采掘瓦斯涌出量動態(tài)預(yù)報中影響因素的選項、量化與校正

宋煥虎 蔡康旭

(1.開灤(集團(tuán))唐山礦業(yè)分公司，河北省唐山市，063000；2.湖南科技大學(xué)，湖南省湘潭市，411201)

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★ 煤礦安全 ★

采掘瓦斯涌出量動態(tài)預(yù)報中影響因素的選項、量化與校正

宋煥虎1蔡康旭2

(1.開灤(集團(tuán))唐山礦業(yè)分公司，河北省唐山市，063000；2.湖南科技大學(xué)，湖南省湘潭市，411201)

從基本影響因素的選項、細(xì)化、量化及動態(tài)校正等方面分析了開灤(集團(tuán))有限責(zé)任公司采掘工作面瓦斯涌出量動態(tài)預(yù)報技術(shù)特點。其基本影響因素選項有20個，細(xì)化分段則有60多個，范圍覆蓋煤層賦存、地質(zhì)構(gòu)造、采掘工藝和生產(chǎn)環(huán)境；影響因素的量化是分等效層和采掘生產(chǎn)進(jìn)行，從初值到終值調(diào)節(jié)充分考慮了影響因素動態(tài)組合和更新的要求；動態(tài)校正可及時消除煤系地層和隱性因素局部變化對基本量和影響系數(shù)的部分影響，確保預(yù)報誤差控制在限定范圍內(nèi)。

瓦斯涌出量 動態(tài)預(yù)報 影響因素 選項 細(xì)化 量化 動態(tài)校正

開灤(集團(tuán))有限責(zé)任公司與湖南科技大學(xué)合作研究的采掘工作面瓦斯涌出量動態(tài)預(yù)報是一種集開采煤層短中長期瓦斯涌出量預(yù)報于一體的技術(shù)。其預(yù)報系統(tǒng)包括采掘瓦斯涌出等效層劃分圖、采掘工作面瓦斯涌出量動態(tài)預(yù)報軟件和采掘工程進(jìn)度圖3部分，其中，瓦斯涌出等效層劃分圖既是采掘工作面瓦斯涌出量動態(tài)預(yù)報的依據(jù)之一，也是呈現(xiàn)中長期采掘瓦斯涌出量分布變化的載體；動態(tài)預(yù)報軟件則是負(fù)責(zé)短期(或連續(xù))預(yù)報采掘工作面瓦斯涌出量的大小，作為替代傳統(tǒng)經(jīng)驗法的科學(xué)化、規(guī)范化、非接觸式預(yù)報方法，已在開灤礦區(qū)得到廣泛應(yīng)用，其預(yù)報的簡便性和超過90%的準(zhǔn)確性都通過了近十年的實踐檢驗，預(yù)報軟件具有處理超大影響因素群動態(tài)組合的計算模型及對采掘瓦斯涌出影響因素(以下簡稱影響因素)的合理選項、細(xì)致量化及其動態(tài)校正，這也是有別于其他預(yù)報技術(shù)之所在。

1 影響因素的選項

1.1 影響因素的類型與屬性

影響因素的主要類型有煤層賦存、地質(zhì)構(gòu)造、采掘工藝、生產(chǎn)環(huán)境和其他干擾。

根據(jù)在采掘工作面的表現(xiàn)特征，影響因素可以劃分為顯性因素、隱性因素和隨機(jī)因素3種屬性。顯性因素指煤層采掘前，現(xiàn)場可見、資料可查的影響因素，包括煤層賦存、采掘工藝、生產(chǎn)環(huán)境所涉及的影響因素和已經(jīng)揭露的地質(zhì)構(gòu)造；隱性因素指煤層采掘前，現(xiàn)場不可見、資料不可查的潛在影響因素，主要指未揭露的地質(zhì)構(gòu)造，如小斷層、小褶曲等；隨機(jī)因素指煤層采掘過程中不可避免，時空上難以定位、定量的影響因素，指其他干擾涉及的影響因素，如風(fēng)量波動、頂板塌冒、氣壓變化、信號干擾、測量(風(fēng)量、瓦斯、勘探)誤差、臨時性串聯(lián)通風(fēng)等。

