PAGE～PAGEI～瓦斯抽采設(shè)計說明書目錄TOC\o"1-3"\h\z前言 3第一章礦井概況 5第一節(jié)井田位置、交通和開采情況 5第二節(jié)礦井地質(zhì) 5一、含煤地層和煤層 5二、構(gòu)造 7三、煤質(zhì) 7四、水文地質(zhì)及其它開采技術(shù)條件 8第三節(jié)礦井瓦斯 8第二章礦井瓦斯地質(zhì)主要特征 10第一節(jié)礦井瓦斯地質(zhì)資料的收集和整理 10第二節(jié)瓦斯地質(zhì)的主要特征 11一、煤層及其沉積環(huán)境 11二、煤層圍巖 13三、地質(zhì)構(gòu)造 13第三章礦井瓦斯涌出量預(yù)測 15第一節(jié)瓦斯涌出量預(yù)測方法 15一、國內(nèi)外瓦斯涌出量預(yù)測方法研究現(xiàn)狀 15二、瓦斯地質(zhì)數(shù)學(xué)模型法的基本原理 16三、數(shù)量化理論Ⅰ簡介 16四、瓦斯地質(zhì)數(shù)學(xué)模型軟件 20第二節(jié)預(yù)測方法和步驟 21一、統(tǒng)計單元的確定 21二、變量的選擇和取值 22三、建立預(yù)測方程 23四、未采區(qū)瓦斯涌出量預(yù)測 24第三節(jié)2-1煤層瓦斯涌出量預(yù)測 24一、已知統(tǒng)計單元基礎(chǔ)數(shù)據(jù) 24二、數(shù)學(xué)模型 25三、預(yù)測效果檢驗 26四、未采區(qū)域瓦斯涌出量預(yù)測 26第四節(jié)2-3煤層瓦斯涌出量預(yù)測 27一、井田西翼采區(qū)2-3煤層瓦斯涌出量預(yù)測 28二、井田東翼2-3煤層瓦斯涌出量預(yù)測 30三、2-3煤層瓦斯涌出量預(yù)測圖 33第四章回采工作面采場瓦斯涌出規(guī)律 34第一節(jié)實驗研究工作面概況 34一、工作面基本情況 34二、采煤方法與回采工藝 34三、煤層、頂?shù)装搴偷刭|(zhì)構(gòu)造 34四、工作面瓦斯及周期來壓 35第二節(jié)工作面瓦斯來源 35一、分源計算法 36二、工作面瓦斯來源瓦斯涌出動態(tài)分析 37三、工作面實際測定瓦斯來源 38四、瓦斯地質(zhì)類比 39第三節(jié)工作面瓦斯涌出與分布規(guī)律 39一、工作面瓦斯涌出的主要影響因素 39二、工作面瓦斯涌出分布規(guī)律 40第五章煤層瓦斯基本參數(shù)測定 42第一節(jié)煤層瓦斯壓力測定 42第二節(jié)煤層瓦斯含量測定 43第三節(jié)煤層瓦斯透氣系數(shù)計算 45一、鉆孔徑向流量法及其透氣系數(shù)計算公式組 46二、透氣系數(shù)的優(yōu)化算法 46三、對透氣系數(shù)計算公式組的修正 47四、透氣系數(shù)計算 48第四節(jié)煤層瓦斯鉆孔流量衰減系數(shù) 49第六章瓦斯治理措施 50第一節(jié)工作面瓦斯治理的原則和依據(jù) 50一、瓦斯治理的原則 50二、工作面瓦斯治理的技術(shù)依據(jù) 50第二節(jié)本煤層瓦斯抽放評價 51第三節(jié)U型通風(fēng)工作面瓦斯治理措施 51一、工作面瓦斯治理技術(shù)綜述 51二、下行風(fēng)與U+L治理工作面瓦斯 53三、工作面隅角瓦斯抽放 53第四節(jié)工作面瓦斯治理建議 54結(jié)論 56～PAGE3～前言耿村礦是義煤集團(tuán)一座大型現(xiàn)代化礦井，1982年12月建成投產(chǎn)，設(shè)計年生產(chǎn)能力120萬噸，1985年基本達(dá)到設(shè)計生產(chǎn)能力。后來為擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模，經(jīng)省煤炭廳批準(zhǔn)礦井進(jìn)行改擴(kuò)建，1988年元月動工，1992年12月完工，擴(kuò)建后井型由120萬t/a增加到240萬t/a。全井田共分三個采區(qū)，即西二、東一、東三采區(qū)。主要開采1-2、2-1、2-2和2-3煤層。近年來隨著開采深度增加、開發(fā)強(qiáng)度增大以及煤層合并，礦井瓦斯涌出量逐漸增高，在一些采區(qū)和工作面多次出現(xiàn)了瓦斯超限，已經(jīng)對煤礦生產(chǎn)構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅，并成為影響和制約生產(chǎn)的重要因素之一。研究耿村礦瓦斯地質(zhì)特征，掌握礦井瓦斯涌出規(guī)律，預(yù)測礦井深部瓦斯涌出量，對于該礦生產(chǎn)管理和決策、制定采掘方案、進(jìn)行生產(chǎn)布置和采掘設(shè)計，以及有針對性地采取防治措施、杜絕煤礦瓦斯災(zāi)害事故的發(fā)生，提高煤礦經(jīng)濟(jì)效益，改善煤礦安全生產(chǎn)環(huán)境等具有重要的實際意義。針對上述情況，在義煤集團(tuán)公司科技處的協(xié)調(diào)下，焦作工學(xué)院與義煤集團(tuán)公司生產(chǎn)部進(jìn)行了多次協(xié)商和研究，共同制定了課題計劃，并于2002年3月正式簽訂了本課題科技合同書，同時確定該項目為集團(tuán)公司2002年重點科技攻關(guān)項目。本課題采用瓦斯地質(zhì)觀點，以礦井瓦斯涌出規(guī)律及瓦斯防治技術(shù)為研究目標(biāo)，研究工作自2002年3月開始至2003年6月止，歷時一年多的時間，已按合同要求圓滿完成了課題研究任務(wù)。根據(jù)前期論證，確定研究工作的主要內(nèi)容為：1．控制礦井瓦斯涌出量的地質(zhì)因素分析；2．深部礦井瓦斯涌出量預(yù)測；3．煤層瓦斯參數(shù)測定及分析；4．礦井瓦斯災(zāi)害治理技術(shù)研究等。預(yù)期研究成果：1．“耿村礦瓦斯涌出量預(yù)測及防治技術(shù)”綜合研究報告：包括礦井瓦斯涌出量地質(zhì)因素分析、瓦斯涌出量預(yù)測、采場瓦斯涌出規(guī)律、煤層瓦斯參數(shù)測定及分析、瓦斯防治技術(shù)等五各方面。