基于单项指标和线性回归的煤与瓦斯突出预测*

吴少康，江泽标,，张际涛，郭亚玲，扶祥祥，贾毅超

(1.贵州大学 矿业学院，贵州 贵阳 550025；2.贵州省非金属矿产资源综合利用重点实验室，贵州 贵阳 550025；3.贵州致远工程技术咨询有限公司，贵州 贵阳 550003)

0 引言

我国煤炭储量丰富，对当今社会的经济起着一定的主导作用。随着我国煤炭的开采，矿井的深度从浅到深，开采逐渐复杂，其开采过程中遇到的问题也越来越多。近来，矿井事故不断的发生，特别是在煤与瓦斯这一块，因此，防治煤与瓦斯突出是必须攻克的一个难题。对贵州煤矿而言，煤与瓦斯突出防治是一大技术难题，需要专家学者通过不断的学习才能降低事故发生的频率。

煤层瓦斯含量测定的方法有很多，总的分为直接法和间接法2 大类。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。直接法认为瓦斯含量由实测的瓦斯解吸量、实测的瓦斯残存量以及推算的瓦斯损失量3 部分组成。因为实测需要精密的仪器，对工人的素质水平要求较高，实际操作起来困难较大，所以在实际工程运用中常采用间接法作为完善补充瓦斯含量测定的主要方法。

本文主要根据煤层瓦斯含量与瓦斯压力的关系，采用间接法（朗格缪尔公式）反推算煤层瓦斯压力，运用单项指标法对影响煤与瓦斯突出的各影响因素作对比，得出各煤层的煤与瓦斯突出危险性；然后用Excel 对煤层瓦斯含量与埋深的关系做拟合，分析其相关系数，用surfer 软件绘制煤层瓦斯等值线图与预测的突出区域作对比，最终对打磨冲煤矿煤层瓦斯突出做出预测，并提出预防和控制的措施。

1 工程地质概况

打磨冲煤矿地质构造位于安顺市普定县龙场乡，距普定县城9 km，隶属龙场乡管辖。打磨冲煤矿为兼并重组煤矿，矿区面积8.0535 km2。该区地处贵州高原西部，矿区含煤地层为龙潭组地层，是以构造−侵蚀地貌为主的低中山峰丛地貌。地势中部较高，北西及南部相对较低，最高点为北部上羊仓南东山顶，海拔标高1541.30 m，最低点位于北西部河沟，海拔标高1135.00 m，相对高差406.30 m，一般海拔为+1200～1350 m。区内溶斗、溶沟等喀斯特地貌较发育，形成绚丽的地貌景观。矿区平均含煤总厚为36.24 m，含煤系数8.3%，含可采煤层共5 层，其中6、16 号煤层为全区可采，6下、15、27 号煤层为大部分可采，5 层主要可采煤层均为较稳定煤层，可采总厚平均为8.83 m。

打磨冲煤矿停产之前的生产矿井采用的是整合前贵州省普定县龙场乡打磨冲煤矿的井巷，该矿生产规模为年产15 万t。该矿以及邻近矿井建井至今均未发生瓦斯突出、冒顶、突水等安全事故，其在与大树脚煤矿（探矿权）整合前已停产，整合后至今未生产，煤矿历经数次整合调整，以往资料已无法考证，因此本次预测主要以该矿井资料为依据。

本文首先收集了打磨冲煤矿测定的煤层瓦斯资料，以地勘部门提供的煤层可燃质瓦斯含量数据为基础，分析其可靠性，进一步预测了煤层原煤瓦斯含量。然后收集了打磨冲煤矿、大树脚煤矿兼并重组前资质单位实际测定的煤层瓦斯参数等资料。最后对打磨冲煤矿的瓦斯参数进行可靠性分析、修正及取值，见表1。

表1 瓦斯增项样测定结果

2 单项指标法判别煤层突出危险性

2.1 单项指标法

单项指标法是指直接用企业单项指标的报告期数值与基准期数值对比，或用不同企业的同一指标实际数值对比得出相应的结论。它的特点是从某一方面直观明确反映企业的经营业绩。但单项指标评价具有明显的局限性，无法评价企业的综合竞争实力。

2.2 煤与瓦斯突出评判指标

《防治煤与瓦斯突出规定》和《煤与瓦斯突出矿井鉴定规范》中规定“突出煤层应当根据实际测定的煤层最大瓦斯压力（P）、煤的破坏类型、煤的瓦斯放散初速度（ΔP）和煤的坚固性系数（f）等指标进行鉴定。全部指标均达到或者超过单项指标临界值时，确定为突出煤层”。突出煤层判定的单项指标临界值见表2。另外，“若煤层突出危险性指标未完全达到上述指标的，煤层突出危险性可根据实际情况确定；但当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，一般确定为突出煤层”；“煤层突出危险性预测还应根据煤层瓦斯压力P进行预测，如果没有或者缺少煤层瓦斯压力资料，也可根据煤层瓦斯含量进行预测。预测所依据的临界值应根据试验考察确定，在确定前可暂按表3预测”。

表2 突出煤层鉴定的单项指标临界值

表3 根据煤层瓦斯压力或瓦斯含量进行区域预测的临界值

2.3 朗格缪尔公式的应用

在勘探阶段，勘探部门未测定打磨冲煤矿的煤层瓦斯压力，且目前打磨冲为兼并重组矿井，不具备直接测定煤层瓦斯压力的条件。因此，本次预测利用勘探阶段所测定的煤层瓦斯含量、瓦斯吸附常数等瓦斯基本参数，根据煤层瓦斯含量与瓦斯压力的关系，采用间接法（朗格缪尔公式）反推算煤层瓦斯压力。