在礦井正常生產(chǎn)推進(jìn)情況下，顯性因素具有預(yù)測性，隱性因素和隨機(jī)因素不具有預(yù)測性。采掘瓦斯涌出量發(fā)生的變化，是上述影響因素中部分因素動態(tài)組合、綜合作用的結(jié)果。

1.2 影響因素的選項

1.2.1 選項原則

(1)由于隱性因素和隨機(jī)因素的不可預(yù)測性，影響因素只在顯性因素中選取。

(2)影響因素選項全面考慮煤層賦存、地質(zhì)構(gòu)造、采掘工藝和生產(chǎn)環(huán)境四大類型。

(3)為了預(yù)報的簡便、實用，影響因素選項必須是資料可查、圖上可量的非接觸型參數(shù)，而瓦斯含量、煤層透氣性等需現(xiàn)場實施工程的接觸型參數(shù)不在選取范圍。

雖然瓦斯含量是決定瓦斯涌出量的重要基礎(chǔ)參數(shù)，但對于勘探和建設(shè)中的礦井，預(yù)報瓦斯涌出量是不可或缺的參數(shù)。動態(tài)預(yù)報技術(shù)用在生產(chǎn)礦井，預(yù)報的瓦斯涌出量為基本量與影響量之和，其中，基本量是等效層(采掘生產(chǎn)影響范圍內(nèi)煤及其頂?shù)装宓牡刃r層)所具有的瓦斯涌出量；影響量是指除煤層及其頂?shù)装鍘r性以外，其他影響因素組合造成的瓦斯涌出增加量。在預(yù)報算法中，基本量是與瓦斯含量功能類似的參數(shù)，易于在生產(chǎn)統(tǒng)計資料中獲取，不需要現(xiàn)場做工程。

1.2.2 基本影響因素

不同礦區(qū)開采條件，瓦斯涌出的影響因素選項不盡相同。根據(jù)開灤礦區(qū)的開采條件和生產(chǎn)技術(shù)資料統(tǒng)計，影響采掘瓦斯涌出的類型包括掘進(jìn)和回采，其中掘進(jìn)基本因素包括20項；回采基本因素包括19項，掘進(jìn)和回采相同的基本因素有15項，如表1所示。

表1 影響采掘瓦斯涌出的基本因素

注：等效層因素本身包括埋藏深度因素的影響

2 影響因素的細(xì)化

選擇的基本影響因素多數(shù)屬于宏觀表現(xiàn)形式，直接用于預(yù)報選項難以保證準(zhǔn)確的結(jié)果，使用前需要對其細(xì)致劃分。例如相鄰采空區(qū)存在的位置、時間和生產(chǎn)工藝不同，其影響也不同，據(jù)此可分成進(jìn)風(fēng)側(cè)采空區(qū)、回風(fēng)側(cè)采空區(qū)、上覆采空區(qū)、綜放采空區(qū)4種類型，每一類采空區(qū)又分段為1年、2年、3～5年、大于5年，實際賦值時還要根據(jù)所在的等效層(6類)和采掘作業(yè)確定，這樣，單一煤層的分段因素量化值就有12個(采空區(qū)項總計192個量值)，在預(yù)報選項時就有更強(qiáng)的針對性，動態(tài)預(yù)報結(jié)果就會更符合實際。

基本影響因素細(xì)化的依據(jù)是礦井采掘瓦斯監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計上的差異。不同的礦井生產(chǎn)條件，細(xì)化的類型和分段會有所不同，表2是開灤集團(tuán)某礦9#煤層采掘瓦斯涌出影響因素的細(xì)化結(jié)果。

