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    基于灰色關(guān)聯(lián)法對(duì)崔家溝煤礦瓦斯含量影響因素分析

    2018-07-30 10:43:38蔣同昌
    陜西煤炭 2018年3期
    關(guān)鍵詞:西區(qū)東區(qū)泥巖

    蔣同昌

    (1.國(guó)土資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710021;2.陜西煤田地質(zhì)勘查研究院有限公司,陜西 西安 710021)

    0 引言

    煤層瓦斯含量的高低對(duì)礦井瓦斯涌出量起著至關(guān)重要的作用,同時(shí)也是制約煤層氣開(kāi)發(fā)和瓦斯防治的核心問(wèn)題。通常認(rèn)為煤層瓦斯含量受埋深、煤厚、構(gòu)造、頂板厚度、底板厚度、圍巖巖性以及水文地質(zhì)條件等多個(gè)因素的影響[1-3]。目前,國(guó)內(nèi)外已形成較為全面的煤層瓦斯含量影響因素評(píng)價(jià)方法,主要有模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專(zhuān)家會(huì)議法、層次分析法、灰色關(guān)聯(lián)分析法、回歸分析、主成分分析法、因子分析法、相關(guān)分析法和模糊綜合評(píng)判方法等[4-6]。傳統(tǒng)的回歸分析、方差分析、主成分分析等方法要求數(shù)據(jù)量大,并且要求各因素彼此無(wú)關(guān),也可能出現(xiàn)量化結(jié)果與定性分析結(jié)果不符等現(xiàn)象。與研究“隨機(jī)不確定性”的概率統(tǒng)計(jì)和研究“認(rèn)知不確定性”的模糊數(shù)學(xué)不同,灰色系統(tǒng)理論的研究對(duì)象是“部分信息已知、部分信息未知”的“小樣本”、“貧信息”不確定性系統(tǒng),在地質(zhì)學(xué)界得到廣泛應(yīng)用。崔家溝煤礦范圍內(nèi)瓦斯孔較少且瓦斯含量影響因素多,瓦斯地質(zhì)規(guī)律復(fù)雜,礦井絕對(duì)瓦斯涌出量高至52.03 m3/min,在煤礦采掘過(guò)程中經(jīng)常發(fā)生工作面上隅角瓦斯?jié)舛瘸迒?wèn)題[7],鑒于此,擬采用灰色關(guān)聯(lián)分析法對(duì)影響崔家溝煤礦4-2煤層瓦斯含量的因素進(jìn)行分析并評(píng)價(jià),為煤礦瓦斯防治提供地質(zhì)依據(jù)。

    1 煤礦地質(zhì)特征

    崔家溝煤礦位于黃隴侏羅紀(jì)煤田焦坪礦區(qū)中部,北與玉華煤礦毗鄰,南與下石節(jié)煤礦相接,東以煤層露頭為界,西止煤層變薄尖滅帶。礦井采用斜井開(kāi)拓方式、綜采放頂煤一次采全高采煤工藝,煤礦現(xiàn)生產(chǎn)能力1.95 Mt /a。含煤地層為侏羅系中統(tǒng)延安組,主采煤層為4-2煤,地勘時(shí)期瓦斯含量在0.03~4.56 mL/g,瓦斯含量較高。

    崔家溝煤礦地處鄂爾多斯盆地次級(jí)構(gòu)造單元之渭北隆起的彬黃坳褶帶內(nèi)。煤礦主體構(gòu)造為一傾向北西的單斜構(gòu)造,地層比較平緩,地層傾角2°~10°。礦井內(nèi)發(fā)育有兩條向斜和兩條背斜,由西南至東北依次為杏樹(shù)坪向斜、土溝梁背斜、土溝梁向斜和陽(yáng)溝背斜,其中礦井中部的土溝梁背斜將煤礦分隔為2個(gè)聚煤區(qū),即西區(qū)、東區(qū)如圖1所示。據(jù)礦井多年來(lái)生產(chǎn)揭露情況,東區(qū)瓦斯涌出量明顯高于西區(qū),西區(qū)含水層富水性較東區(qū)強(qiáng)[8-9]。

