基于多元回歸分析的瓦斯含量影響因素研究

陳國軍，楊 伐

（1.安徽理工大學(xué) 地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南232001；2.淮南礦業(yè)集團(tuán) 潘二煤礦，安徽 淮南232003）

1 概述

煤層氣是形成并儲存于煤層中的非常規(guī)天然氣，其主要成分有氮?dú)?、甲烷、一氧化碳，在煤礦生產(chǎn)中俗稱瓦斯。煤礦的安全開采往往受瓦斯的影響與制約，因而研究瓦斯的分布特征和規(guī)律顯得尤為重要。然而，在同一個井田內(nèi)不同煤層、同一煤層不同地點(diǎn)受各種地質(zhì)因素的綜合作用，導(dǎo)致瓦斯含量變化較大，突變的情況也時有發(fā)生。

目前，對瓦斯含量的預(yù)測包括定性預(yù)測和定量預(yù)測兩個方面。常用的方法有：模糊綜合評價法、灰色關(guān)聯(lián)分析法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、等溫吸附曲線法、溫度－壓力－吸附曲線法、煤級－灰分－含氣性類比法、多元回歸分析法等，各種方法都有自身的適用條件。在有限的費(fèi)用和瓦斯含量數(shù)據(jù)的前提下，需要一種簡單有效的計算方法來進(jìn)行瓦斯含量的預(yù)測。本文以淮南煤田潘二井田3煤層為例，采用多元回歸分析法建立地質(zhì)變量與多個變量之間的關(guān)系模型，對瓦斯含量有關(guān)問題進(jìn)行探討。

2 井田地質(zhì)概況

潘二井田西起Ⅸ線，東至13－1煤層－800m等高線地面投影，北界起于F1及其延長線，經(jīng)F66、F1－3至13－1煤層－800m等高線地面投影，南界由F5向東經(jīng)Ⅵ線、背斜軸、Ⅳ－Ⅴ線、F2至13－1煤層－800m底板等高線地面投影。東西走向長約11km，南北寬1.3～3km，面積19.6518km2。本井田位于陶王背斜及其轉(zhuǎn)折端。陶王背斜是形態(tài)完整的短軸背斜，長軸約7km，長短軸之比為1∶2，軸向北西55°～60°。陶王背斜北有F66、F68逆沖斷層，南有F5、F3逆斷層組，兩組逆斷層將背斜夾于其間，它們均屬潘集背斜的擠壓構(gòu)造成分，其中北翼逆沖斷層規(guī)模大，是典型的逆沖迭瓦狀構(gòu)造（見圖1）。本井田含煤地層為石炭、二疊系，其中二疊系下統(tǒng)山西組3煤層是主采煤層，煤層厚度2.09～9.17m，平均5.07m，可采指數(shù)為1，變異系數(shù)25.80%，屬穩(wěn)定煤層，煤巖組分以亮煤為主，其次為鏡煤、暗煤，煤類為1／3焦煤。

圖1 潘二井田構(gòu)造示意

3 瓦斯含量預(yù)測參數(shù)的選取

煤層集生氣層和儲集層于一體。煤層的生氣量與成煤物質(zhì)和煤變質(zhì)程度有關(guān)；其儲氣能力與煤的變質(zhì)程度、煤巖成分和氣體壓力等因素有關(guān)；而壓力又與煤儲層的埋深、區(qū)域水文地質(zhì)條件、氣生成量有關(guān)；除煤層自身?xiàng)l件外，煤儲層的保存條件對煤層氣含量也有重要的影響。這些諸多影響因素以及復(fù)雜的相互配置關(guān)系造成了煤層氣含量的差異變化。在這些影響因素中，有些地質(zhì)因素是可以直接測量得到，比如煤層厚度、埋深、頂板巖性、灰分與水分含量、鏡質(zhì)組反射率等。根據(jù)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)，本文選取了4個地質(zhì)因素—煤層厚度、埋深、頂板巖性、頂板向上5 m內(nèi)砂巖厚度，通過研究它們與瓦斯含量的關(guān)系，對潘二井田3煤層的瓦斯含量進(jìn)行了預(yù)測。表1為潘二井田3煤層的參數(shù)統(tǒng)計。其中煤層頂板巖石類型分為泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、細(xì)砂巖、中砂巖和粗砂巖6種類型，按它們對煤層氣保存條件的影響程度依次賦值為0、1、2、3、4和5；頂板5m內(nèi)砂巖厚度是指煤層頂面向上起算5m范圍內(nèi)砂巖層厚度的總和。

表1 潘二井田3煤層瓦斯含量與其相關(guān)因素樣本

4 計算過程

運(yùn)用SPSS統(tǒng)計軟件對表1相關(guān)參數(shù)進(jìn)行線性回歸分析，得到如下回歸方程：

回歸方程（1）的復(fù)相關(guān)系數(shù) R2＝0.471、統(tǒng)計量F＝2.898、顯著性P＝0.064。對方程進(jìn)行顯著性F檢驗(yàn)，取顯著性水平a＝0.1，F(xiàn)＞F1－0.1（4，18－4－1）＝2.43；同時對方程用P值法作檢驗(yàn)，P＝0.064＜a＝0.1。由此可知，在顯著性水平為0.1的統(tǒng)計意義上回歸方程是顯著的。經(jīng)計算自變量X1、X2、X3和X4的顯著性P值分別為：0.022、0.83、0.077、0.308，顯而易見，自變量 X2和 X4沒有通過顯著性檢驗(yàn)。對此作進(jìn)一步逐步回歸分析，其中偏F統(tǒng)計量的兩個臨界值，一個用作選取自變量FE＝0.05，另一個用作剔除自變量FD＝0.1，得到如下回歸方程：

