程 波 顏文學(xué) 楊 亮 何顯能

(1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點實驗室，重慶市沙坪壩區(qū)，400037；2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶市沙坪壩區(qū)，400037)

煤礦瓦斯涌出量預(yù)測是礦井編制瓦斯災(zāi)害治理規(guī)劃的基礎(chǔ)，不僅決定了井下瓦斯抽采鉆孔施工與管道敷設(shè)的工程量，同時與地面泵站的建設(shè)規(guī)模息息相關(guān)。在制定煤礦通風(fēng)方案時，瓦斯涌出量預(yù)測結(jié)果亦是其中的重要依據(jù)。目前，我國煤炭行業(yè)普遍采用《礦井瓦斯涌出量預(yù)測方法》(AQ1018-2006)中推薦的礦山統(tǒng)計法與分源預(yù)測法實施瓦斯涌出量的預(yù)測分析。但由于我國煤層瓦斯賦存與煤炭開采條件大相徑庭，造成現(xiàn)有瓦斯涌出量預(yù)測方法在工程應(yīng)用中存在不完善的問題，該方法的發(fā)展需要突破許多的理論、技術(shù)瓶頸。

鑒于此，本文首先分析了煤礦瓦斯涌出量的主要因素，重點介紹了當(dāng)前我國煤炭行業(yè)普遍采用的《礦井瓦斯涌出量預(yù)測方法》(AQ1018-2006)在工程應(yīng)用中存在的不足，并著重對近年來新興的基于煤層瓦斯流動理論、趨勢預(yù)測的涌出量預(yù)測方法理論進行了系統(tǒng)的梳理，對未來的發(fā)展方向與有待于進一步研究的問題進行了總結(jié)。

1 煤礦瓦斯涌出量主要影響因素

處于原巖應(yīng)力狀態(tài)的煤體，瓦斯氣體以吸附與游離的形態(tài)賦存于煤體的孔隙、裂隙系統(tǒng)內(nèi)，且處于一定的動態(tài)平衡狀態(tài)[1]。受煤礦井下采掘作業(yè)的影響，煤體內(nèi)富集瓦斯的平衡狀態(tài)將破壞，致使瓦斯氣體自煤體內(nèi)以滲流或擴散的形式進入采掘空間[2]。影響煤礦瓦斯涌出量的因素眾多，除煤層自身的瓦斯地質(zhì)條件以外，還與采掘作業(yè)的強度密切相關(guān)。煤層自身的瓦斯地質(zhì)條件包含煤層瓦斯含量、煤層透氣性系數(shù)、瓦斯擴散特性、煤層厚度、圍巖特征等。煤層瓦斯含量越高、煤層透氣系數(shù)較大時，表明煤體內(nèi)瓦斯的富集程度越高，瓦斯運移的阻力越小，勢必其瓦斯涌出量越大。同時，在煤礦井下采掘作業(yè)過程中，由煤炭開采或者井下巷道掘進所引發(fā)的采動影響，將使得煤層的圍巖發(fā)生變形、破裂，從而導(dǎo)致鄰近層的瓦斯發(fā)生“越流”，并進入井下的采掘空間[1-2]。不同巖性的圍巖組合，其在煤炭開采或巷道掘進中將造成不同程度的卸壓瓦斯涌出。

同時，開采或掘進產(chǎn)生的煤炭，其內(nèi)部賦存的瓦斯，將以擴散的形式進入到采掘空間內(nèi)。因此，煤礦瓦斯涌出量還與礦井的煤炭開采能力、掘進工藝有關(guān)。

2 礦山統(tǒng)計法與分源預(yù)測法

礦山統(tǒng)計法與分源預(yù)測法是《礦井瓦斯涌出量預(yù)測方法》(AQ1018-2006)中列舉的兩種不同的瓦斯涌出量預(yù)測方法。礦山統(tǒng)計法是根據(jù)本礦井或者相鄰礦井在開采過程中的實際瓦斯涌出數(shù)據(jù)的分析，獲得瓦斯涌出量與礦井開采深度之間關(guān)聯(lián)的映射規(guī)律。分源預(yù)測法是依據(jù)煤礦井下采掘的時空條件，將瓦斯涌出量的來源進行科學(xué)劃分，進一步獲得礦井瓦斯涌出量的方法。筆者針對以上兩種瓦斯涌出量預(yù)測方法的特點及適用條件進行分析。