    A1-陽(yáng)溝背斜;A2-桃花洞向斜 A3-土溝梁背斜;A4-杏樹(shù)坪向斜圖1 崔家溝煤礦構(gòu)造圖

    2 灰色關(guān)聯(lián)法

    2.1 方法介紹

    灰色關(guān)聯(lián)分析法的基本思想是定量地比較或描述系統(tǒng)之間或系統(tǒng)中各因子之間,在發(fā)展過(guò)程中隨時(shí)間而相對(duì)變化的情況,具體來(lái)說(shuō),就是根據(jù)序列曲線(xiàn)幾何形狀的相似程度來(lái)判斷其聯(lián)系是否緊密,從而找出影響系統(tǒng)的主要因素,該方法具有總體性、非對(duì)稱(chēng)性、非唯一性、有序性、動(dòng)態(tài)性等特點(diǎn)[10]。

    2.2計(jì)算步驟

    灰色關(guān)聯(lián)法分析計(jì)算步驟一般包括以下步驟:①確定母因素與子因素;②構(gòu)建原始數(shù)據(jù)矩陣;③數(shù)據(jù)歸一化;④計(jì)算絕對(duì)差值矩陣;⑤求出絕對(duì)值矩陣中的最大值和最小值;⑥求關(guān)聯(lián)系數(shù)矩陣;⑦計(jì)算關(guān)聯(lián)度;⑧排出關(guān)聯(lián)序,進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析。具體計(jì)算步驟可參見(jiàn)文獻(xiàn)[11]。

    3 灰色關(guān)聯(lián)度計(jì)算

    3.1 評(píng)價(jià)參數(shù)的選取

    研究表明,影響煤層瓦斯含量的主要因素有煤層埋深、煤厚、構(gòu)造、頂板厚度、底板厚度、圍巖巖性等,頂板封蓋層對(duì)煤層瓦斯有較好的封存作用[12]。因此,文中選取了這些相關(guān)參數(shù)對(duì)崔家溝煤礦4-2煤層瓦斯含量影響因素進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)分析。通過(guò)24個(gè)樣本對(duì)西區(qū)、東區(qū)分別進(jìn)行分析研究,同時(shí)針對(duì)不同區(qū)域不同頂板巖性分開(kāi)討論,旨在合理尋求、評(píng)價(jià)影響瓦斯含量的主控因素。樣本數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

    3.2 數(shù)據(jù)歸一化計(jì)算

    由于變量的單位和數(shù)量級(jí)相差懸殊,如果直接應(yīng)用原始數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算,某些特別大的變量值將壓低值較小變量的作用,為此必須對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化,使其達(dá)到量綱統(tǒng)一。鑒于不同歸一化方法,會(huì)產(chǎn)生不同的關(guān)聯(lián)度結(jié)果,因此,筆者選取了均勻化變換、初值化變換、標(biāo)準(zhǔn)化變換3種歸一化方法,對(duì)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理。由于東區(qū)頂板泥巖區(qū)只有2個(gè)鉆孔的瓦斯含量數(shù)據(jù),故本次研究工作僅對(duì)其進(jìn)行了定性分析。

    A均勻化變換統(tǒng)一量綱,指用序列平均值去除其他數(shù),從而得到一個(gè)新數(shù)列。

    (1)

    B初值化變換統(tǒng)一量綱,指用每一個(gè)數(shù)列的第1個(gè)數(shù)去除其他數(shù),從而得到一個(gè)新數(shù)列。

    (2)

    C標(biāo)準(zhǔn)化變換統(tǒng)一量綱,指用每一個(gè)數(shù)列的每一個(gè)值減去該數(shù)列的平均值,然后除以該數(shù)列的標(biāo)準(zhǔn)差,從而得到一個(gè)新數(shù)列。

    (3)

