素。在此按埋深和褶皺平面變形系數(shù)來預測煤層瓦斯含量，將鹿臺山煤礦劃分為兩個瓦斯地質單元，見圖3.

① 號瓦斯地質單元東部煤層褶皺平面變形系數(shù)大，西部小，瓦斯在相同深度西部大，東部稍小。

② 號瓦斯地質單元煤層褶皺平面變形系數(shù)小，埋藏較淺，且南部靠近煤層露頭，煤層瓦斯含量均在8 m3/t以下。

5 結 論

1) 提出了圍巖透氣性、褶皺復雜程度、斷層復雜程度、頂板巖性4項定性瓦斯地質變量的量化技術與方法。

2) 對影響鹿臺山煤礦2號煤層瓦斯含量的瓦斯地質指標進行了量化歸一，建立瓦斯含量與各地質因素的數(shù)學模型，驗證了各瓦斯地質變量之間的關聯(lián)度，經理論和實踐驗證其精度較高，可滿足瓦斯煤礦安全生產。

圖3 鹿臺山煤礦瓦斯地質區(qū)劃圖

3) 利用建立的數(shù)學模型，對鹿臺山煤礦2號煤層進行了瓦斯地質區(qū)劃，劃分出瓦斯地質單元①和②.