2．煤層瓦斯壓力、瓦斯含量、瓦斯放散指數(shù)、煤層堅固性系數(shù)、煤層鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)、煤層透氣性系數(shù)、a、b值等瓦斯參數(shù)的測定。3．綜合瓦斯地質(zhì)圖數(shù)字化編繪與管理。為了確保研究任務(wù)保質(zhì)保量完成，在具體研究過程中，我們又把上述內(nèi)容進(jìn)一步做了細(xì)化，并制訂了詳細(xì)的工作計劃，任務(wù)、目標(biāo)、責(zé)任落實到人。研究工作整體上可劃分為三個階段：第一階段（2002年03月～2002年10月）：系統(tǒng)收集整理礦井近年來回采工作面的瓦斯涌出量資料，開展礦井地質(zhì)研究，重點研究礦井煤厚變化規(guī)律，煤層分叉與合并、礦井小型斷裂構(gòu)造發(fā)育規(guī)律等。分析瓦斯涌出量與各主要地質(zhì)因素的關(guān)系。第二階段（2002年10月～2002年03月）：煤層瓦斯壓力、瓦斯含量、瓦斯放散指數(shù)、煤層堅固性系數(shù)、煤層鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)、煤層透氣性系數(shù)、a、b值等瓦斯參數(shù)的測定與分析。綜合研究各種地質(zhì)因素與礦井瓦斯涌出量的關(guān)系，分析篩選預(yù)測變量，建立預(yù)測瓦斯地質(zhì)學(xué)模型，提出深部瓦斯涌出量預(yù)測結(jié)果。第三階段（2003年03月～2002年06月）：綜合瓦斯地質(zhì)圖件及研究報告編制。根據(jù)合同要求及具體生產(chǎn)情況，本課題具體完成了以下幾方面的內(nèi)容：1．深入開展區(qū)域地質(zhì)研究，全面了解區(qū)域地層、構(gòu)造發(fā)育情況，從宏觀上認(rèn)真把握煤層賦存的地質(zhì)條件。2．系統(tǒng)收集整理了礦井歷年來瓦斯涌出量資料，包括建礦以來所有回采工作面瓦斯涌出量、瓦斯?jié)舛?、風(fēng)量、推進(jìn)速度、日產(chǎn)量等日報、旬報或月報資料，對現(xiàn)有10個回采工作面瓦斯涌出量進(jìn)行了分析研究。3．專題研究了12151工作面采場瓦斯涌出濃度、風(fēng)速、瓦斯涌出量的分布特征、相互關(guān)系以及瓦斯涌出來源等。4．編繪了1/10000比例尺的煤層瓦斯地質(zhì)圖，為礦井開發(fā)決策提供了依據(jù)。5．根據(jù)耿村礦瓦斯地質(zhì)規(guī)律和影響瓦斯涌出的各項地質(zhì)指標(biāo)，采用瓦斯地質(zhì)數(shù)學(xué)模型對瓦斯涌出量進(jìn)行了計算，經(jīng)過分析對比和檢驗證明比較接近實際。這一預(yù)測成果對深部安全生產(chǎn)具有重要價值。6．對煤層瓦斯地質(zhì)參數(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)研究和測定，主要包括瓦斯含量、瓦斯壓力、吸附常數(shù)、煤層瓦斯放散指數(shù)（△P）、煤層堅固性系數(shù)（f）、煤層透氣性參數(shù)、鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)等參數(shù)，為研究礦井瓦斯涌出規(guī)律和礦井瓦斯防治技術(shù)提供了依據(jù)。7．利用CAD技術(shù)開展綜合瓦斯地質(zhì)圖的數(shù)字化成圖工作等。在近一年的時間里，圍繞合同目標(biāo)，我們堅持以現(xiàn)場工作為重點，緊密結(jié)合生產(chǎn)實際，實驗測試和理論分析相結(jié)合、定性分析和定量計算相結(jié)合，與現(xiàn)場科技人員共同開展科技攻關(guān)，經(jīng)過對全部資料進(jìn)行系統(tǒng)整理、綜合分析、定量計算和理論探討、圖件編繪等，最終編制完成了本課題研究報告。本項目由焦作工學(xué)院、義馬煤業(yè)集團(tuán)公司共同承擔(dān)完成。課題從立項至研究完成的全過程始終得到義煤集團(tuán)公司科技處、生產(chǎn)部的協(xié)調(diào)和幫助，集團(tuán)公司付永水總經(jīng)理、賈學(xué)勤副總經(jīng)理、李新建副總經(jīng)理、崔宗仁副總工程師、慕洪才副總工程師等領(lǐng)導(dǎo)給予了熱情關(guān)懷和支持，還得到了焦作工學(xué)院鄒友峰院長、楊小林副院長、劉文楷副院長、科研處丁安民處長和資環(huán)系領(lǐng)導(dǎo)、老師們的支持與幫助。應(yīng)該說這項成果是集體勞動的結(jié)晶，是互相協(xié)作的產(chǎn)物。在研究過程中還得到焦作工學(xué)院瓦斯研究所、鄭州煤田地質(zhì)研究院化驗室、中國礦業(yè)大學(xué)瓦斯研究所、焦作礦物局瓦斯研究所等單位的大力支持和幫助，在此深表感謝！感謝各位領(lǐng)導(dǎo)、專家、教授在百忙中抽暇評審本報告，衷心期待得到指教和幫助。第一章礦井概況第一節(jié)井田位置、交通和開采情況耿村礦位于義馬礦區(qū)西部，北距澠池縣城3.2km，東北距義馬市15km，為義馬煤業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司（原義馬礦務(wù)局）大型骨干礦井之一，行政區(qū)隸屬三門峽市澠池縣管轄。井田范圍北起各煤層露頭或老窯采空區(qū)，南止于F16斷層，東以41勘探線東200m與千秋礦和躍進(jìn)礦為界，西部以F5101斷層與楊村礦相接。井田東西走向長4.5km，南北傾斜寬2.8km，面積12.5km2。隴海鐵路、310國道和連霍高速公路從井田北部通過，并有鐵路專用線及公路直達(dá)礦內(nèi)，交通便利。