張軍鵬

(山西煤炭進出口集團 鹿臺山煤業(yè)有限公司， 山西 沁水 048200)

煤層瓦斯是一種特殊的氣態(tài)地質(zhì)體，瓦斯的生成、賦存及運移受控于地質(zhì)條件[1]. 瓦斯地質(zhì)規(guī)律是瓦斯預(yù)測與瓦斯災(zāi)害防治的理論基礎(chǔ)。我國煤礦的開采實踐證實，煤層瓦斯的分布與煤與瓦斯突出是不均衡的，且主要受地質(zhì)條件的控制[2-4]. 準(zhǔn)確的瓦斯地質(zhì)區(qū)劃是瓦斯管理與瓦斯防治的基礎(chǔ)，對提高瓦斯分布的認(rèn)識、瓦斯預(yù)測精度等均具有重要的理論意義和實踐意義[5-7].

1 理論基礎(chǔ)

影響瓦斯賦存的地質(zhì)因素包括煤層埋藏深度、煤層圍巖、地質(zhì)構(gòu)造、煤的變質(zhì)程度、地下水活動、煤層厚度、巖漿侵入、陷落柱發(fā)育、地表沖積層厚度、煤質(zhì)等。在這些影響因素中，有些地質(zhì)因素對瓦斯含量的貢獻大，有些貢獻小，只有尋找出對瓦斯含量起決定性作用的因素，才能較真實地反映瓦斯的分布。瓦斯地質(zhì)區(qū)劃是瓦斯地質(zhì)學(xué)科的基礎(chǔ)理論，其核心是在眾多地質(zhì)影響因素中，通過對比分析，尋找出時間上和空間上的異同點以及能夠準(zhǔn)確區(qū)分瓦斯異常的標(biāo)志。

瓦斯地質(zhì)區(qū)劃的關(guān)鍵是尋找瓦斯地質(zhì)變量，影響瓦斯賦存的地質(zhì)因素都可以稱作瓦斯地質(zhì)變量。在這些眾多瓦斯地質(zhì)變量中，一些變量對瓦斯的影響是定量的，可以用數(shù)學(xué)關(guān)系式來表達，像埋深、煤層厚度等；而另一些瓦斯地質(zhì)變量對瓦斯的影響則是定性的和趨勢性的，不能直接用數(shù)學(xué)關(guān)系式來表達，像煤層頂板巖性、斷層、煤質(zhì)等。定性和定量瓦斯地質(zhì)變量則不能放在一起分析，需要通過一定的數(shù)學(xué)方法進行變量的轉(zhuǎn)換和統(tǒng)一。

傳統(tǒng)的瓦斯預(yù)測及分析是以單變量的一元統(tǒng)計回歸為基礎(chǔ)進行的，所建立的瓦斯預(yù)測模型僅考慮煤層埋藏深度這一指標(biāo)，其預(yù)測精度存在明顯不足，不能夠真實反映煤層瓦斯的分區(qū)與分帶[8].

2 瓦斯地質(zhì)變量篩選

瓦斯地質(zhì)變量篩選是指從眾多地質(zhì)因素中篩選出與瓦斯賦存或瓦斯突出直接或間接關(guān)聯(lián)的變量。通過瓦斯地質(zhì)分析，從定性的角度分析地質(zhì)因素與瓦斯因素之間的相關(guān)性，然后采用定量相關(guān)性選取相關(guān)性比較高的地質(zhì)因素。剛開始要盡可能多選，避免漏掉有用的信息，然后用數(shù)學(xué)的方法把不相關(guān)或相關(guān)性差的變量剔除掉。當(dāng)瓦斯地質(zhì)分析篩選的變量與數(shù)學(xué)方法篩選的變量不一致時，盡可能保留數(shù)學(xué)方法篩選上的定性變量。瓦斯地質(zhì)變量篩選方法包括：

1) 回歸分析。

回歸分析是用來研究某一變量與其它若干變量間的變化關(guān)系，可以確定自變量的變化對因變量的貢獻大小。通常包括一元線性回歸、多元線性回歸[9].

