基于趋势面法的采掘工作面瓦斯涌出量预测技术研究

李庆源，田晓平

(1.华晋焦煤有限责任公司通风处，山西太原030053;2.山西焦煤集团西山煤电 (集团)有限责任公司技术中心，山西太原030053)

矿井瓦斯涌出特征及规律的研究是矿井瓦斯治理的重要方面，能否准确掌握矿井瓦斯涌出特征及规律对于新水平、新采区投产后矿井的瓦斯涌出预测具有重要意义［1－2］。影响矿井瓦斯涌出的因素很多，主要包括地质构造因素、煤层埋深以及地温等几个方面。随着矿井采深的不断延伸，瓦斯涌出量呈不断增加的趋势，矿井瓦斯涌出量的大小不仅与煤层瓦斯含量和开采深度有关，而且受瓦斯地质条件和开采技术条件的影响也相当明显［3－5］。同一煤层即便瓦斯含量相同，由于采煤方法、采掘工艺、采掘时间等的不同，瓦斯涌出量亦不等，瓦斯含量相近的煤层，由于煤层的赋存特征和煤岩层组合关系不同，瓦斯涌出量大小也有差异［6］。传统的分源预测法在预测矿井瓦斯涌出量过程中忽略了各影响因素的随机性和关联性，虽然量化了某些影响瓦斯涌出量大小的参数，但并没有考虑各因素的动态变化过程，而且也无法反映各因素之间的相互影响关系。为此，本文运用相关的数理统计理论与趋势预测知识对屯兰煤矿的瓦斯赋存规律、矿井瓦斯涌出规律进行了深入的研究和分析，运用实时动态趋势预测法预测了屯兰矿矿井瓦斯涌出量大小，并进行了对比和验证，为矿井瓦斯综合治理方案的制定提供了依据。

1 试验区域概况

屯兰煤矿现今主要开采2号、8号煤层，在对矿井瓦斯地质特征、煤层赋存状况、生产开采情况充分分析的基础上，选择12403，18201，18203工作面作为试验区域。3个试验工作面中除12403工作面回采2号煤层外，其他区域均回采8号煤层(工作面参数详见表1)。各工作面均采用“两进一回”(轨道巷和胶带巷进风、尾巷回风)的通风系统，采煤方法为倾斜长壁后退式、一次采全高综合机械化采煤方法，全部垮落法管理顶板。

通过对3个回采工作面回采期间的瓦斯涌出量进行统计分析，得到各工作面瓦斯涌出的特征，其中2号煤层本煤层绝对瓦斯涌出量和采空区绝对涌出量基本持平，本煤层绝对瓦斯涌出量约占12403工作面整体绝对瓦斯涌出量的49%;8号煤层以本煤层绝对瓦斯涌出为主，其中18201工作面本煤层绝对瓦斯涌出量约占工作面整体绝对瓦斯涌出量的75%，18203工作面本煤层绝对瓦斯涌出量约占工作面整体绝对瓦斯涌出量的60%，详见图1。

表1 试验工作面概况

图1 试验区域瓦斯涌出量来源

2 动态趋势预测瓦斯涌出量

矿井的瓦斯涌出特征是多重影响因素综合作用的结果，既受矿井采掘因素和区域煤层瓦斯赋存因素的控制，又受局部控气构造、煤层赋存突变等偶然性因素的影响，因此瓦斯涌出量大小受到多种变量的影响，并且变化特征呈现一定的随机性。但各种变量之间又相互关联、相互制约，使得瓦斯涌出量在时空分布上的差异整体呈现出一定的规律性。观测记录离散的瓦斯涌出量和影响因素数据，并利用适当的函数拟合出相应的空间曲面，可以近似模拟瓦斯涌出量在空间上的变化趋势。因此，采用趋势面来模拟分析瓦斯涌出量规律的方案是切实可行的［7－9］。

2.1 掘进工作面瓦斯涌出量预测

根据掘进工作面瓦斯涌出量预测的特点，选取进尺数、煤层埋深作为坐标(xi，yi)，以瓦斯涌出量 (wi)作为观测值，并以这3个参数为变量数据构建模拟瓦斯涌出量变化的趋势面函数，通过解算趋势面函数来预测瓦斯涌出量大小。拟合曲面函数如下:

式中，k为趋势面方程的次数(k=0，1，2，…);bi为趋势面方程待定系数，由实际观测数据决定(i=0，1，2，…，m);m=(k+1)(k+2)/2－1。

2.1.1 掘进工作面瓦斯涌出量预测模型

选取18201胶带巷掘进面作为动态趋势预测模型，按照式 (1)构建掘进面瓦斯涌出量的趋势函数，对12403胶带巷工作面进行了瓦斯涌出量的预测。18201胶带巷掘进进尺、主采煤层埋深与瓦斯涌出量的关系如图2所示。

图2 18201胶带巷掘进进尺、埋深与涌出量关系

通过构建模型，解算出趋势面方程待定系数，则18201胶带巷瓦斯涌出量趋势面函数如下:

