基于多元线性回归对瓦斯含量和涌出量预测的实验研究.pdf

1382023 年第 9 期基于多元线性回归对瓦斯含量和涌出量预测的实验研究胡魏魏（陕西煤业化工技术研究院有限责任公司，陕西 西安 710100）摘 要 为了准确预测矿井瓦斯含量和涌出量，通过对实验矿井煤层瓦斯含量的测定，运用多元线性回归的方法，对影响瓦斯含量的单因素和多因素影响进行分析比较，得出多因素预测瓦斯含量拟合度更高，并以此为基础，可以预测煤层瓦斯含量和涌出量。关键词 瓦斯含量；多元线性回归；赋存规律；涌出规律中图分类号 TD712+.6 文献标识码 A doi:10.3969/j.issn.1005-2801.2023.09.043Experimental Study on Gas Content and Emission Quantity Predicting Based on Multiple Linear RegressionHu Weiwei(Shaanxi Coal Industry Chemical Engineering Technology Research Institute Co.,Ltd.,Shaanxi Xian 710100)Abstract:In order to accurately predict the gas content and emission quantity in the mine,the measurement of the gas content in the experimental mine coal seams is conducted using the method of multiple linear regression to analyze and compare the single and multiple factors that affect the gas content.It is found that the multi factor prediction of gas content has a higher fitting degree,and based on this,the gas content and emission quantity in coal seams can be predicted.Key words:gas content;multiple linear regression;occurrence regularity;emission law胡魏魏：基于多元线性回归对瓦斯含量和涌出量预测的实验研究收稿日期 2023-02-18作者简介 胡魏魏（1989），男，安徽萧县人，2015 年毕业于西安科技大学安全工程专业，硕士，工程师，研究方向为矿井瓦斯灾害防治、矿山压力与岩层控制。实验矿井为瓦斯矿井，5308 工作面煤厚 010.0 m，平均 6.14 m，煤层倾角 012，平均 4。该工作面大部分区域属于煤层发育分层结构，瓦斯是制约该工作面回采的重要因素，5308 工作面还未贯通切眼形成工作面。1 瓦斯赋存规律的实验研究1.1 瓦斯含量的测定瓦斯含量测定点位置如图 1。依据不同取样点的煤样，开展对煤层瓦斯基础参数的测定和分析。各个测点的瓦斯含量见表 1。1.2 瓦斯含量的影响因素及其函数关系瓦斯含量影响因素为：煤层的储气条件、矿井的地质构造和工作面的回采1。作用于瓦斯赋存分布的重要地质因素有：煤层的变质程度、矿井的围岩条件、区域的地质构造、埋藏深度、煤的暴露程度等。经过分析表明，对煤层瓦斯赋存的重要因素有：地质构造、煤的厚度、基岩厚度、煤层底板标高等。工作面测点瓦斯的含量与煤层底板标高、基岩厚度、煤的厚度之间的关系见表 2。1.2.1 瓦斯含量与单一影响因素的关系由表 2 的数据可得瓦斯含量与单一因素的线性函数关系，如图 2 图 4。瓦斯含量受此三因素影响的大小程度为：煤层底板标高因素 煤层厚度因素 基岩厚度因素。瓦斯含量与煤层底板标高的相关度更高，依据此公式可以预测工作面其他区域的瓦斯含量。图 1 测定瓦斯含量取样位置图1392023 年第 9 期胡魏魏：基于多元线性回归对瓦斯含量和涌出量预测的实验研究 表 1 不同地点瓦斯含量测定表 m3/t采样地点编号可解析瓦斯含量残存瓦斯含量瓦斯含量12.487 30.700 33.187 622.152 70.755 42.908 133.011 11.147 94.159 041.384 20.837 22.221 451.551 60.872 72.424 361.152 60.952 32.104 971.381 70.763 82.145 581.650 50.780 72.431 291.877 60.974 32.851 9101.609 20.776 52.385 7111.517 71.068 12.585 8121.677 50.897 72.575 2表 2 瓦斯含量、可解析瓦斯含量与煤层底板标高、基岩厚度、煤层厚度关系表瓦斯含量/（m3/t）可解析瓦斯含量/（m3/t）煤层底板标高/m基岩厚度/m煤层厚度/m2.104 91.152 6-458335.08.42.145 51.381 7-435183.78.62.221 41.384 2-432187.57.32.385 71.609 2-470333.67.52.424 31.551 6-426200.04.52.431 21.650 5-430189.24.72.575 21.677 5-438175.46.62.585 81.517 7-437179.27.02.851 91.877 6-436181.87.62.908 12.152 7-427195.54.03.187 62.487 3-440290.09.14.159 03.011 1-490340.07.41.2.2 瓦斯含量与其影响因素的多元线性关系由单因素预测得出的瓦斯含量与煤层底板标高的线性函数关系，其拟合度 R 依然偏小，预测误差较大。