耿村礦于1975年4月由河南省煤礦設(shè)計研究院設(shè)計，1975年12月由義馬礦務(wù)局建井處與河南省建井二處共同施工興建，1982年12月投產(chǎn)，礦井設(shè)計能力120萬t/a，1985年已基本達(dá)到設(shè)計生產(chǎn)能力，主要開采1-2、2-1、2-2和2-3煤層。為擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模，經(jīng)義馬礦務(wù)局、省煤炭廳批準(zhǔn)礦井進(jìn)行改擴(kuò)建，1988年元月動工，1992年12月完工。擴(kuò)建后井型由120萬t/a增加到240萬t/a，凈增120萬t/a。全井田共分三個采區(qū)，即西二、東一、東三采區(qū)。每采區(qū)各配一個綜采生產(chǎn)工作面，其中東三采區(qū)為高產(chǎn)高效工作面，采高2.8—4.7m。全礦井采掘機(jī)械化程度較高，并配備了生產(chǎn)監(jiān)控、安全監(jiān)測系統(tǒng)。第二節(jié)礦井地質(zhì)一、含煤地層和煤層根據(jù)鉆孔揭露，本區(qū)主要分布三疊紀(jì)、侏羅紀(jì)地層。關(guān)于本區(qū)中生代地層的時代劃分問題，許多生產(chǎn)單位和高等院校都做過不少研究工作，隨著研究的不斷深入和古生物化石的大量發(fā)現(xiàn)，地層劃分日趨詳細(xì)和合理。耿村井田自下而上主要發(fā)育中生界三疊系上統(tǒng)潭莊組（T3）、侏羅系中統(tǒng)義馬組（J21）、侏羅系中統(tǒng)上部（J22）、侏羅系上統(tǒng)（J3）及新生界第三系（R）、第四系（Q）地層（圖1-1）。中侏羅統(tǒng)義馬組（義馬組原定為下侏羅統(tǒng)，依據(jù)1986年江蘇煤田地質(zhì)四隊孢粉分析劃為侏羅系中統(tǒng)）為本井田的主要含煤地層，主要由碎屑巖、泥巖和煤層圖1-1耿村礦地層綜合柱狀圖組成，厚25.12～127.10m，一般厚74.6m。含煤5層，由下到上為2-3煤、2-2煤、2-1煤、1-2煤、1-1煤，其中2-3煤普遍可采，1-2、2-1、2-2煤為大面積可采煤層，1-1煤局部可采。煤層總厚22.73m，含煤系數(shù)29.7%。義馬組由下而上分為四段，即底部砂礫巖段、下部含煤砂巖段、中部泥巖段、上部含煤泥巖段。該組地層與下伏上三疊統(tǒng)潭莊組呈不整合接觸。圖1-1耿村礦地層綜合柱狀圖1.底部砂礫巖段該段巖層厚度變化較大，0～39.45m，平均厚13.10m。井田范圍內(nèi)43線以東，由下向上依次為底部砂礫巖、含礫中粗粒砂巖（或夾細(xì)砂巖、粉砂巖）、細(xì)粉砂巖或泥巖、薄層砂礫巖。以西，砂礫巖尖滅，僅在淺部（北部）少數(shù)鉆孔中偶見砂礫巖，其巖性組合由下而上為含礫粗、中（細(xì)）粒砂巖、含礫細(xì)（粉）砂巖或含礫泥巖（多呈互層出現(xiàn)）。井田西南部礫巖段全部由砂質(zhì)泥巖所代替。2.下部含煤砂巖段本段厚31.89～76.66m，主要由煤層和砂巖組成。北部含有三層煤，即2-1、2-2和2-3煤，向南先后合并，最后合并為2-3煤。實質(zhì)上2-1、2-2煤均為2-3煤的分岔煤層，厚度由北向南逐漸變薄消失?，F(xiàn)分層簡述如下。下部：2-3煤層以下，為砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖或煤矸互疊層（曾命名為2-4煤）、泥巖或粉砂巖，位于底部砂礫巖段之上，呈透鏡狀或似層狀分布，屬河流平原泛濫相沉積物。上部：為主要含煤段，由煤層和各粒級的砂巖組成。2-3煤層：下距三迭紀(jì)地層0.5～28.92m，煤層厚度0.24～21.73m，一般8.69m。煤厚變異系數(shù)=63.76，可采性指數(shù)Km=0.96，屬不穩(wěn)定煤層，但厚度大，井田內(nèi)普遍可采。2-2煤層：下距2-3煤0～26.57m，一般9.36m，煤厚2.60～6.18m，平均4.36m，煤厚變系數(shù)=39.90，可采性指數(shù)Km=1.0，屬較穩(wěn)定煤層。結(jié)構(gòu)復(fù)雜，分布于井田＋300m以上。2-1煤層：下距2-2煤4.59～47.26m，一般33.78m。煤厚0.10～6.34m，平均4.7m，煤厚變異系數(shù)=22.88，可采性指數(shù)Km=0.97，屬穩(wěn)定型厚煤層。分布于井田北部＋250m水平以上，+250m以下與2-3煤合并。3.中部泥巖段主要為灰黑色致密狀泥巖，偶夾泥灰?guī)r，具水平層理，含瘤狀、透鏡狀黃鐵礦和菱鐵礦結(jié)核，全井田發(fā)育，為義馬組主要標(biāo)志層(JK1)，厚度由4.04～42.64m，平均厚為24.19m。4.上部含煤泥巖段主要由黃褐色、灰黑色泥巖、1-1煤和1-2煤層所組成，有時泥巖中夾有粉砂巖薄層。井田內(nèi)普遍受到后期剝蝕，保留不全，淺部有的剝蝕殆盡，厚0～10.5m不等，一般為4～6m。1-2煤層：下距2-1煤11.70～42.20m，平均47.42m。厚度0.09～2.62m，平均1.57m，煤厚變異系數(shù)=49.49，可采性指數(shù)Km=0.79，屬不穩(wěn)定煤層，除剝蝕區(qū)外大部分可采。1-1煤層：位于煤系地層頂部，上距J22礫巖0～5.87m，下距1-2煤2.10～2.60m，一般2.23m。該煤層大面積缺失，主要分布在井田的西南隅。二、構(gòu)造耿村井田位于義馬向斜西段北翼，為一總體向南傾斜的單斜構(gòu)造，地層傾角一般在11°～15°之間，僅在井田南部F16斷層附近，地層局部直立或倒轉(zhuǎn)。褶皺不發(fā)育，沿走向局部發(fā)育有寬緩的背、向斜和井田淺部沿走向的撓曲。本區(qū)以斷層為主，西部以F5101正斷層與楊村礦為界，南部止于F16逆斷層。井田內(nèi)斷層主要集中在43線以西，＋250m標(biāo)高以上，全部為正斷層，最大落差18m，最小落差0.3m。