2.1.2 预测结果准确性验证

为评估瓦斯涌出量预测函数的精确性，选择实测数据较为完善的12403胶带巷作为试验区域，根据趋势函数计算出12403掘进面瓦斯涌出量的大小，将12403胶带巷的预测值与实测瓦斯涌出量大小绘制于如图3所示的同一坐标系。并将18201胶带巷掘进过程中进尺、埋深与实测值和预测值的差值绘制于图4所示的三维坐标系中。

图3 12403胶带巷瓦斯涌出量实测与预测结果对比

综合图3和图4可以看出，利用动态趋势预测法得出的掘进面瓦斯涌出量趋势函数可以较准确地计算出掘进面前方瓦斯涌出量大小，预测值与实测值差值较小，误差率不到1%，因此该趋势面函数在进尺2000m以内、埋深300～500m的范围内，可以准确地预测出掘进工作面瓦斯涌出量大小。

2.2 回采工作面瓦斯涌出量预测

图4 18201胶带巷掘进进尺、埋深与实预测差值关系

为分析动态趋势函数在回采工作面瓦斯涌出量预测中的可靠性，采用该法对试验区域进行了瓦斯涌出量预测。其中，18201工作面日产量、主采煤层埋深与瓦斯涌出量的关系如图5所示。

图5 18201回采工作面日产量、埋深与涌出量关系

2.2.1 回采工作面瓦斯涌出量预测模型

参照本文第2节中所述的趋势面函数方法，构建以工作面日产量、埋深为自变量的回采工作面涌出量预测模型，按照图5中的数据计算求解得18201回采工作面瓦斯涌出量趋势函数:

2.2.2 预测结果准确性验证

为评估回采工作面瓦斯涌出量预测函数的精确性，选择实测数据较为完善的18203和12403回采工作面作为试验区域，预测瓦斯涌出量大小，将预测值与实测瓦斯涌出量大小绘制于同一坐标系中，如图6所示。

图6 回采工作面瓦斯涌出量实测与预测结果对比

由图6可知，利用动态趋势预测法得出的回采工作面瓦斯涌出量趋势函数可以较准确地计算出回采面瓦斯涌出量大小，预测值与实测值差值较小，误差率小于5%，因此该趋势面函数在产量2400～8000t、埋深300～500m的区间范围内，可以较为准确地预测出回采工作面瓦斯涌出量大小。

3 不同预测方法的对比分析

为进一步分析动态趋势面法在瓦斯涌出量预测中的优缺点，选择使用传统的分源预测法对相同的试验区域进行瓦斯涌出量预测，并对两种方法进行对比分析。

3.1 分源预测法预测瓦斯涌出量

按照分源预测法的计算原理，掘进工作面瓦斯涌出量主要由掘进落煤的瓦斯涌出量和煤壁向掘进空间释放的瓦斯量两部分构成。采用分源预测法，分别预测12403胶带巷和18201胶带巷2个掘进工作面的瓦斯涌出量大小，结果如表2所示。

表2 掘进工作面瓦斯涌出量预测

在分源预测法中，回采工作面的瓦斯涌出量主要包含开采层的瓦斯涌出量和临近层涌入到开采空间的瓦斯两部分。按照分源预测法的原理，分别计算18203回采工作面和12403回采工作面的瓦斯涌出量，结果见表3。

3.2 预测方法的对比分析

(1)动态趋势预测法没有唯一确定的预测函数，需要根据收集的数据筛选影响因素，并作为变量构建趋势面预测模型。因此需要通过较为复杂的数理分析过程才能准确预测瓦斯涌出量大小。而分源预测法由于拥有一整套成熟且相对固定的计算流程，不需过多分析即可计算出瓦斯涌出量大小，计算过程简单。

表3 回采工作面瓦斯涌出量预测对比

(2)动态趋势预测法中的变量可以相对灵活地组合调整，从而分析不同影响因素的相关性，在生产过程中可以及时更新各种变量数据，不断完善预测模型。分源预测法中的数据组合相对固定，不便于针对影响因素变化进行动态分析，预测模型难以及时调整。

(3)在对试验区域的瓦斯涌出量预测中，动态趋势法的预测准确率明显高于分源预测法的预测，结果详见图7。

图7 瓦斯涌出量预测准确率比较

4 结论

(1)动态趋势预测法中涌出量预测模型的构建，主要基于对现有工作面基础参数的分析，因此根据模型计算出的瓦斯涌出量大小，只有在一定的影响因素 (如煤层埋深、日产量、掘进进尺等)变化范围内才是可靠的。

(2)动态趋势面预测法虽然分析、计算过程较为复杂，但是预测结果具有动态性的特点。因此能够通过不断积累工作面基础数据，分析采掘过程中瓦斯涌出及各影响因素的变化情况，及时更新完善预测模型，从而保证预测结果具有更高的精确性。

(3)综合分析发现，在屯兰煤矿的采掘工作面瓦斯涌出量预测中，基于动态趋势面法的瓦斯涌出量预测技术具有较高的准确度，对于未采掘区域的瓦斯涌出量预测精确度明显高于传统的分源预测法，能够满足矿井瓦斯涌出量预测的需要。

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