表2 開灤集團(tuán)某礦9#煤層采掘瓦斯涌出影響因素分段

注：表中影響因素名稱、定義和取值有配套的影響因素辨識規(guī)范作出說明

3 影響因素的量化

影響因素量化的合理性決定瓦斯預(yù)報的準(zhǔn)確性。在預(yù)報模型中，影響因素是以變量的形式進(jìn)行編輯，可以函數(shù)形式表達(dá)的稱為函數(shù)變量，否則稱為狀態(tài)變量，量化數(shù)值統(tǒng)稱為影響系數(shù)。

表1中的函數(shù)變量包括巷道斷面、煤層厚度、煤層傾角、分層、斷層、褶曲、向斜、背斜、盆地、相鄰采空區(qū)、產(chǎn)量波動；狀態(tài)變量包括等效層、相鄰煤層、采掘工藝、巷道類型、百米增量、相鄰巷道、推采方向、頂板管理、瓦斯排放、集中應(yīng)力、構(gòu)造軟煤帶、構(gòu)造薄煤帶等。

影響因素定量過程不僅考慮自變量與因變量的相關(guān)性，同時要考慮自變量之間的相互影響。實際量化時，影響系數(shù)的初值確定都是根據(jù)歷史數(shù)據(jù)的統(tǒng)計，而終值的確定則是建立在多因素作用下的數(shù)值調(diào)節(jié)基礎(chǔ)上。

同一煤層，采、掘生產(chǎn)影響范圍不同，同一影響因素的參數(shù)表現(xiàn)也不相同，因此，影響因素的量化要分采、掘生產(chǎn)進(jìn)行(預(yù)報時使用的數(shù)據(jù)庫也是獨立的)。而且，所有影響系數(shù)的確定必須在同一等效層中進(jìn)行才可用。

3.1 依據(jù)的基礎(chǔ)資料

影響因素量化依據(jù)的基礎(chǔ)資料主要包括瓦斯監(jiān)測日報、礦井通風(fēng)月報、采掘工程平面布置圖、礦井通風(fēng)系統(tǒng)圖和礦井地質(zhì)說明書。

(1)瓦斯監(jiān)測日報。如實記錄了每一個采、掘工作面的瓦斯涌出量及其變化情況，是各種影響因素量化分析的可靠數(shù)據(jù)來源。

(2)礦井通風(fēng)月報。用以確定工作面的生產(chǎn)、進(jìn)度、工藝與配風(fēng)情況。

(3)采掘工程平面布置圖。用以分析工作面的煤層賦存、地質(zhì)構(gòu)造、生產(chǎn)環(huán)境。

(4)礦井通風(fēng)系統(tǒng)圖。用以了解工作面風(fēng)流方向、串聯(lián)通風(fēng)和采空區(qū)漏風(fēng)流向。

(5)礦井地質(zhì)說明書。用以輔助煤系地層和地質(zhì)構(gòu)造分析。

其中，1～3項都應(yīng)有3年以上的統(tǒng)計記錄。

3.2 影響因素初值的確定

(1) 函數(shù)變量的初值。函數(shù)變量的初值是函數(shù)式，主要根據(jù)某影響系數(shù)的一組統(tǒng)計數(shù)據(jù)確定。單個影響系數(shù)的計算可以借助修正后的剝離公式：

(1)

式中：Kdb——等效層內(nèi)單個影響因素量化后的比值系數(shù)，常數(shù)；

Qdi——等效層內(nèi)回采或掘進(jìn)某個月統(tǒng)計的平均瓦斯涌出量，i=1.2.3…n，m3/(t·d)或m3/min。

Qd——等效層的瓦斯涌出基本量，m3/(t·d)或m3/min；

Kdq——等效層內(nèi)其他因素的影響系數(shù)，常數(shù)；

n——統(tǒng)計月個數(shù)；

KC——月產(chǎn)量波動系數(shù)，常數(shù)，主要用于回采影響因素的定量計算，對于掘進(jìn)取1；

CS——工作面實際月產(chǎn)量，t/月；

Cp——工作面平均月產(chǎn)量或設(shè)計月產(chǎn)量，t/月。

系數(shù)分離過程應(yīng)遵循由強(qiáng)到弱，由少到多的原則進(jìn)行。比如，通常斷層的影響比褶曲的影響強(qiáng)，先通過單獨存在斷層的統(tǒng)計數(shù)據(jù)確定其影響系數(shù)，再通過斷層和褶曲共同存在的統(tǒng)計數(shù)據(jù)確定褶曲的影響系數(shù)。