斷層沿傾向的延伸性隨落差變小而減弱。井田內(nèi)小斷層在平面展布上，按斷層走向大體可分為NNW、近SN和NNE-NE向三組；按斷層組合的分布特點可劃分為西風(fēng)井構(gòu)造區(qū)、東風(fēng)井構(gòu)造區(qū)和東三皮帶大巷構(gòu)造區(qū)。根據(jù)該井田整個構(gòu)造應(yīng)力場及邊界條件預(yù)測，由西向東，三個構(gòu)造區(qū)在斷層展布范圍和單一斷層的延展規(guī)模上逐漸變小，這些規(guī)律性和差異性，與該井田所處的古構(gòu)造環(huán)境以及煤系形成之后F16斷層由南向北的逆沖有關(guān)。三、煤質(zhì)井田內(nèi)各煤層均為長焰煤，由鉆探煤芯煤樣和生產(chǎn)煤層煤樣綜合分析，1-1煤為中～富灰高硫煤；1-2、2-1和2-2煤均為低～富灰（以中灰為主）特低～中硫煤；2-3煤為中灰特低-中硫煤。原煤空氣干燥基彈筒發(fā)熱量除2-2煤略低外，其它煤層均在20mj/kg以上，屬中等發(fā)熱量煤。經(jīng)洗選煉焦、氣化等試驗，精煤回收率低，可作為煉焦配煤，CO2反應(yīng)性強(qiáng)，產(chǎn)氣率高，適宜氣化用煤。四、水文地質(zhì)及其它開采技術(shù)條件義馬礦區(qū)乃至耿村井田水文地質(zhì)條件簡單，除第三紀(jì)泥灰?guī)r外，均為弱含水層。地表無大的水體，地下水的補(bǔ)給主要靠大氣降水。據(jù)礦井歷年涌水量觀測資料，礦井涌水量月度變化不明顯，歷年涌水量呈遞減趨勢，與大氣降水、開拓進(jìn)尺、采空區(qū)面積相關(guān)關(guān)系不密切。由此可以證實，地下水的補(bǔ)給和逕流條件均較差。歷年礦井最大涌水量為178m3/h，一般在100m3/h，對礦井采掘生產(chǎn)無大的影響。勘探階段和礦井生產(chǎn)期間曾對2-1、2-2和2-3煤層取樣，做煤塵爆炸性鑒定，鑒定結(jié)果顯示各煤層均有煤塵爆炸性危險。該礦在建井期間先后七次發(fā)生煤層自燃，礦井投產(chǎn)以來各煤層均不同程度地發(fā)生過煤層自燃現(xiàn)象，煤層發(fā)火原因決定于回采后浮煤量和推進(jìn)速度（推進(jìn)速度大于35m/d，不易發(fā)火；若小于35m/d，易發(fā)火）。1982年10月耿村礦委托蘭州地勘公司對燃點進(jìn)行試驗，燃點為268℃～270℃。生產(chǎn)期間化驗結(jié)果，原煤樣著火點溫度273℃～277℃，2-2煤稍高，在300℃左右。氧化樣262℃～267℃，2-2煤為294℃。表明煤燃點極低，極易自燃。第三節(jié)礦井瓦斯井田勘探時，127隊曾在12個鉆孔中用玻璃瓶及真空罐采取過瓦斯樣，采樣深度為78.41～523m。分析結(jié)果，瓦斯成分以N2為主（一般在50%以內(nèi)），CO2次之，CH4最低（小于35%），應(yīng)屬瓦斯風(fēng)化帶(N2─CO2帶)范圍。投產(chǎn)以來礦井歷年瓦斯涌出量見表1-1。由表可知，絕對瓦斯涌出量，CH4：2.47～25.86m3/min，CO2：2.79～35.28m3/min；相對瓦斯涌出量，CH4：1.12～7.96m3/t，CO2：1.48～13.17m3/t，歷年瓦斯等級鑒定結(jié)果均屬低瓦斯礦井。但隨著開采深度的增加，瓦斯有增大的趨勢，1996年以來，絕對瓦斯涌出量逐年增大，但相對瓦斯涌出量增加不明顯（表1-1，圖1-2，圖1-3）。表1-1耿村礦歷年瓦斯等級鑒定結(jié)果年度絕對瓦斯涌出量（m3/min）相對瓦斯涌出量（m3/t）鑒定結(jié)果CH4CO2CH4CO2CH4CO219833.846.605.307.59低低19843.515.137.961.63低低19852.472.795.367.53低低19862.903.831.121.48低低19874.307.035.669.59低低19883.504.575.776.31低低19893.535.021.742.47低低19907.5510.163.945.30低低19913.894.963.654.66低低19923.833.822.062.43低低19936.508.606.217.90低低19947.469.864.936.67低低19954.279.424.947.81低低19963.704.592.112.63低19977.7512.592.504.07低19989.8916.143.455.63低199914.4019.633.755.11低200017.7935.286.6413.17低200125.8631.036.597.91低第二章礦井瓦斯地質(zhì)主要特征耿村煤礦屬于低瓦斯礦井。隨著開采深度的增加，礦井瓦斯涌出量不斷增大。本項研究的主要內(nèi)容是分析煤層的瓦斯賦存規(guī)律，對深部水平的瓦斯涌出量進(jìn)行預(yù)測，研究礦井瓦斯的防治技術(shù)，為礦井瓦斯治理提供技術(shù)依據(jù)。第一節(jié)礦井瓦斯地質(zhì)資料的收集和整理由于資料保存的原因，自1982年礦井投產(chǎn)以來，1997年以前的瓦斯通風(fēng)報表大部分已經(jīng)丟失。在1997年以后的瓦斯資料中，1-2煤層和2-2煤層各自只收集到2個回采面及其掘進(jìn)巷道的瓦斯資料，難以掌握其瓦斯的分布面貌。因此，本次工作主要對2-1煤層和2-3煤層進(jìn)行分析和研究。為了掌握耿村礦的瓦斯地質(zhì)特征，我們系統(tǒng)收集整理了以下瓦斯地質(zhì)資料：1.收集了1-2、2-1、2-2、2-3煤層的瓦斯涌出量資料，包括通風(fēng)旬報和月報表，產(chǎn)量和進(jìn)尺，歷年礦井瓦斯等級鑒定資料，計算了各回采面和掘進(jìn)巷道的絕對瓦斯涌出量和相對瓦斯涌出量，并標(biāo)注在各煤層采掘工程平面圖的相應(yīng)位置上。2.收集了井上下對照圖，地形圖，地層綜合柱狀圖，1-2、2-1、2-2、2-3煤層底板等高線圖，以及礦井地質(zhì)報告。3.