基于單項指標和線性回歸的煤與瓦斯突出預測*

吳少康，江澤標,，張際濤，郭亞玲，扶祥祥，賈毅超

(1.貴州大學 礦業學院，貴州 貴陽 550025；2.貴州省非金屬礦產資源綜合利用重點實驗室，貴州 貴陽 550025；3.貴州致遠工程技術咨詢有限公司，貴州 貴陽 550003)

0 引言

我國煤炭儲量豐富，對當今社會的經濟起著一定的主導作用。隨著我國煤炭的開采，礦井的深度從淺到深，開采逐漸復雜，其開采過程中遇到的問題也越來越多。近來，礦井事故不斷的發生，特別是在煤與瓦斯這一塊，因此，防治煤與瓦斯突出是必須攻克的一個難題。對貴州煤礦而言，煤與瓦斯突出防治是一大技術難題，需要專家學者通過不斷的學習才能降低事故發生的頻率。

煤層瓦斯含量測定的方法有很多，總的分為直接法和間接法2 大類。直接法主要包括地勘法和井下方法，其基本原理均是采用瓦斯解吸法。直接法認為瓦斯含量由實測的瓦斯解吸量、實測的瓦斯殘存量以及推算的瓦斯損失量3 部分組成。因為實測需要精密的儀器，對工人的素質水平要求較高，實際操作起來困難較大，所以在實際工程運用中常采用間接法作為完善補充瓦斯含量測定的主要方法。

本文主要根據煤層瓦斯含量與瓦斯壓力的關系，采用間接法（朗格繆爾公式）反推算煤層瓦斯壓力，運用單項指標法對影響煤與瓦斯突出的各影響因素作對比，得出各煤層的煤與瓦斯突出危險性；然后用Excel 對煤層瓦斯含量與埋深的關系做擬合，分析其相關系數，用surfer 軟件繪制煤層瓦斯等值線圖與預測的突出區域作對比，最終對打磨沖煤礦煤層瓦斯突出做出預測，并提出預防和控制的措施。

1 工程地質概況

打磨沖煤礦地質構造位于安順市普定縣龍場鄉，距普定縣城9 km，隸屬龍場鄉管轄。打磨沖煤礦為兼并重組煤礦，礦區面積8.0535 km2。該區地處貴州高原西部，礦區含煤地層為龍潭組地層，是以構造?侵蝕地貌為主的低中山峰叢地貌。地勢中部較高，北西及南部相對較低，最高點為北部上羊倉南東山頂，海拔標高1541.30 m，最低點位于北西部河溝，海拔標高1135.00 m，相對高差406.30 m，一般海拔為+1200～1350 m。區內溶斗、溶溝等喀斯特地貌較發育，形成絢麗的地貌景觀。礦區平均含煤總厚為36.24 m，含煤系數8.3%，含可采煤層共5 層，其中6、16 號煤層為全區可采，6下、15、27 號煤層為大部分可采，5 層主要可采煤層均為較穩定煤層，可采總厚平均為8.83 m。

打磨沖煤礦停產之前的生產礦井采用的是整合前貴州省普定縣龍場鄉打磨沖煤礦的井巷，該礦生產規模為年產15 萬t。該礦以及鄰近礦井建井至今均未發生瓦斯突出、冒頂、突水等安全事故，其在與大樹腳煤礦（探礦權）整合前已停產，整合后至今未生產，煤礦歷經數次整合調整，以往資料已無法考證，因此本次預測主要以該礦井資料為依據。

本文首先收集了打磨沖煤礦測定的煤層瓦斯資料，以地勘部門提供的煤層可燃質瓦斯含量數據為基礎，分析其可靠性，進一步預測了煤層原煤瓦斯含量。然后收集了打磨沖煤礦、大樹腳煤礦兼并重組前資質單位實際測定的煤層瓦斯參數等資料。最后對打磨沖煤礦的瓦斯參數進行可靠性分析、修正及取值，見表1。