(2)狀態(tài)變量的初值。狀態(tài)變量的初值為單值，主要采用比較法確定。即在同一類型多狀態(tài)變量中，以一種變量為基準(zhǔn)，取值為1，其他變量與之相比而得到的其影響系數(shù)的初值。如果只有一種變量，則取值為1。例如開灤礦井部分采掘工藝影響系數(shù)的確定，參見表3。

表3 部分采掘工藝影響系數(shù)初值確定

3.3 影響系數(shù)的調(diào)節(jié)

調(diào)節(jié)的原因有兩個：一是影響系數(shù)初值通常是在較少的或相同的背景因素組合下確定的趨勢值，當(dāng)較多的或不同的背景因素組合一起時(即動態(tài)組合)，完全采用其初值常常不能滿足預(yù)報精度要求；二是為了適應(yīng)影響系數(shù)變化的動態(tài)校正。

為便于調(diào)節(jié)、校正和更新，影響系數(shù)的調(diào)節(jié)均采用狀態(tài)量的形式。其中，對于函數(shù)變量的關(guān)系式要進(jìn)行離散化處理，主要是根據(jù)系數(shù)的變化范圍和特點劃分為若干段，求取每段系數(shù)的平均值，以此作為該段的狀態(tài)量參入調(diào)節(jié)。

影響系數(shù)的調(diào)節(jié)是在全部統(tǒng)計參數(shù)中進(jìn)行，通過設(shè)定限定誤差，采用逐次逼近的方法進(jìn)行調(diào)整，基本公式為：

Qdi-Qds≤δ

(2)

式中：Qds——等效層內(nèi)測算的回采或掘進(jìn)瓦斯涌出量月平均值，m3/t·d或m3/min；

δ——限定預(yù)報誤差，m3/t·d或m3/min，對應(yīng)瓦斯傳感器數(shù)值0.1%(傳感器校正周期內(nèi)的允許漂移值)的瓦斯涌出變化量。

影響系數(shù)調(diào)節(jié)限定預(yù)報誤差的情況如表4所示。

表4 影響系數(shù)調(diào)節(jié)限定預(yù)報誤差

全部影響系數(shù)調(diào)節(jié)后的計算瓦斯涌出量準(zhǔn)確率要求大于或等于95%。

多地點、多因素、多分段影響系數(shù)的組合調(diào)試過程計算量十分龐大，是由專門編制的采、掘影響系數(shù)調(diào)節(jié)軟件執(zhí)行。調(diào)節(jié)以后的影響系數(shù)(終值)存入數(shù)據(jù)庫，作為采掘工作面瓦斯涌出量預(yù)報的基本依據(jù)，同時作為影響系數(shù)動態(tài)校正的起始值。

4 影響因素的動態(tài)校正

煤系地層不是均質(zhì)體，開采范圍各巖性及其厚度的分布也不是均衡的，此外，還有隱性因素的存在，其局部變化程度受現(xiàn)場勘探程度的限制，難以跟蹤描述，結(jié)果自然會影響到數(shù)據(jù)庫中相關(guān)參數(shù)的變化。當(dāng)其變化超過一定數(shù)值時，必然造成預(yù)報誤差過大，影響預(yù)報結(jié)果的指導(dǎo)作用。動態(tài)校正技術(shù)的配置就是為了及時減少這種影響導(dǎo)致的預(yù)報誤差。