2.1 礦山統(tǒng)計法

礦山統(tǒng)計法的本質(zhì)在于通過礦井或者相鄰礦井的瓦斯涌出數(shù)據(jù)分析，尋求瓦斯涌出量與礦井開采深度之間關(guān)聯(lián)映射規(guī)律的方法。該種方法的應(yīng)用前提，首先假定了礦井的瓦斯涌出量與開采深度之間屬一一對應(yīng)的映射函數(shù)關(guān)系，即：

(1)

式中：q——礦井相對瓦斯涌出量；

H——開采深度；

H0——瓦斯風(fēng)化帶深度；

α——相對瓦斯涌出量隨開采深度的變化梯度。

但實際煤礦瓦斯的涌出是多種因素共同作用的結(jié)果，單純將瓦斯涌出量與開采深度相聯(lián)系，不能真實客觀地反映煤礦瓦斯涌出量隨煤炭開采的演化特征。因此，礦山統(tǒng)計法在實際中的適用范圍受到一定的限制，目前行業(yè)相關(guān)技術(shù)人員大多采用《礦井瓦斯涌出量預(yù)測方法》(AQ1018-2006)推薦的分源預(yù)測法。

2.2 分源預(yù)測法

分源預(yù)測法與礦山統(tǒng)計法相比，較好地闡釋了煤礦瓦斯涌出量與各主要影響因素之間的關(guān)聯(lián)。該方法在我國煤礦瓦斯災(zāi)害治理與通風(fēng)管理中發(fā)揮了重要作用。但我國諸多高瓦斯或煤與瓦斯突出礦井的煤層瓦斯地質(zhì)與采掘作業(yè)方式差別很大[2]，致使在應(yīng)用分源預(yù)測法的過程中，仍然存在與現(xiàn)場工程實際不適用的情況[4-5]。例如：針對開采煤層的瓦斯涌出，分源預(yù)測法中列舉了薄及中厚煤層不分層開采與厚煤層分層開采兩種情況，但實際我國已有諸多的厚-特厚高瓦斯煤層采用放頂煤回采的工藝，并且《礦井瓦斯涌出量預(yù)測方法》(AQ1018-2006)中僅列舉了厚煤層分層數(shù)小于或者等于4層煤開采的涌出量預(yù)測方法，但目前我國國家能源投資集團新疆能源公司烏東礦區(qū)屬急傾斜特厚煤層多分層開采條件，其分層數(shù)目大于4層煤[6]，該類礦井在采用分源預(yù)測法時，存在選擇空白的難題。

此外，對于煤的殘余瓦斯含量Wc的取值，筆者認為《礦井瓦斯涌出量預(yù)測方法》(AQ1018-2006)中對其數(shù)值的選定尚需進一步商榷?！兜V井瓦斯涌出量預(yù)測方法》(AQ1018-2006)附錄C中，將煤的殘余瓦斯含量Wc的取值選定分為高變質(zhì)煤瓦斯含量大于10 m3/(t·r)與小于10 m3/(t·r)兩種情況。筆者認為：煤的殘余瓦斯含量實際為煤炭在運出礦井后，其內(nèi)部所殘余的瓦斯含量，該數(shù)值與煤炭的塊度、運輸時間有關(guān)。現(xiàn)場的諸多實踐表明：在應(yīng)用《礦井瓦斯涌出量預(yù)測方法》(AQ1018-2006)中列舉的殘余瓦斯含量計算公式進行計算時，時常發(fā)生計算值近乎于0的情況，這勢必與實際不符?，F(xiàn)場諸多技術(shù)人員在面臨該問題時，實際大多將瓦斯含量計算方程中的瓦斯壓力數(shù)值設(shè)定為0.1 MPa，進而將計算的結(jié)果認定為煤的殘余瓦斯含量。因此，筆者建議在煤的殘余瓦斯含量取值方法時應(yīng)建立統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，便于現(xiàn)場作業(yè)的科學(xué)管理。

另外，針對巷道掘進過程落煤的瓦斯涌出量預(yù)測，《礦井瓦斯涌出量預(yù)測方法》(AQ1018-2006)采用：

q4=S·v·γ·(W0-Wc)

(2)