收集了井田范圍內(nèi)64個鉆孔的原始資料，整理了各煤層的層間距，煤層厚度，頂板巖性，頂板砂巖比等資料數(shù)據(jù)。4.編制了一系列瓦斯地質(zhì)分析圖件(1)各煤層厚度等值線圖(2)各煤層頂板巖性分布圖(3)1-2煤層頂板砂巖比等值線圖(4)1-2~2-1煤層層間距等值線圖(5)2-1~2-2煤層層間距等值線圖(6)2-2~2-3煤層層間距等值線圖(7)各煤層相對瓦斯涌出量等值線圖(8)各煤層絕對瓦斯涌出量等值線圖上述瓦斯地質(zhì)圖件，已采用AutoCAD繪制成計算機(jī)圖件。第二節(jié)瓦斯地質(zhì)的主要特征一、煤層及其沉積環(huán)境義馬組是本區(qū)主要含煤地層。義馬地區(qū)在三疊紀(jì)末由于受印支運(yùn)動的影響，地殼上升遭受剝蝕，在中侏羅世早期，開始沉降并接受沉積。由于盆地北部的剝蝕區(qū)缺乏持續(xù)隆起的古構(gòu)造背景，地形高差變小，沖積扇不斷向北退縮，泥炭沼澤的范圍也不斷向北擴(kuò)展，并在橫向上連成一片，形成了全區(qū)較穩(wěn)定的泥炭沼澤環(huán)境，沉寂了厚、巨厚的2-3煤層。從2-3煤頂?shù)?-1煤頂厚約30m，主要為一套濱湖三角洲體系沉積。在整個煤田形成2-3煤的比較穩(wěn)定的泥炭沼澤持續(xù)了一段時間后，盆地內(nèi)的地殼發(fā)生了兩次比較明顯的差異沉降，耿村井田北部一帶相對沉降較快，由于沉降補(bǔ)償不足而出現(xiàn)湖泊環(huán)境，繼而河流自西北進(jìn)入湖泊，形成一套濱湖三角洲體系沉積。后期，地殼相對穩(wěn)定，差異沉降漸趨減弱乃至消失，使這一帶重新達(dá)到均衡補(bǔ)償，是泥炭沼澤化的有利時期，從而在濱湖三角洲平原上出現(xiàn)了形成了2-2煤的泥炭沼澤環(huán)境。其后隨著河流的改道、收縮，泥炭沼澤環(huán)境不斷擴(kuò)大，并逐漸與南部一直持續(xù)著的2-3煤的泥炭沼澤連成一片。在一個相對穩(wěn)定時期持續(xù)一段時間之后，井田北部一帶又出現(xiàn)了一次面積、幅度均較大的快速沉降，覆水程度加深，中斷了該處的泥炭沼澤環(huán)境，而井田南部仍然是形成2-3煤的泥炭沼澤。與前一種情況類似，井田北部一帶在湖泊充填的后期，地殼運(yùn)動再一次變得比較穩(wěn)定，出現(xiàn)了形成了2-1煤的泥炭沼澤環(huán)境。北部泥炭沼澤環(huán)境不斷擴(kuò)展，又一次與南部的泥炭沼澤連成一片。形成2-1煤的泥炭沼澤環(huán)境持續(xù)了一段時間后，盆地整體大幅度沉降，發(fā)生湖浸，進(jìn)入一種半深湖環(huán)境，二煤組沉積至此結(jié)束。之后沉積了巨厚層狀深灰色泥巖，聚煤作用大為減弱，僅在井田局部地段形成了可采煤層，即l-l煤和l-2煤，稱一煤組。后因地殼上升，一煤組地層局部受到剝蝕，在井田平面分布上顯得殘缺不全，如l-l煤僅分布在井田西南隅。整個義馬組的沉積環(huán)境演化，從底部至頂部在垂向上表現(xiàn)為沖積扇—濱湖三角洲—半深湖—淺濱湖夾小型湖濱三角洲—半深湖環(huán)境，反映了盆地由擴(kuò)張—收縮—再擴(kuò)張的完整旋回。義馬組的沉積環(huán)境演化直接影響到所含煤層的厚度及其變化、煤層之間層間距的變化，進(jìn)而影響到煤層瓦斯涌出和分布。(1)2-3煤層。為了研究2-3煤層厚度變化情況，編制了2-3煤層厚度等值線圖(圖2-1)，從圖中可以比較清楚地看出，2-2煤與2-3煤、2-1煤與2-3煤分岔合并線貫穿井田東西向展布，控制了2-3煤層厚度變化的總體格架。煤層厚度大于16m的煤層主要集中在2-1煤與2-3煤分岔合并線以深的井田南部，呈展布近東西的一條厚煤帶。6m以下煤層主要集中在井田東西一線，大體沿5003孔～4901孔～八-3孔～4604孔～4307孔～4102孔展布，整體為一近東西方向的薄煤帶。可以推斷，在2-3煤形成時期，大致在井田中部存在著一條橫貫東西的隆起帶，控制著薄煤帶的分布，該薄煤帶在2-3煤形成時期正處于隆起帶的頂部。但該薄煤帶反映在2-3煤層厚度等值線圖上并非是連續(xù)的，43～46勘探線之間出現(xiàn)有6～12m的較厚區(qū)段。圖2-12-3煤層厚度等值線圖圖2-12-3煤層厚度等值線圖2-3煤層的厚度變化對開采過程中的瓦斯涌出有較大的影響。2-3煤層的厚煤帶主要分布于與2-1煤層合并線以南，在井田西南部和東南部，煤層厚度增大到20m以上。隨著向深部開采煤層厚度的增大，瓦斯涌出量也會明顯增加。一般來說，與上覆或下伏鄰近煤層的層間距大小，會影響到本煤層開采時的瓦斯涌出量。在一定的層間距范圍內(nèi)，鄰近煤層中的瓦斯會沿采動裂隙涌入開采煤層的采掘空間，造成先期開采的煤層瓦斯涌出量增大，后開采的煤層瓦斯涌出量減小。為了了解2-3煤層與上部鄰近煤層層間距的變化情況，繪制了2-3煤層與2-2、2-1、1-2煤層層間距等值線圖（圖2-2）。從圖上可以看出，受沉積環(huán)境的控制，2-3煤層與2-2煤層層間距等值線分布于井田北部，2-3煤層與2-1煤層層間距等值線分布于井田中部，等值線的方向與煤層合并線的方向一致，呈近東西向展布，越接近分岔合并線，層間距越小，直至層間距為0。2-3煤層與1-2煤層層間距等值線分布于井田南部，向南、向東層間距減小。盡管層間距變化對開采煤層的瓦斯涌出量有較大的影響，但由于層間距等值線的展布方向與煤層底板等高線的展布方向相一致，二者高度相關(guān)，因此本報告第三章建立預(yù)測瓦斯涌出量的數(shù)學(xué)模型時，層間距變量都未能保留在數(shù)學(xué)模型中。圖2-22-3煤層與2-2、2-1、1-2煤層層間距等值線圖圖2-22-3煤層與2-2、2-1、1-2煤層層間距等值線圖(2)2-1煤層。該煤層分布于井田北部＋200m標(biāo)高以上，+200m以下與2-3煤合并。為了解2-1煤層的厚度變化情況，編制了2-1煤層厚度等值線圖（圖2-3）。從圖上可以看出，2-1煤層的厚度變化不大，大部分在4.5m~5.5m之間，小于4.5m的區(qū)域主要分布在井田東翼的淺部，大于5.5m的區(qū)域呈局部零星分布。