動態(tài)校正的參數(shù)是等效層的基本瓦斯涌出量及其影響系數(shù)，校正的依據(jù)是相鄰采、掘區(qū)段的實際瓦斯涌出量。

統(tǒng)計參數(shù)表明，煤系地層變化主要影響的是等效層的基本量，其他影響因素占的比重較小。動態(tài)校正是按照各因素對瓦斯涌出的影響程度分配調(diào)節(jié)量，其中，基本量為主調(diào)節(jié)量(占70%)，其他影響系數(shù)為輔助調(diào)節(jié)量(占30%)，由于影響系數(shù)數(shù)據(jù)庫是分采區(qū)配置，一個采區(qū)的校正調(diào)整并不影響其他采區(qū)影響系數(shù)的使用。

動態(tài)校正的算法與影響系數(shù)調(diào)節(jié)算法基本相同，校正過程由軟件自動執(zhí)行，校正結(jié)果用于更新數(shù)據(jù)庫中參與預(yù)報的瓦斯涌出基本量與影響系數(shù)，這樣可將瓦斯預(yù)報準(zhǔn)確率長期保持在較高的水平。

5 結(jié)論

(1)本項目研究的采掘瓦斯涌出量動態(tài)預(yù)報能長期保持90%以上的準(zhǔn)確率，瓦斯涌出影響因素的合理選項、細(xì)致量化及其動態(tài)校正是重要的保障之一。

(2)基本影響因素覆蓋煤層賦存、地質(zhì)構(gòu)造、采掘工藝和生產(chǎn)環(huán)境20個選項，進(jìn)一步細(xì)化可大大提高動態(tài)預(yù)報的準(zhǔn)確性，細(xì)化的依據(jù)是礦井采掘瓦斯監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計上的差異，不同的礦井生產(chǎn)條件，細(xì)化的類型和分段會有所不同，一般情況下有60多個分段。

(3)同一煤層，采、掘生產(chǎn)影響范圍不同，影響因素的參數(shù)表現(xiàn)也不相同，因此，影響因素的量化要分采、掘生產(chǎn)進(jìn)行，而且，影響系數(shù)的確定必須在相應(yīng)的等效層中進(jìn)行才可用。

(4)采掘瓦斯涌出的基本量和影響系數(shù)都會受煤系地層變化的影響，動態(tài)校正技術(shù)的引入可及時減少這種影響導(dǎo)致的預(yù)報誤差。

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(責(zé)任編輯 張艷華)

Option, quantification and modification of influential factors in excavation gas emission dynamic prediction

Song Huanhu1, Cai Kangxu2

(1. Kailuan (Group) Tangshan Mining Company,Tangshan, Hebei 063000, China; 2.Hunan University of Science & Technology, Xiangtan, Hunan 411201, China)

Analyzing excavation work face gas emission dynamic prediction technology from aspects of option, specification, quantification and dynamic modification of basic influential factors. There were 20 basic influential factors and more than 60 specified subsection, which covered coal seam occurrence, geological structure, mining technology and production environment. The quantification of the influence factors was performed separately that divided mining and excavation in equivalent strata. The adjustment from the initial value to the final value had fully considered the requirement of dynamic combination and update of influential factors; dynamic modification could eliminate some of the influence of local variation from coal strata and latent factors on the basic quantity and influence coefficient, and ensure that forecast error was controlled within a limited range.

gas emission, dynamic prediction, influential factor, option, specification, quantification, dynamic modification

宋煥虎，蔡康旭.采掘瓦斯涌出量動態(tài)預(yù)報中影響因素的選項、量化與校正[J].中國煤炭，2017，43(4)：132-136. Song Huanhu, Cai Kangxu. Option, quantification and modification of influential factors in excavation gas emission dynamic prediction[J]. China Coal, 2017，43(4)：132-136.

TD712.5

A

宋煥虎(1971-)，男，河北豐寧人，畢業(yè)于河北理工學(xué)院采礦工程專業(yè)，采煤高級工程師，現(xiàn)任開灤(集團(tuán))唐山礦業(yè)分公司總工程師。