表1 瓦斯增項樣測定結果

2 單項指標法判別煤層突出危險性

2.1 單項指標法

單項指標法是指直接用企業單項指標的報告期數值與基準期數值對比，或用不同企業的同一指標實際數值對比得出相應的結論。它的特點是從某一方面直觀明確反映企業的經營業績。但單項指標評價具有明顯的局限性，無法評價企業的綜合競爭實力。

2.2 煤與瓦斯突出評判指標

《防治煤與瓦斯突出規定》和《煤與瓦斯突出礦井鑒定規范》中規定“突出煤層應當根據實際測定的煤層最大瓦斯壓力（P）、煤的破壞類型、煤的瓦斯放散初速度（ΔP）和煤的堅固性系數（f）等指標進行鑒定。全部指標均達到或者超過單項指標臨界值時，確定為突出煤層”。突出煤層判定的單項指標臨界值見表2。另外，“若煤層突出危險性指標未完全達到上述指標的，煤層突出危險性可根據實際情況確定；但當f≤0.3、P≥0.74 MPa，或0.3＜f≤0.5、P≥1.0 MPa，或0.5＜f≤0.8、P≥1.50 MPa，或P≥2.0 MPa 的，一般確定為突出煤層”；“煤層突出危險性預測還應根據煤層瓦斯壓力P進行預測，如果沒有或者缺少煤層瓦斯壓力資料，也可根據煤層瓦斯含量進行預測。預測所依據的臨界值應根據試驗考察確定，在確定前可暫按表3預測”。

表2 突出煤層鑒定的單項指標臨界值

表3 根據煤層瓦斯壓力或瓦斯含量進行區域預測的臨界值

2.3 朗格繆爾公式的應用

在勘探階段，勘探部門未測定打磨沖煤礦的煤層瓦斯壓力，且目前打磨沖為兼并重組礦井，不具備直接測定煤層瓦斯壓力的條件。因此，本次預測利用勘探階段所測定的煤層瓦斯含量、瓦斯吸附常數等瓦斯基本參數，根據煤層瓦斯含量與瓦斯壓力的關系，采用間接法（朗格繆爾公式）反推算煤層瓦斯壓力。

煤層瓦斯含量與瓦斯壓力關系（朗格繆爾公式）見式（1）：

式中，W為瓦斯含量，m3/t；a、b為吸附常量；P為瓦斯壓力，MPa；Mad為煤的水分，%；Aad為煤的灰分，%；F為煤的孔隙體積，m3/m3；γ為視密度，t/m3。

將所測定數據代入式（1），即可得到各煤層的瓦斯壓力，以15 號煤層為例，見表4。

表4 打磨沖煤礦15 號煤層瓦斯壓力計算

2.4 突出危險性預測

通過式（1）的計算，打磨沖煤礦各瓦斯參數匯總見表5。根據各單項指標，打磨沖各煤層煤與瓦斯突出危險性預測如下。

表5 打磨沖煤礦煤層瓦斯參數匯總

15 號煤層的最大瓦斯含量為23.15 m3/t＞8 m3/t，最大瓦斯壓力2.759 MPa＞0.74 MPa，根據《防治煤與瓦斯突出規定》規定，預測15 號煤層具有煤與瓦斯突出危險性；另外，15 號煤層預測的突出單項指標中，煤的最高破壞類型為Ⅳ類，最大瓦斯壓力2.759 MPa＞0.74 MPa，瓦斯放散初速度ΔPmax=1.725 kPa＞1.333 kPa，煤的堅固性系數fmin=1.00＞0.5，其中4 個單項指標有3 個超過臨界值，根據《煤礦瓦斯等級鑒定辦法》規定，判定15 號煤層具有煤與瓦斯突出危險性。

同理可得，打磨沖煤礦剩余其他可采煤層也均具有煤與瓦斯突出危險性。

3 線性回歸做突出區域預測

在工程實踐運用中，通常是通過運用一元線性回歸方程分析煤層瓦斯含量與埋深關系。因為根據煤礦開采實踐經驗，在不存在復雜地質條件的情況下，礦井在一定開采深度范圍內，煤層瓦斯含量與埋深具有較好的線性關系。打磨沖煤礦的開采深度較淺，通過分析比對，能較好地適應這種關系。所以本文采用一元線性回歸方程對打磨沖煤礦瓦斯含量與埋深的關系進行擬合分析，預測煤礦區域瓦斯突出。