2) 判別分析。

判別分析是在分類確定情況下，按照特定的判別準(zhǔn)則建立一個或多個判別函數(shù)，依據(jù)某一瓦斯地質(zhì)變量的特征值判別其歸屬問題的一種多變量統(tǒng)計分析方法。

3) 因子分析。

因子分析是指從瓦斯地質(zhì)變量群中提取出共性因子的方法，這些共性因子對瓦斯含量的影響具有共性，因此可以將這些影響因子歸為一類變量。

4) 數(shù)量化理論I.

數(shù)量化理論是多元統(tǒng)計學(xué)的一個分支，是一種專門用來處理定性數(shù)據(jù)的多維度數(shù)據(jù)分析方法，可以把諸如煤層頂板巖性、斷層、褶皺等定性瓦斯地質(zhì)變量的定性影響進行定量化表征，也可以把定性和定量瓦斯地質(zhì)變量合二為一進行表征，是瓦斯地質(zhì)分析的一種新的方法。

3 瓦斯地質(zhì)區(qū)劃指標(biāo)

煤層瓦斯地質(zhì)區(qū)劃是通過定性和定量分析瓦斯地質(zhì)變量，篩選出相關(guān)性高的瓦斯地質(zhì)變量，然后按瓦斯地質(zhì)變量進行瓦斯等級的劃分。通常所采用的瓦斯地質(zhì)區(qū)劃指標(biāo)有瓦斯指標(biāo)和地質(zhì)指標(biāo)兩種。瓦斯指標(biāo)[10]包括瓦斯涌出指標(biāo)和瓦斯突出指標(biāo)，如瓦斯涌出量、瓦斯解吸指標(biāo)Δh2及K1等；地質(zhì)指標(biāo)包括地質(zhì)構(gòu)造、埋藏深度、頂板圍巖等，如斷層復(fù)雜程度、煤巖頂板巖性分區(qū)、圍巖透氣性、褶皺復(fù)雜程度、煤層傾角等。在進行瓦斯地質(zhì)變量篩選時，首先把定性變量量化為定量變量，采用數(shù)量化理論I，最終篩選出主控瓦斯地質(zhì)變量。

3.1 頂板巖性指標(biāo)

煤層直接頂板巖性反映了煤層沉積環(huán)境的變化，不同巖性的巖層對瓦斯的保存能力差異明顯，但這些差異是定性的，為研究方便，把這些定性變量按數(shù)學(xué)方法進行量化。定性變量可以用二態(tài)變量來表示，即用“0”和“1”表示其屬性的“無”和“有”。如泥巖頂板可表示為(1，0)，砂巖頂板表示為(0，0).

3.2 瓦斯涌出指標(biāo)

瓦斯涌出大小直接反映了煤層瓦斯高低，可以采用絕對瓦斯涌出量大小來表示，如：<5 m3/min、5～10 m3/min、10～15 m3/min、>15 m3/min.

3.3 地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度指標(biāo)

煤礦常見的構(gòu)造類型包括斷層和褶皺。

3.3.1褶皺復(fù)雜程度指標(biāo)

褶皺復(fù)雜程度一般用褶皺剖面變形系數(shù)來表示[11]，但因操作不便利限制了其具體應(yīng)用。而煤層底板等高線的彎曲形態(tài)可以近似反映褶皺在三維空間的復(fù)雜程度，和其剖面上反映褶皺的變形復(fù)雜程度具有相似性。煤層底板等高線圖上等高線的彎曲程度可采用平面變形系數(shù)[12]Kp來量化褶皺的復(fù)雜性：

(1)

式中：

Kp—平面變形系數(shù)；

l1、l2、l3—統(tǒng)計單元等高線的實際長度、割線長度、相鄰等高線的平距，m；

h—相鄰兩條等高線的高程差，m.