煤层瓦斯含量与瓦斯压力关系（朗格缪尔公式）见式（1）：

式中，W为瓦斯含量，m3/t；a、b为吸附常量；P为瓦斯压力，MPa；Mad为煤的水分，%；Aad为煤的灰分，%；F为煤的孔隙体积，m3/m3；γ为视密度，t/m3。

将所测定数据代入式（1），即可得到各煤层的瓦斯压力，以15 号煤层为例，见表4。

表4 打磨冲煤矿15 号煤层瓦斯压力计算

2.4 突出危险性预测

通过式（1）的计算，打磨冲煤矿各瓦斯参数汇总见表5。根据各单项指标，打磨冲各煤层煤与瓦斯突出危险性预测如下。

表5 打磨冲煤矿煤层瓦斯参数汇总

15 号煤层的最大瓦斯含量为23.15 m3/t＞8 m3/t，最大瓦斯压力2.759 MPa＞0.74 MPa，根据《防治煤与瓦斯突出规定》规定，预测15 号煤层具有煤与瓦斯突出危险性；另外，15 号煤层预测的突出单项指标中，煤的最高破坏类型为Ⅳ类，最大瓦斯压力2.759 MPa＞0.74 MPa，瓦斯放散初速度ΔPmax=1.725 kPa＞1.333 kPa，煤的坚固性系数fmin=1.00＞0.5，其中4 个单项指标有3 个超过临界值，根据《煤矿瓦斯等级鉴定办法》规定，判定15 号煤层具有煤与瓦斯突出危险性。

同理可得，打磨冲煤矿剩余其他可采煤层也均具有煤与瓦斯突出危险性。

3 线性回归做突出区域预测

在工程实践运用中，通常是通过运用一元线性回归方程分析煤层瓦斯含量与埋深关系。因为根据煤矿开采实践经验，在不存在复杂地质条件的情况下，矿井在一定开采深度范围内，煤层瓦斯含量与埋深具有较好的线性关系。打磨冲煤矿的开采深度较浅，通过分析比对，能较好地适应这种关系。所以本文采用一元线性回归方程对打磨冲煤矿瓦斯含量与埋深的关系进行拟合分析，预测煤矿区域瓦斯突出。

3.1 一元线性回归分析

首先对煤层柱状图进行分析，然后对瓦斯参数进行修正选取，选取可靠度较高的钻孔数据，接着利用Excel 做出散点图，勾选线性拟合图或者添加趋势线后就可以得到线性回归方程的公式和相关系数。相关系数越接近于1 说明拟合度越好。以打磨冲15 号煤层为例，如图1 所示。

图1 15 号煤层瓦斯含量与埋深关系散点

通过分析可见15 号煤层拟合出的线性相关系数为0.889，拟合度较高，能较好地反映出瓦斯含量与埋深的关系。同理可得，其他煤层的关系为：6 号煤层W=0.011H+9.405，相关系数为0.665；6下号煤层W=0.007H+11.34，相关系数为0.775；16 号煤层W=0.005H+11.80，相关系数为0.701；27 号煤层W=0.019H+2.174；相关系数为0.888。式中，H为煤层埋藏深度，m。

从以上数据可以看出，对打磨冲煤矿进行瓦斯含量与埋深的一元线性回归拟合具有较高的拟合度。根据以上公式可推算出当煤层瓦斯含量达到8 m3/t 时，6 号煤层，6下号煤层，15 号煤层，16 号煤层，27 号煤层的埋深分别为223 m、247 m、224 m、183 m、260 m。为了安全起见，取其埋深最小值来划定突出危险区域。因此，综合整体预测打磨冲煤矿各煤层在埋深小于183 m 的区域为无突出危险区域，在埋深大于183 m 的区域为突出危险区域。以15 号煤层为例，煤与瓦斯突出危险性预测区划分见图2。

图2 15 号煤层瓦斯含量等值线

3.2 Surfer 绘制煤层瓦斯等值线图分析

利用surfer 软件对煤层瓦斯含量的实测数据的等值线图与突出危险性预测区划图作对比分析，发现突出危险性区域预测基本合理，但也存在一些差异，分析原因是打磨冲煤矿钻孔数据较少，好多瓦斯数据已经丢失，并且还没有实测的瓦斯压力数据，导致在利用Surfer 软件做图时，数据较少，精度不高。以15 号煤层为例，瓦斯含量等值线图见图2。

4 结论

（1）对打磨冲煤矿进行单项指标法，线性回归预测煤与瓦斯突出危险性，结果表明，打磨冲煤矿可采煤层均具有煤与瓦斯突出危险性，故必须按照煤与瓦斯突出矿井进行设计和管理。针对打磨冲煤矿预测煤层的无突出危险区域，矿井在建井过程中，也必须采取局部综合防突措施。

（2）本次预测所采用瓦斯参数指标主要由《储量核实地勘报告》提供。由于该报告中数据较少且部分钻孔瓦斯含量数据丢失，无实测的瓦斯压力数据。因此，建议打磨冲煤矿在井下具备鉴定条件时，应及时委托资质单位开展煤层的煤与瓦斯突出危险性鉴定或煤层瓦斯参数测试工作，以便更好地指导矿井保护层开采的选择及矿井生产过程中的瓦斯灾害防治工作。

（3）虽然用间接法进行煤与瓦斯突出危险性预测是目前工程实践运用中最常用的方法，也具有一定的可行性，但其精度不高，非常依赖于瓦斯钻孔等实测数据。通过查阅文献发现，可以通过把煤层气中其他组分的气体折算成甲烷气体计算，这样可以相对提高瓦斯压力计算的精度。随着开采深度的增加，煤层瓦斯含量和埋深也并非是简单的一元线性关系，今后可以用一元非线性回归法进行预测分析，还可以引入瓦斯含量梯度，以提高突出区域预测的精度。