回歸方程（2）的復(fù)相關(guān)系數(shù) R2＝0.3、統(tǒng)計量 F＝6.624、顯著性P＝0.02。取顯著性水平a＝0.05，對方程進(jìn)行顯著性F檢驗(yàn)，F(xiàn)＞F1－0.05（1，18－1－1）＝4.49；同時對方程用P值法作檢驗(yàn)，P＝0.02＜a＝0.05。由此可知，在顯著性水平為0.05的統(tǒng)計意義上回歸方程是顯著的，并且自變量X1通過顯著性檢驗(yàn)，剔除了自變量X2、X3和X4。

5 結(jié)語

1）利用回歸線性方程分析了瓦斯含量與埋深、煤厚、頂板巖性、頂板5m范圍內(nèi)的砂巖厚度之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)煤厚、頂板巖性和頂板5m范圍內(nèi)的砂巖厚度對于瓦斯含量的變化影響較小，只有埋深有較大影響。提出的瓦斯含量數(shù)學(xué)模型有較好的顯著性，但是得出的結(jié)果只是預(yù)測值，實(shí)際的瓦斯含量只能接近預(yù)測值，甚至受到其它地質(zhì)因素的影響，有些實(shí)際值遠(yuǎn)離預(yù)測值。

2）由于瓦斯含量的變化是多種地質(zhì)因素綜合作用的結(jié)果，各種地質(zhì)因素的不確定性導(dǎo)致瓦斯含量預(yù)測是一個極為復(fù)雜的工作。受實(shí)際條件的制約，本文提出的瓦斯含量數(shù)學(xué)模型的復(fù)相關(guān)系數(shù)R2＝0.3，說明因變量埋深只能解釋30%的自變量瓦斯含量的變化，其余變化部分是由于其它的地質(zhì)因素如地質(zhì)構(gòu)造、煤的變質(zhì)程度等影響所致，有待于進(jìn)一步研究。這里為潘二井田3煤層瓦斯含量預(yù)測提供了一種有效可行的方法。

3）由樣本數(shù)據(jù)可得瓦斯含量平均為6.38m3／t，陶王背斜核部的瓦斯含量平均為5.24m3／t，背斜核部的瓦斯含量明顯較??；同時東部采區(qū)瓦斯含量平均為6.5m3／t，西部采區(qū)瓦斯含量平均為5.1m3／t，存在明顯差異性。潘二井田3煤層瓦斯含量分布總體呈現(xiàn)這種核部小于兩翼、西部小于東部的趨勢，結(jié)合東部采區(qū)斷層發(fā)育的地質(zhì)條件，表明地質(zhì)構(gòu)造對于瓦斯含量分布影響明顯。背斜核部影響了瓦斯的保存條件，易發(fā)生解析逸散，故瓦斯含量較低。

〔1〕張新民，莊 軍 .中國煤層氣地質(zhì)與資源評價〔M〕.北京：科學(xué)出版社，2002.

〔2〕李欽峰 .煤礦瓦斯與地質(zhì)因素分析〔J〕.河北煤炭，2003（6）：1－2.

〔3〕張子戌，劉高峰 .基于模糊聚類分析和模糊模式識別的煤與瓦斯突出預(yù)測〔J〕.煤田地質(zhì)與勘探，2007，35（3）：22－24.

〔4〕秦書玉 .煤與瓦斯突出預(yù)報的模糊聚類相似分析法〔J〕.中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報，2003，14（4）：58－61.

〔5〕田 敏，趙永軍 .灰色系統(tǒng)理論在煤層氣含量預(yù)測中的應(yīng)用〔J〕.煤田地質(zhì)與勘探，2008，36（2）：24－27.

〔6〕王盼盼，秦 勇 .觀音山勘探區(qū)煤層氣含氣量灰色關(guān)聯(lián)預(yù)測〔J〕.煤田地質(zhì)與勘探，2012，40（4）：34－38.

〔7〕吳財芳，曾 勇 .瓦斯含量地質(zhì)預(yù)測的自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究〔J〕.礦業(yè)安全與環(huán)保，2003，30（3）：17－19.

〔8〕宋全友，秦 勇 .惠民凹陷深部煤層含氣性預(yù)測〔J〕.天然氣地球科學(xué)，2005，16（6）：764－767.

〔9〕聶懷耀，李俊生 .焦作煤田深部煤層氣量預(yù)測〔J〕.煤礦安全，2009（6）：79－82.

〔10〕秦 勇，劉煥杰 .山西南部上古生界煤層氣含氣性研究〔J〕.煤田地質(zhì)與勘探，1997，25（6）：18－22.

〔11〕李貴紅，張 泓 .基于多元逐步回歸分析的煤儲層含氣量預(yù)測模型〔J〕.煤田地質(zhì)與勘探，2005，33（3）：22－25.

〔12〕胡亞斐，張遂安 .基于地質(zhì)多元統(tǒng)計分析的煤層氣含量建模方法〔J〕.煤田地質(zhì)與勘探，2013，41（2）：33－36.