式(1)中參數(shù)取值見圖1.

圖1 褶皺平面變形系數(shù)Kp計算方法示意圖

3.3.2斷層復(fù)雜程度指標(biāo)

斷層復(fù)雜程度指標(biāo)采用斷層復(fù)雜程度指數(shù)F來評價：

(2)

式中：

F—斷層復(fù)雜指數(shù)；

H—斷層落差，m；

L—斷層延展長度，m；

n—斷層條數(shù)；

S—統(tǒng)計單元面積，m2.

3.4 圍巖透氣性指標(biāo)

圍巖透氣性是指煤層頂板一定厚度范圍內(nèi)不同巖性組合的透氣性，可用K圍表示[13]：

(3)

式中：

K圍—圍巖透氣性系數(shù)；

Mi—煤層頂板第i層厚度，m；

Ki—煤層頂板第i層透氣性校正系數(shù)；

Hi—煤層頂板第i層至煤層頂板的距離，m.

圍巖透氣性系數(shù)校正表見表1，透氣性系數(shù)計算示意圖見圖2.

表1 圍巖透氣性系數(shù)校正表

圖2 圍巖透氣性系數(shù)計算示意圖

4 鹿臺山煤礦瓦斯地質(zhì)區(qū)劃

4.1 礦井概況

鹿臺山煤礦2015年9月正式投產(chǎn)，設(shè)計生產(chǎn)能力60萬t/a，開采C-P系2號、15號煤層，采用斜井單一水平開拓，中央分列式抽出通風(fēng)方式，正常條件下一采二掘接替。井田2號煤層瓦斯含量最大15.18 m3/t，井田構(gòu)造為一向N緩傾的單斜構(gòu)造，地層產(chǎn)狀走向近EW向，井田揭露斷層43條，其中正斷層35條，逆斷層8條，斷層落差最大4.0 m，最小0.5 m，歷年礦井瓦斯等級為高瓦斯礦井。

4.2 瓦斯地質(zhì)變量篩選

鹿臺山煤礦目前開采2號煤層，煤層厚度賦存穩(wěn)定，整個井田瓦斯南低北高，局部瓦斯異常。通過瓦斯地質(zhì)定性分析，煤層埋藏深度、頂板巖性及透氣性系數(shù)、地質(zhì)構(gòu)造是影響本井田瓦斯賦存的主要地質(zhì)因素。為了便于更準(zhǔn)確分析瓦斯賦存規(guī)律和篩選瓦斯地質(zhì)變量，在此采用數(shù)量化理論I對瓦斯地質(zhì)變量進行篩選。

4.2.1統(tǒng)計單元劃分

瓦斯地質(zhì)數(shù)學(xué)模型是以已知統(tǒng)計單元為樣本建立起來的。要建立預(yù)測瓦斯含量的數(shù)學(xué)模型，首先需要在預(yù)測煤層的已采區(qū)域劃分統(tǒng)計單元。根據(jù)鹿臺山煤礦已采區(qū)的實際情況，在1∶5 000的煤層底板等高線圖上，以工作面每兩個月回采塊段的相對中心位置作為已知統(tǒng)計單元的實際采樣點位置參與瓦斯含量的模型計算，已采區(qū)共劃分32個統(tǒng)計單元。

4.2.2變量選擇和取值

采用數(shù)量化理論I建立瓦斯含量的預(yù)測模型，瓦斯含量為因變量，各種影響因素為自變量。

1) 因變量。以統(tǒng)計單元中心點實測瓦斯含量為因變量。

2) 自變量。自變量選取煤層埋深、頂板巖性、圍巖透氣性、褶皺平面變形系數(shù)、煤層底板標(biāo)高、煤厚等6個指標(biāo)，分別在每個統(tǒng)計單元中心點對上述6個地質(zhì)指標(biāo)進行取值。