為了解1-2煤層開采對2-1煤層瓦斯的影響，編制了2-1煤層與1-2煤層層間距等值線圖（圖2-4）。從圖上可以看出，層間距等值線在井田中部和西部的大部分區(qū)域與煤層底板等高線的展布方向一致，但等值線數(shù)值隨煤層埋藏深度的增大而增大，與前述三個層間距等值線正好相反。圖2-42-1煤層與1-2煤層層間距等值線圖圖2-32-1煤層厚度等值線圖圖2-42-1煤層與1-2煤層層間距等值線圖圖2-32-1煤層厚度等值線圖-1二、煤層圍巖煤層圍巖是指煤層直接頂、老頂和直接底板在內(nèi)的一定厚度范圍的層段。煤層圍巖對瓦斯賦存和涌出的影響決定于圍巖的巖性、厚度和巖性組合特征，即其隔氣或透氣性能。當(dāng)煤層頂板巖性為致密完整的巖石時，煤層中的瓦斯容易被保存下來。當(dāng)頂板巖性為多孔隙或裂隙發(fā)育的巖石時，瓦斯容易逸散。2-1煤層的直接頂巖性除井田西北角的5002孔為細(xì)砂巖外，絕大部分為泥巖，另有少量砂質(zhì)泥巖和炭質(zhì)泥巖，頂板巖性在井田范圍內(nèi)變化很小。為了考察煤層圍巖對2-3煤層瓦斯分布的影響，繪制了2-3煤層頂板巖性分布圖（圖2-5）。從圖中可以看出，井田內(nèi)2-3煤層分布有兩個頂板砂巖區(qū)，一個位于井田東北的煤層淺部，42、43、44勘探線附近；另一個位于井田西部邊界49、50勘探線，5006、5008孔周圍的區(qū)域。在建立2-3煤層的預(yù)測瓦斯涌出量的瓦斯地質(zhì)數(shù)學(xué)模型時，井田東部區(qū)的數(shù)學(xué)模型中頂板巖性是一個比較顯著的變量。但2-3煤層的深部未采區(qū)域煤層頂板巖性變化很小，除個別為砂質(zhì)泥巖和粉沙巖均為泥巖，頂板巖性變量在涌出量預(yù)測中的作用不再顯著。圖2-52-3煤層頂板巖性分布圖圖2-52-3煤層頂板巖性分布圖三、地質(zhì)構(gòu)造耿村井田位于義馬煤田的西部，在構(gòu)造上屬軸向近東西（NWW-SEE）的義馬向斜西段。該向斜為一軸面總體向南傾斜、北翼正常、南翼倒轉(zhuǎn)，局部殘存的斜歪傾伏褶皺。耿村井田位于義馬向斜西段，由于受F16走向逆斷層的影響，向斜軸部僅在45線以西有斷續(xù)殘存，致使南部煤系地層與三疊系呈斷層接觸，因而耿村井田主體在義馬向斜北翼，呈現(xiàn)總體向南傾斜的單斜構(gòu)造。該單斜構(gòu)造產(chǎn)狀平緩，地層傾角一般在11～16°之間，僅在F16斷層附近，地層局部直立倒轉(zhuǎn)。井田總體構(gòu)造形態(tài)見2-3煤層底板等高線圖（圖2-6）。圖2-62-3煤層底板等高線圖井田內(nèi)褶皺不發(fā)育，在總體為單斜構(gòu)造的背景下，沿走向、傾向局部有一定變化，表現(xiàn)為沿走向和傾向連續(xù)寬緩的波狀起伏。如42、45、46勘探線附近，走向分別為SE105——近EW——SW250——NW290，表征了沿走向存在著軸向近南北、平緩開闊的背斜、向斜存在，沿傾向上的變化相對比較穩(wěn)定，僅在45線以西，+350m水平以上煤層淺部有軸向近東西的撓曲現(xiàn)象。圖2-62-3煤層底板等高線圖井田邊界斷層有F16、F17、F5101。F16斷層位于井田南緣，為井田深部邊界斷層。斷層總體走向呈NWW向，局部方向有所偏轉(zhuǎn)，落差在500m左右，是一個上盤三疊紀(jì)地層被推覆于中侏羅統(tǒng)義馬組之上的走向逆斷層。F17斷層為橫穿義馬煤田南部的一條正斷層，在耿村井田深部42線以東切割F16，該斷層走向NW290°，傾向NE，落差600m。F5101斷層為井田西部邊界，為耿村與揚(yáng)村井田的邊界斷層，斷層走向NNW，自煤層露頭邊界至井田南部邊界，全長約2km，傾向SWW，，傾角一般≥80°，落差32m。截至1996年3月的統(tǒng)計，井田內(nèi)已經(jīng)揭露并填繪在地質(zhì)圖件上的斷層共77條，目前已發(fā)現(xiàn)的小斷層主要集中在43線以西，+250m標(biāo)高以上。在斷層性質(zhì)上，全部為正斷層，其組合特征為階梯狀，或地壘、地塹形式。由于有瓦斯實測資料的巷道和回采面較少，未對地質(zhì)構(gòu)造對瓦斯分布的影響進(jìn)行系統(tǒng)的分析。但是在建立預(yù)測2-3煤層瓦斯涌出量的數(shù)學(xué)模型過程中，考慮到井田東西兩翼在地質(zhì)構(gòu)造上存在較大差異，井田內(nèi)的中、小型斷層主要分布在井田西翼，井田東翼發(fā)現(xiàn)的斷層很少，因此以井田中部的東回風(fēng)井為界，在井田東部和西部分別建立數(shù)學(xué)模型，分別對東西兩翼深部的瓦斯涌出量進(jìn)行預(yù)測，取得了滿意的預(yù)測效果。第三章礦井瓦斯涌出量預(yù)測瓦斯涌出量預(yù)測是生產(chǎn)礦井進(jìn)行通風(fēng)設(shè)計以及制定瓦斯防治措施的依據(jù)。根據(jù)研究計劃，本項研究在分析研究影響瓦斯涌出的地質(zhì)因素基礎(chǔ)上，對2-1和2-3煤層未采區(qū)域的瓦斯涌出量進(jìn)行了預(yù)測。由于瓦斯歷史資料缺失較多，1-2煤層只收集到12111、12131二個回采面，2-2煤層只收集到13011、13061二個回采面的瓦斯涌出量資料（見附錄），因而原計劃對1-2和2-2煤層的瓦斯涌出量預(yù)測工作未能進(jìn)行。第一節(jié)瓦斯涌出量預(yù)測方法一、國內(nèi)外瓦斯涌出量預(yù)測方法研究現(xiàn)狀從目前國內(nèi)外研究現(xiàn)狀來看，礦井瓦斯涌出量預(yù)測方法可分為兩類：一類是建立在數(shù)理統(tǒng)計基礎(chǔ)上的礦山統(tǒng)計法，這種方法依據(jù)礦井瓦斯涌出量隨開采深度變化的統(tǒng)計規(guī)律，外推到預(yù)測的新區(qū)；另一類是以煤層瓦斯含量為基本預(yù)測參數(shù)的瓦斯含量法，這種方法通過計算井下各涌出源的瓦斯涌出量，得到礦井或某一預(yù)測范圍的涌出量預(yù)測值。