这种瓦斯预测模型存在不足，因此采取多元线性回归的方法，以 3 因素为自变量，选用 SPSS多元线性回归软件进行分析，可得其关系为：y=-0.024x1-0.002x2-0.07x3-7.162 （1）Y=-0.15x1-0.66x3-4.398 （2）式中：y 为瓦斯含量，m3/t；Y 为可解析瓦斯含量，m3/t；x1为煤层底板标高，m；x2为煤层厚度，m；x3为基岩厚度，m。煤层瓦斯含量线性回归的拟合系数 R2=0.338，拟合度比单因素线性关系更高，预测误差较小，预测模型优于只考虑单因素的情形。依据瓦斯含量预测模型对工作面其他区域的瓦斯含量进行预测，得出瓦斯赋存规律。图 2 瓦斯含量与煤层底板标高的线性函数关系图 3 瓦斯含量与煤层厚度的线性函数关系图 4 瓦斯含量与基岩厚度的线性函数关系2 瓦斯涌出规律的预测对工作面瓦斯涌出量预测方式可以分为两种：分源预测和矿山统计2-5。分源预测法准确率大于85%，采用分源法预测 5308 工作面瓦斯涌出量。分源预测法是预测煤层的相对瓦斯涌出量，主要以瓦斯含量、回采条件为预测基础，依据各个来源的瓦斯涌出规律进行计算，得出回采和掘进工作面、采区以及矿井的瓦斯涌出量6。一般工作面瓦斯涌出量有两种来源：开采层瓦斯涌出和邻近层瓦斯涌出。实验矿井 5308 工作面由于邻近煤层已回采完毕，且与其中间留有煤柱，1402023 年第 9 期因此邻近层瓦斯涌出对本层煤回采时可以忽略，工作面瓦斯涌出量预测只计算本煤层的瓦斯涌出量。由色谱分析煤层瓦斯成分中 CH4组分 26.840 1%50.046 0%，平均 38.088 4%，因此得出的结果瓦斯相对涌出量和绝对涌出量都应再乘以 CH4成分所占的比例。q开=K1K2K3m/m0（X-Xc）（3）式中：q开为回采工作面煤层（也包括围岩）瓦斯涌出量，m3/t；K1为围岩瓦斯涌出系数，取K1=1.3；K2为工作面遗煤瓦斯涌出系数，K2=1/，为工作面回采率，取 0.80；K3为准备巷道预排瓦斯影响系数；m为煤层厚度，m；m0为煤层开采厚度，m；XC为煤层残存瓦斯含量，m3/t；X 为煤层原始瓦斯含量，m3/t；为煤层气体成分中 CH4所占的百分比，取 38.088 4%。其中，K3=（L-2h）L （4）式中：L 为回采工作面长度，m；h 为巷道预排瓦斯带宽度，按表 3 选取。结合公式（2）可知：Y=X-XC （5）式中：Y 为可解析瓦斯含量，m3/t。表 3 巷道预排瓦斯带宽度取值表巷道煤壁暴露时间T/d无烟煤巷道预排瓦斯带宽度h/m瘦煤或焦煤预排瓦斯带宽度h/m肥煤、气煤及长焰煤预排瓦斯带宽度 h/m256.59.011.5507.410.513.01009.012.416.015010.514.218.020011.015.419.725012.016.921.530013.018.023.0h 值亦可用公式计算：低变质煤：h=0.808T0.55高变质煤：h=（13.850.011 83T）/（1+0.018 3T）结合公式（2）（3）（4）（5）可推导出瓦斯涌出量与其影响因素的关系：q开=K1K2K3m/m0（-0.15x1-0.66x3-4.398）（6）即可得到瓦斯涌出量与瓦斯含量主控因素煤层底板标高和基岩厚度的关系式，能够预测回采工作面不同区域的瓦斯涌出量，进一步可得即将回采工作面的瓦斯涌出规律。此预测方法在成庄矿3#煤层、白芨沟煤矿 2621-1 工作面煤层等多个煤矿进行了瓦斯涌出量预测，对预测工作面瓦斯涌出规律能够提供一定的参考。3 结论1）由实验矿井煤层瓦斯含量与其影响因素的线性函数关系可知，决定性影响因素是煤层底板标高。瓦斯含量与煤层底板标高的线性函数关系 y=-0.015x-4.184（其中因变量 y 为瓦斯含量，自变量 x为煤层底板标高）。2）采用多元线性回归的方式可知，瓦斯含量、可解析的瓦斯含量与煤层底板标高、煤层厚度和基岩厚度的多元线性关系为：y=-0.024x1-0.002x2-0.07x3-7.162、Y=-0.15x1-0.66x3-4.398（其中 y 为瓦斯含量、Y 为可解析瓦斯含量，x1为煤层底板标高，x2为煤层厚度，x3为基岩厚度），这种方法预测误差更小。3）根据瓦斯含量可以预测瓦斯涌出量，结合可解析瓦斯含量与多元影响因素的线性关系，可以推导出瓦斯涌出量与煤层底板标高、煤层厚度、基岩厚度的函数关系，q开=K1K2K3m/m0（-0.15x1-0.66x3-4.398），进一步可以计算工作面各个区域的瓦斯涌出量，预测得出工作面瓦斯涌出规律。【参考文献】1 俞启香，林柏泉.煤层瓦斯赋存与流动理论 M.北京：煤炭工业出版社，1997：17.2 王恩营.分层开采掘进工作面瓦斯涌出规律及预测 J.矿业安全与环保，2006，33（06）：88-90.3 Lunarzewaski LGas emission prediction and recovery in underground coal minesJIntJof Coal Geology，1998，35（01）：117-145.4 Klaus NoackControl of gas emission in underground coal mineJIntJof Coal Geology，1998，35（01）：57-82.5 瓦斯通风防灭火安全研究所.矿井瓦斯涌出量预测方法的发展与贡献J.煤矿安全，2003，34（Z1）：10-13.6 杜博，孙凯，高林生.瓦斯涌出量预测方法及实践应用 J.煤炭与化工，2014，37（04）：28-34.