4.2.3瓦斯含量預(yù)測模型

采用瓦斯地質(zhì)數(shù)學(xué)模型軟件，經(jīng)過變量檢驗、篩選和調(diào)整，用數(shù)學(xué)方法剔除了部分相差性差的變量，隨機抽取3、13、23三個未參與數(shù)學(xué)模型建立的統(tǒng)計單元，作為對預(yù)測模型的檢驗，最終建立瓦斯含量與瓦斯地質(zhì)變量間的數(shù)學(xué)模型：

W=0.042dl(1)-12.52dx(1，1)-

11.07dx(1，2)+2.53dx(2，2)

(4)

式中：

W—瓦斯含量，m3/t；

dl(1)—埋藏深度，定量變量，m；

dx(1,1)—30 m圍巖透氣性系數(shù)項目“≤0.3”類目之反應(yīng)；

dx(1,2)—30 m圍巖透氣性系數(shù)“>0.3”類目之反應(yīng)；

dx(2,2)—褶皺平面變形系數(shù)Kp“>0.5”類目之反應(yīng)。

4.2.4預(yù)測模型精度檢驗

1) 理論檢驗。

為驗證所篩選的瓦斯地質(zhì)變量對瓦斯含量的影響程度，對每個自變量進行顯著性檢驗，以Ri和ti表示瓦斯含量與埋藏深度(i=1)、頂板30 m圍巖透氣性系數(shù)(i=2)、褶皺平面變形系數(shù)(i=3)的偏相關(guān)系數(shù)及其t統(tǒng)計量，R為復(fù)相關(guān)系數(shù)，計算結(jié)果如下：

(5)

2) 實際檢驗。

把3個未參與預(yù)測模型建立的統(tǒng)計單元數(shù)值代入預(yù)測模型，預(yù)測瓦斯含量分別為13.56 m3/t、9.72 m3/t、8.55 m3/t，實測瓦斯含量分別為14.28 m3/t、10.21 m3/t、9.26 m3/t，相對誤差分別為5.04%、4.80%、7.67%，平均誤差5.84%(表2)，預(yù)測精度<10%，可以滿足未采區(qū)瓦斯含量預(yù)測。

表2 2號煤層預(yù)測效果檢驗表

4.3 鹿臺山煤礦瓦斯地質(zhì)區(qū)劃

依據(jù)鹿臺山煤礦瓦斯地質(zhì)變量篩選結(jié)果可知，煤層埋藏深度和褶皺平面變形系數(shù)是影響瓦斯異常分布的主要地質(zhì)因素。在此按埋深和褶皺平面變形系數(shù)來預(yù)測煤層瓦斯含量，將鹿臺山煤礦劃分為兩個瓦斯地質(zhì)單元，見圖3.

① 號瓦斯地質(zhì)單元東部煤層褶皺平面變形系數(shù)大，西部小，瓦斯在相同深度西部大，東部稍小。

② 號瓦斯地質(zhì)單元煤層褶皺平面變形系數(shù)小，埋藏較淺，且南部靠近煤層露頭，煤層瓦斯含量均在8 m3/t以下。

5 結(jié) 論

1) 提出了圍巖透氣性、褶皺復(fù)雜程度、斷層復(fù)雜程度、頂板巖性4項定性瓦斯地質(zhì)變量的量化技術(shù)與方法。

2) 對影響鹿臺山煤礦2號煤層瓦斯含量的瓦斯地質(zhì)指標(biāo)進行了量化歸一，建立瓦斯含量與各地質(zhì)因素的數(shù)學(xué)模型，驗證了各瓦斯地質(zhì)變量之間的關(guān)聯(lián)度，經(jīng)理論和實踐驗證其精度較高，可滿足瓦斯煤礦安全生產(chǎn)。

圖3 鹿臺山煤礦瓦斯地質(zhì)區(qū)劃圖

3) 利用建立的數(shù)學(xué)模型，對鹿臺山煤礦2號煤層進行了瓦斯地質(zhì)區(qū)劃，劃分出瓦斯地質(zhì)單元①和②.