3.1 一元線性回歸分析

首先對煤層柱狀圖進行分析，然后對瓦斯參數進行修正選取，選取可靠度較高的鉆孔數據，接著利用Excel 做出散點圖，勾選線性擬合圖或者添加趨勢線后就可以得到線性回歸方程的公式和相關系數。相關系數越接近于1 說明擬合度越好。以打磨沖15 號煤層為例，如圖1 所示。

圖1 15 號煤層瓦斯含量與埋深關系散點

通過分析可見15 號煤層擬合出的線性相關系數為0.889，擬合度較高，能較好地反映出瓦斯含量與埋深的關系。同理可得，其他煤層的關系為：6 號煤層W=0.011H+9.405，相關系數為0.665；6下號煤層W=0.007H+11.34，相關系數為0.775；16 號煤層W=0.005H+11.80，相關系數為0.701；27 號煤層W=0.019H+2.174；相關系數為0.888。式中，H為煤層埋藏深度，m。

從以上數據可以看出，對打磨沖煤礦進行瓦斯含量與埋深的一元線性回歸擬合具有較高的擬合度。根據以上公式可推算出當煤層瓦斯含量達到8 m3/t 時，6 號煤層，6下號煤層，15 號煤層，16 號煤層，27 號煤層的埋深分別為223 m、247 m、224 m、183 m、260 m。為了安全起見，取其埋深最小值來劃定突出危險區域。因此，綜合整體預測打磨沖煤礦各煤層在埋深小于183 m 的區域為無突出危險區域，在埋深大于183 m 的區域為突出危險區域。以15 號煤層為例，煤與瓦斯突出危險性預測區劃分見圖2。

圖2 15 號煤層瓦斯含量等值線

3.2 Surfer 繪制煤層瓦斯等值線圖分析

利用surfer 軟件對煤層瓦斯含量的實測數據的等值線圖與突出危險性預測區劃圖作對比分析，發現突出危險性區域預測基本合理，但也存在一些差異，分析原因是打磨沖煤礦鉆孔數據較少，好多瓦斯數據已經丟失，并且還沒有實測的瓦斯壓力數據，導致在利用Surfer 軟件做圖時，數據較少，精度不高。以15 號煤層為例，瓦斯含量等值線圖見圖2。

4 結論

（1）對打磨沖煤礦進行單項指標法，線性回歸預測煤與瓦斯突出危險性，結果表明，打磨沖煤礦可采煤層均具有煤與瓦斯突出危險性，故必須按照煤與瓦斯突出礦井進行設計和管理。針對打磨沖煤礦預測煤層的無突出危險區域，礦井在建井過程中，也必須采取局部綜合防突措施。

（2）本次預測所采用瓦斯參數指標主要由《儲量核實地勘報告》提供。由于該報告中數據較少且部分鉆孔瓦斯含量數據丟失，無實測的瓦斯壓力數據。因此，建議打磨沖煤礦在井下具備鑒定條件時，應及時委托資質單位開展煤層的煤與瓦斯突出危險性鑒定或煤層瓦斯參數測試工作，以便更好地指導礦井保護層開采的選擇及礦井生產過程中的瓦斯災害防治工作。

（3）雖然用間接法進行煤與瓦斯突出危險性預測是目前工程實踐運用中最常用的方法，也具有一定的可行性，但其精度不高，非常依賴于瓦斯鉆孔等實測數據。通過查閱文獻發現，可以通過把煤層氣中其他組分的氣體折算成甲烷氣體計算，這樣可以相對提高瓦斯壓力計算的精度。隨著開采深度的增加，煤層瓦斯含量和埋深也并非是簡單的一元線性關系，今后可以用一元非線性回歸法進行預測分析，還可以引入瓦斯含量梯度，以提高突出區域預測的精度。