經(jīng)過近一、二十年不斷的研究發(fā)展，目前瓦斯含量法已達(dá)到實用化階段。這種方法既考慮了決定瓦斯涌出量大小的基本因素——煤層瓦斯含量，還考慮了一些相關(guān)的地質(zhì)因素和開采因素。國內(nèi)外這類預(yù)測方法有近十種，由于各種方法在確定各涌出源的瓦斯涌出率時所考慮的影響因素不同，或采用的物理模型不一樣，因而形成了不同的計算公式。對同一礦井采用不同的瓦斯含量法，其預(yù)測結(jié)果相差較大。另一方面，由于瓦斯含量法以煤層瓦斯含量作為預(yù)測的基礎(chǔ)依據(jù)，因而對煤層瓦斯含量測定值的可靠性和含量點的分布及密度有較高的要求。如果預(yù)測區(qū)內(nèi)只有很少的瓦斯含量測定點（這種情況是比較普遍的），那么第一步的瓦斯含量預(yù)測就不可靠，由此而進(jìn)行的瓦斯涌出量預(yù)測，其精度將難以保證。礦山統(tǒng)計法是我國目前應(yīng)用較為廣泛的預(yù)測方法。由于礦山統(tǒng)計法僅考慮瓦斯涌出量與開采深度一個因素之間的關(guān)系，故其適用范圍受到一定的限制。對于地質(zhì)條件簡單的礦井，瓦斯涌出量的變化主要受開采深度的制約，采用礦山統(tǒng)計法預(yù)測深部未采區(qū)域的瓦斯涌出量是可行的，預(yù)測結(jié)果可以滿足生產(chǎn)要求。而在很多生產(chǎn)礦井，由于礦井地質(zhì)條件的變化，瓦斯涌出量除了與開采深度有關(guān)以外，與某些地質(zhì)因素也存在較密切的關(guān)系。在這種情況下，只考慮開采深度的預(yù)測方法將難以達(dá)到生產(chǎn)要求的預(yù)測精度。二、瓦斯地質(zhì)數(shù)學(xué)模型法的基本原理本項研究采用瓦斯地質(zhì)數(shù)學(xué)模型法進(jìn)行瓦斯涌出量預(yù)測。瓦斯地質(zhì)數(shù)學(xué)模型法的基本原理是：通過瓦斯地質(zhì)規(guī)律研究，分析瓦斯涌出量的變化規(guī)律和影響瓦斯涌出量變化的主要地質(zhì)因素。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)礦井已采地區(qū)的瓦斯涌出量實測數(shù)據(jù)和相關(guān)的地質(zhì)資料，綜合考慮各種影響因素，采用一定的數(shù)學(xué)方法，建立預(yù)測瓦斯涌出量的多變量數(shù)學(xué)模型（預(yù)測方程），利用所建立的數(shù)學(xué)模型，對礦井未采區(qū)域的瓦斯涌出量進(jìn)行預(yù)測。瓦斯地質(zhì)數(shù)學(xué)模型法采用數(shù)量化理論Ⅰ作為建模工具。數(shù)量化理論是一種可以同時處理定性變量和定量變量的多元統(tǒng)計分析方法，亦可只處理定性變量或定量變量。數(shù)理化理論Ⅰ是數(shù)量化理論的方法之一，用于解決從定性的或兼有定量的自變量出發(fā)對因變量的預(yù)測問題。在瓦斯地質(zhì)相關(guān)因素定量分析中，某些地質(zhì)因素難以定量化，如煤層的頂、底板巖性，只是某種屬性的描述，而沒有量的概念，這類變量稱為定性變量。當(dāng)某些定性變量是影響瓦斯涌出量變化的主要因素時，就成為不可忽略的因素。而一般的多元統(tǒng)計分析方法，如多元回歸分析，只能解決從定量的自變量出發(fā)對因變量的預(yù)測問題。另外，在實際應(yīng)用中，某些影響因素可以用定量變量的形式來描述，但如果這些因素對瓦斯涌出量的影響是趨勢性的，將其轉(zhuǎn)化為定性變量參加建立數(shù)學(xué)模型可能會得到更好的預(yù)測效果。轉(zhuǎn)化后是否得到了更高的預(yù)測精度，可以通過統(tǒng)計檢驗的方法來確定。定量變量轉(zhuǎn)化為定性變量的方法是，根據(jù)某一定量變量的取值范圍，劃分為互不相交的若干個區(qū)間，取值于同一區(qū)間時則認(rèn)為是同一等級，這樣便將此定量變量轉(zhuǎn)化為定性變量。區(qū)間的劃分可以采用數(shù)學(xué)方法，例如以平均值為界可劃分為二個區(qū)間，均分三段可劃分為三個區(qū)間，等等。由上述分析可以看出，采用數(shù)量化理論Ⅰ建立預(yù)測瓦斯涌出量的數(shù)學(xué)模型具有比較廣泛的適用性。三、數(shù)量化理論Ⅰ簡介數(shù)量化理論Ⅰ用于對定量因變量的預(yù)測問題，它不但可以用于自變量為定量變量的情形，還可以用于自變量為定性變量或既有定量變量也有定性變量的情形。1.反應(yīng)及反應(yīng)矩陣在數(shù)量化理論中，常把定性變量叫做項目，而把定性變量的各種不同的取“值”叫做類目。設(shè)因變量y受m個項目x1,x2,…,xm的影響，第一個項目x1有r1個類目c11,c12,…,c1r1，第二個項目x2有r2個類目c21,c22,…,c2r2,……，第m個項目xm有rm個類目cm1,cm2,…,cmrm，m個項目共有個類目。如果有n個樣品，其測定結(jié)果可表示為下列項目、類目反應(yīng)表（表3-1）。表3-1項目、類目反應(yīng)表樣品號因變量x1x2…xmc11,c12,…,c1r1c21,c22,…,c2r2…cm1,cm2,…,cm,rm123…ny1y2y3…yn…,…,…,…,…,…,……,…,…,…,…,…,…,……,………………,…,…,…,…,…,……,1第i樣品中j項目的定性數(shù)據(jù)為k類目=表中是因變量y在第i個樣品中的測定值，(i=1,2,…n;j=1,2,…1第i樣品中j項目的定性數(shù)據(jù)為k類目=由元素構(gòu)成的n×p階矩陣稱為反應(yīng)矩陣。反應(yīng)有個重要性質(zhì)，即對每個固定的i和j，有這是由于任一樣品在每個項目中只有一個類目的反應(yīng)是1，其余的反應(yīng)皆為0之故。2.