式中：q4——煤巷掘進落煤的瓦斯涌出量；

S——掘進巷道的斷面積；

v——巷道的平均掘進速度；

γ——煤的密度。

單從式(2)所闡釋的物理意義來分析，《礦井瓦斯涌出量預(yù)測方法》(AQ1018-2006)實際將掘進作業(yè)產(chǎn)生的落煤在煤礦井下采掘空間內(nèi)逸散的瓦斯量，認定為落煤瓦斯涌出量。在煤巷掘進作業(yè)時，應(yīng)用式(2)計算的數(shù)值可很好地反映落煤瓦斯的涌出特征；但在半煤巖巷道掘進過程中，應(yīng)用式(2)計算落煤瓦斯涌出量時，若采用掘進巷道的斷面積，則與其初衷的物理意義不符。筆者認為應(yīng)將式(2)中引用的S定義為“掘進巷道見煤的斷面面積”更為合理。

3 基于煤層瓦斯流動理論與瓦斯地質(zhì)方法的涌出量預(yù)測方法

在描述煤巷掘進過程中瓦斯涌出規(guī)律的數(shù)學(xué)物理模型中，應(yīng)用最廣泛的是線性滲流模型[7-9]。此外，研究人員還提出了其他模型，比如多物理場耦合作用模型、非線性滲流模型等[2]，其核心是以瓦斯在煤體內(nèi)的流動特征為基礎(chǔ)。但由于以該類模型構(gòu)建煤巷掘進過程中瓦斯涌出規(guī)律的數(shù)學(xué)物理方程解算過程極其復(fù)雜，因而在實際應(yīng)用中較少采用。所以本文主要介紹線性滲流模型。線性滲流模型認為，在煤層瓦斯流動的過程中，瓦斯流動速度與瓦斯壓力梯度之間服從線性函數(shù)的關(guān)系。我國學(xué)者以此為基礎(chǔ)，將煤巷掘進過程煤壁的瓦斯涌出定義為無限長邊界的非穩(wěn)定流動，推導(dǎo)了相應(yīng)的煤層瓦斯壓力分布的分析解[7-8]，進一步獲得了相應(yīng)條件下煤層瓦斯的涌出量。但文獻[7-8]中建立的煤巷掘進瓦斯涌出方程是以某一特定空間為基礎(chǔ)，未涉及煤巷掘進速度對瓦斯涌出特征的影響。文獻[9]則考慮了煤巷掘進速度對煤巷掘進瓦斯涌出量的影響，采用積分的方法建立了掘進巷道瓦斯涌出連續(xù)預(yù)測模型。但煤巷掘進過程中瓦斯的涌出實際是多因素綜合作用的結(jié)果，隨著煤巷掘進作業(yè)的進行，暴露于大氣內(nèi)的煤壁面積不斷增大，瓦斯不斷進入采掘空間，因而煤體內(nèi)的瓦斯含量不斷降低，煤體的滲透特性隨之發(fā)生變化[2]。但上述掘進巷道瓦斯涌出預(yù)測模型均未考慮煤體滲透特性變化的影響。

雖然基于線性滲流的煤巷瓦斯涌出量預(yù)測模型未充分考慮各因素對煤巷掘進瓦斯涌出特征的影響，但是它能夠?qū)γ簩雍穸?、瓦斯含量等因素與瓦斯涌出量之間的關(guān)聯(lián)提供較好的解釋。另外一些研究人員以煤礦瓦斯地質(zhì)理論為基礎(chǔ)，通過篩選影響瓦斯涌出量變化的主要地質(zhì)因素，綜合考慮包括開采深度在內(nèi)的多種影響因素，利用數(shù)量化理論，建立預(yù)測瓦斯涌出量的多因素數(shù)學(xué)地質(zhì)模型[10]，并在淮南礦區(qū)取得了較好的應(yīng)用效果。瓦斯含量及涌出量預(yù)測數(shù)學(xué)地質(zhì)模型的建立首先依賴于大量煤礦井下實測瓦斯含量數(shù)據(jù)與地質(zhì)因素關(guān)聯(lián)的分析，而后通過數(shù)據(jù)的對比，剔除相關(guān)性差的地質(zhì)因素。