    表1 崔家溝煤礦4-2煤層瓦斯含量與其相關(guān)因素樣本表

    注:底板巖性均為泥巖。

    3.3 計(jì)算關(guān)聯(lián)度

    基于DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng),對(duì)不同方法產(chǎn)生的歸一化后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分區(qū)計(jì)算,取分辨系數(shù)ρ=0.5,得出各個(gè)因素與含氣量的關(guān)聯(lián)系數(shù),再利用式4求解關(guān)聯(lián)度,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

    (4)

    式中:ri—第i個(gè)子因素與母因素的關(guān)聯(lián)度;ξi(k)—第i個(gè)子因素的第k個(gè)觀測(cè)值與母因素的關(guān)聯(lián)度。

    3.4 關(guān)聯(lián)度分析

    西區(qū)頂板泥巖區(qū):3種歸一化方法得出的埋深、頂板厚度的關(guān)聯(lián)度均最高,說(shuō)明在此區(qū)域煤層瓦斯含量主要受埋深、頂板厚度的控制。

    西區(qū)頂板砂巖區(qū):底板標(biāo)高的關(guān)聯(lián)序有2種結(jié)果排名最高,另外煤厚、頂板厚度、底板厚度的關(guān)聯(lián)序都有排名第二的情況,說(shuō)明西區(qū)頂板砂巖區(qū)煤層瓦斯含量主要受底板標(biāo)高的控制,其次受其他因素的影響。

    東區(qū)頂板砂巖區(qū):埋深、頂板厚度的關(guān)聯(lián)序均有排名第一、第二的情況,說(shuō)明此區(qū)域煤層瓦斯含量主要受埋深、頂板砂巖厚度的控制。

    東區(qū)頂板泥巖區(qū):僅有2個(gè)鉆孔數(shù)據(jù),其瓦斯含量分別為0.85 mL/g、4.56 mL/g,對(duì)應(yīng)的頂板泥巖厚度分別為2.59 m、5.6 m,該厚度為樣本中頂板泥巖厚度的最大值,4.56 mL/g也為樣本中瓦斯含量的最大值,說(shuō)明東區(qū)頂板泥巖分布區(qū)煤層瓦斯含量主要受頂板泥巖厚度的影響。

    表2 關(guān)聯(lián)度分析表

    4 結(jié)論

    (1)西區(qū)、東區(qū)頂板泥巖區(qū)平均瓦斯含量均高于砂巖區(qū)平均瓦斯含量。

    (2)西區(qū)含水層富水性較東區(qū)強(qiáng),但是其瓦斯含量較東區(qū)低,這說(shuō)明西區(qū)煤層瓦斯含量也受地下水活動(dòng)的影響,有利于瓦斯的逸散。

    (3)通過(guò)灰色關(guān)聯(lián)分析得知,東區(qū)頂板砂巖區(qū)煤層瓦斯含量主要受頂板砂巖厚度的影響。根據(jù)本數(shù)據(jù),東區(qū)頂板砂巖厚度明顯大于西區(qū),且其瓦斯含量也大于西區(qū),這驗(yàn)證了東區(qū)頂板砂巖區(qū)煤層瓦斯含量受砂巖厚度的影響。東區(qū)頂板泥巖區(qū)煤層瓦斯含量主要受頂板泥巖厚度的影響。

    (4)西區(qū)煤層瓦斯含量,頂板泥巖區(qū)主要受埋深、頂板泥巖厚度的影響;頂板砂巖區(qū)主要受底板標(biāo)高的影響,即其受向斜構(gòu)造的影響,驗(yàn)證了構(gòu)造控氣理論的向斜瓦斯集中封閉結(jié)論。

    (5)通過(guò)灰色關(guān)聯(lián)分析,綜合分析了崔家溝井田4-2煤層瓦斯含量的影響因素,得出礦井東區(qū)瓦斯含量主要受埋深、頂板覆蓋層厚度控制;西區(qū)瓦斯含量主要受構(gòu)造、埋深以及頂板蓋層的控制??梢?jiàn),埋深、頂板蓋層厚度、構(gòu)造對(duì)崔家溝煤礦瓦斯含量起主要的控制作用,此結(jié)論與崔家溝煤礦瓦斯地質(zhì)規(guī)律相一致。

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