筆者認為：該種方法需獲取大量的井下實測數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，若基礎(chǔ)數(shù)據(jù)較少，則該數(shù)學(xué)地質(zhì)模型無法精準(zhǔn)反映瓦斯含量或瓦斯涌出量與各地質(zhì)主控因素之間的關(guān)系。且瓦斯涌出量的大小除了與地質(zhì)主控因素相關(guān)以外，還與煤炭的開采強度或煤巷掘進作業(yè)的效率相關(guān)，但數(shù)學(xué)地質(zhì)模型尚未考慮開采或掘進因素的影響。

4 基于數(shù)據(jù)分析的涌出量預(yù)測方法

由于煤礦井下瓦斯涌出的物理過程非常復(fù)雜，至今都很難用數(shù)學(xué)物理學(xué)方法對這個過程進行精準(zhǔn)建模。以下筆者將介紹一種不過分依賴物理方法的模型——基于數(shù)據(jù)分析的涌出量預(yù)測模型[11-18]。

煤礦瓦斯?jié)舛缺O(jiān)控技術(shù)的快速發(fā)展，積累了大量高質(zhì)量的瓦斯涌出量數(shù)據(jù)，為基于數(shù)據(jù)分析的瓦斯涌出量預(yù)測提供了有效訓(xùn)練的可能?；跀?shù)據(jù)分析的瓦斯涌出量預(yù)測模型的核心是構(gòu)建各自變量與瓦斯涌出量之間關(guān)聯(lián)的數(shù)學(xué)函數(shù)。前面描述的基于煤層瓦斯流動理論的涌出量預(yù)測方法就是通過數(shù)學(xué)物理方法推導(dǎo)出瓦斯涌出量的表達形式，而基于數(shù)據(jù)分析的預(yù)測方法則是利用數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)模型結(jié)合基于大規(guī)模數(shù)據(jù)的訓(xùn)練，以代替數(shù)學(xué)物理方法得到的有效預(yù)測模型。很多研究人員嘗試使用數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)方法來解決瓦斯涌出量預(yù)測問題[11-18]。基于數(shù)據(jù)分析的預(yù)測方法目前可分為兩大類：一是為逐步回歸分析預(yù)測方法，比如瓦斯涌出量預(yù)測多元回歸模型、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分源預(yù)測模型、基于ACC-ENN算法的煤礦瓦斯涌出量動態(tài)預(yù)測模型等[11-13]；二是為基于深度學(xué)習(xí)的預(yù)測方法，包括固有模態(tài)SVM、基于LMD-SVM 的瓦斯涌出量預(yù)測模型等[14-18]。本文主要介紹這兩大類的瓦斯涌出量預(yù)測方法。

4.1 逐步回歸分析預(yù)測方法

文獻[11]首先分析了影響工作面瓦斯涌出量的各主要地質(zhì)因素、工程因素對其數(shù)值的影響，并甄選了煤層瓦斯含量、煤層透氣性系數(shù)和回采效率3個指標(biāo)作為自變量，并應(yīng)用多元回歸預(yù)測理論，建立了相應(yīng)的計算模型。文獻[12]利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分別預(yù)測開采煤層、鄰近煤層、采空區(qū)3種來源的瓦斯涌出量，其中在考慮如何量化層間巖性時，采用了圍巖硬度加權(quán)平均值作為輸入值。該方法屬于改進型的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測方法。文獻[13]將蟻群聚類算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合起來，充分利用蟻群聚類算法得到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)權(quán)值和閾值。該方法應(yīng)用蟻群聚類算法彌補了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)速度慢、精度低的缺陷，具有更快的收斂速度和更高的預(yù)測精度。

以上預(yù)測方法的提出代替了基于數(shù)學(xué)物理方法構(gòu)建的預(yù)測模型[11-13]，文獻[11-13]對影響瓦斯涌出量的因素進行了分類，使得該類模型更容易學(xué)習(xí)到一類數(shù)據(jù)中的規(guī)律，也是上述模型能夠提升精確度的關(guān)鍵。與此同時，這也給瓦斯涌出量的準(zhǔn)確預(yù)測帶來了一定的復(fù)雜性。例如在上述模型進行訓(xùn)練時[11-13]，每個模型均獲取大量可用的數(shù)據(jù)樣本，但是某些地質(zhì)條件復(fù)雜的礦井卻無法獲得大量數(shù)據(jù)，在一定程度上限制了模型的擴展性。

4.2 基于深度學(xué)習(xí)的預(yù)測方法

基于逐步回歸分析預(yù)測方法取得了一定的成效，但隨著數(shù)學(xué)理論的發(fā)展，研究人員也將灰色系統(tǒng)理論應(yīng)用到煤礦瓦斯涌出量預(yù)測問題上[14-18]。相比逐步回歸分析預(yù)測方法，基于深度學(xué)習(xí)的預(yù)測方法近年來被證明可以不用人為設(shè)計特征只需要大量數(shù)據(jù)，即可使得模型在數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)到所需要的參數(shù)和特征[14-18]。文獻[14-16]基于大量的瓦斯涌出量的樣本數(shù)據(jù)，通過分解得出其固有模態(tài)函數(shù)，而后每個固有模態(tài)分別利用SVM函數(shù)擬合方法進行外推預(yù)測，最終將不同固有模態(tài)的預(yù)測結(jié)果進行疊加重構(gòu)合成，借以獲得瓦斯涌出量的預(yù)測結(jié)果。文獻[17]首先建立了改進的GM (1，1)模型，而后將其與馬爾柯夫模型相結(jié)合，構(gòu)建了改進的灰色馬爾柯夫模型。文獻[18]將灰色預(yù)測與分源預(yù)測相結(jié)合，用灰色理論對回采工作面的相對瓦斯涌出量和掘進工作面的絕對瓦斯涌出量作長期預(yù)測，再將預(yù)測結(jié)果代入分源預(yù)測計算公式中，對礦井相對瓦斯涌出量進行預(yù)測。由于以上模型不依賴任何前提假設(shè)[14-18]，所以該類模型在瓦斯涌出量預(yù)測問題上具有很好的可擴展性。

研究人員將深度學(xué)習(xí)應(yīng)用到瓦斯涌出量預(yù)測的問題上并取得很好的效果，展現(xiàn)了深度學(xué)習(xí)在該問題上應(yīng)用的潛力[14-18]。但是基于深度學(xué)習(xí)的數(shù)學(xué)模型獲得的計算結(jié)果缺乏可解釋性，導(dǎo)致無法直接將數(shù)據(jù)分析得到的規(guī)律轉(zhuǎn)化成煤體內(nèi)瓦斯涌出過程的物理規(guī)律。

5 結(jié)語

煤礦瓦斯涌出量的預(yù)測方法研究一直在發(fā)展，還有很多可以提升的空間。究其原因是由于煤礦井下瓦斯涌出的規(guī)律太過復(fù)雜，暫時無法完全了解并建模其中的規(guī)律。基于煤層瓦斯流動理論、數(shù)學(xué)地質(zhì)模型和基于數(shù)據(jù)分析的預(yù)測方法對于煤礦瓦斯涌出量的預(yù)測各有長短：基于煤層瓦斯流動理論的預(yù)測方法注重于煤礦井下回采或掘進工作面瓦斯?jié)B透規(guī)律的探索與研究，但由于無法精細描述煤體內(nèi)的瓦斯運移過程，所以模型需要一些前提假設(shè)的輔助；基于數(shù)學(xué)地質(zhì)模型的預(yù)測方法立足于理清瓦斯含量與各地質(zhì)主控因素之間的關(guān)聯(lián)，并進一步以此為基礎(chǔ)，尋求瓦斯涌出量與地質(zhì)條件之間的映射規(guī)律；基于數(shù)據(jù)分析的預(yù)測方法更加注重瓦斯涌出量預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性，它的主要目標(biāo)是從已有的歷史數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)如何更準(zhǔn)確地預(yù)測未知的瓦斯涌出量。

隨著技術(shù)的發(fā)展，尤其是人工智能學(xué)習(xí)技術(shù)的發(fā)展，以及大量煤礦井下瓦斯涌出量數(shù)據(jù)的積累，基于數(shù)據(jù)分析的計算結(jié)果準(zhǔn)確性有較大提高。遺憾的是基于數(shù)據(jù)分析的預(yù)測結(jié)果缺乏可解釋性，導(dǎo)致無法直接將數(shù)據(jù)分析得到的規(guī)律轉(zhuǎn)化成煤體內(nèi)瓦斯涌出過程的物理規(guī)律。所以，有機結(jié)合基于煤層瓦斯流動理論、瓦斯地質(zhì)與數(shù)據(jù)分析的方法，將是未來的一個重要研究方向。