數(shù)量化理論Ⅰ的數(shù)學(xué)模型1)定性自變量的數(shù)學(xué)模型假定因變量與各項目、類目的反應(yīng)間遵從下列線性模型：為了使方程的預(yù)測值盡量接近實測值，可以根據(jù)最小二乘法原理尋求系數(shù)bjk，即使達(dá)到最小值。為此，求q對buv的偏導(dǎo)數(shù)，并令偏導(dǎo)數(shù)等于0，得到設(shè)是使q達(dá)到最小值的bjk，則應(yīng)滿足上式，即如果用矩陣形式來表示，上式可寫成式中=(y1,y2,…,yn)；此方程組稱為正規(guī)方程（組）。從正規(guī)方程解出之后，便得到下面的預(yù)測方程：式中表示任一樣品在j項目k類目上的反應(yīng)。當(dāng)取得一樣品時，便可由其反應(yīng)，利用上式算出，就是因變量y的預(yù)測值。對于所建立的預(yù)測方程，需要計算F統(tǒng)計量檢驗方程的顯著性；計算偏相關(guān)系數(shù)檢驗每個項目對預(yù)測的貢獻(xiàn)；計算剩余標(biāo)準(zhǔn)差考查方程的預(yù)測精度?？刹捎迷黾禹椖糠ɑ驕p少項目法，通過統(tǒng)計檢驗，使預(yù)測方程中只包含對因變量有顯著影響的項目，建立最優(yōu)的預(yù)測方程。2)正規(guī)方程的解法可以證明，正規(guī)方程中最多有個方程是線性無關(guān)的。這表明系數(shù)矩陣是不滿秩的，其秩最多是，因此方程的解是無窮多的。當(dāng)樣品數(shù)n足夠大時，總可保證的秩是。這時，我們可以對每個j=2,…,m,刪去第j項目第一類目的方程并取，以使刪除后的方程組的系數(shù)矩陣成為滿秩的，故可唯一地解出其余的?？梢宰C明，這樣去解正規(guī)方程不失一般性，并且確使q達(dá)到最小。3)兼有定性和定量自變量時的數(shù)學(xué)模型設(shè)自變量中有h個是定量變量，它們在第i個樣品中的數(shù)據(jù)為xi(u)(u=1,2,…,h;i=1,2,…,n)。有m個定性變量，即m個項目，其中第j個項目有rj個類目，它們在第i個樣品中的反應(yīng)度為（j=1,2,…,m;k=1,2,rj;i=1,2,…,n）。因變量的數(shù)據(jù)為yi(i=1,2,…,n)。假定因變量與各定量自變量及項目、類目的反應(yīng)間遵從如下線性模型：式中bu(u=1,2,…h(huán))，bjk(j=1,2,…,m;k=1,2,…,rj)是未知系數(shù)，εi(i=1,2,…,n)是隨機(jī)誤差。類似僅有定性變量時的推導(dǎo)過程，可以得到bu和bjk的最小二乘估計(u=1,2,…,h)、(j=1,2,…,m;k=1,2,…,rj)滿足正規(guī)方程式中上式可在(j=2,…,m)的條件下求解，而得到預(yù)測方程四、瓦斯地質(zhì)數(shù)學(xué)模型軟件采用瓦斯地質(zhì)數(shù)學(xué)模型法進(jìn)行煤層瓦斯含量預(yù)測，需要進(jìn)行大量的計算工作，要求用計算機(jī)完成數(shù)學(xué)建模和未采區(qū)預(yù)測工作。研制瓦斯地質(zhì)數(shù)學(xué)模型軟件，可由計算機(jī)高速、高效、準(zhǔn)確、靈活地完成上述工作。瓦斯瓦斯地質(zhì)數(shù)學(xué)模型軟件定量變量數(shù)(h):定性變量數(shù)(m):樣品數(shù)(n):t(n-m-h-1):F(h+m,n-h-m-1):變量輸入提示(H)輸入或修改數(shù)據(jù)文件(S)運(yùn)行數(shù)據(jù)文件(W)方程顯著性:復(fù)相關(guān)系數(shù):剩余標(biāo)準(zhǔn)差:最大偏差:運(yùn)算輸出詳細(xì)資料(X)預(yù)測未知單元(Y)退出(T)F統(tǒng)計量:圖3-1瓦斯地質(zhì)數(shù)學(xué)模型軟件主對話框YYN開始輸入定量變量數(shù)、定性變量數(shù)、樣品數(shù)和t、F檢驗值輸入或修改數(shù)據(jù)文件運(yùn)行數(shù)據(jù)文件判斷方程的顯著性查看詳細(xì)資料判斷自變量的顯著性預(yù)測未知單元輸入或修改待測數(shù)據(jù)文件運(yùn)行待測數(shù)據(jù)文件預(yù)測結(jié)果查看詳細(xì)資料N圖3-2瓦斯地質(zhì)數(shù)學(xué)模型軟件主程序流程1.軟件結(jié)構(gòu)軟件是用MFCAppWizard(exe)生成的基于對話的應(yīng)用程序，其主對話框（圖3-1）由兩個組合框和6個按鈕組成。兩個組合框分別包含5個靜態(tài)文本和5個編輯控件，用來初始化變量和輸出運(yùn)行結(jié)果。6個按鈕分別對應(yīng)6個成員函數(shù)，各表示不同的功能。主程序流程如圖3-2所示?，F(xiàn)將6個按鈕的主要功能分別介紹如下：(1)提示按鈕：幫助說明將要輸入的已知樣品數(shù)據(jù)文件格式。(2)輸入或修改數(shù)據(jù)文件按鈕：按下此按鈕進(jìn)入記事本編輯狀態(tài)，可以輸入、修改、增加和刪除已知樣品的原始數(shù)據(jù)。(3)運(yùn)行數(shù)據(jù)文件按鈕：按下此按鈕進(jìn)入一個選擇對話框，可以選擇將要運(yùn)行的數(shù)據(jù)文件。(4)詳細(xì)資料按鈕：按下此按鈕將顯示運(yùn)行的詳細(xì)結(jié)果，其中包括：已知樣品的原始數(shù)據(jù)、預(yù)測方程及其顯著性、已知樣品的預(yù)測結(jié)果及其偏差、變量間的相關(guān)矩陣、F統(tǒng)計量、復(fù)相關(guān)系數(shù)、剩余標(biāo)準(zhǔn)差、各變量的偏相關(guān)系數(shù)、各變量的t統(tǒng)計量。(5)預(yù)測未知單元按鈕：按下此按鈕將進(jìn)入預(yù)測對話框（圖3-3）。在預(yù)測對話框里可以對未知樣品的因變量進(jìn)行預(yù)測。此對話框包括5個按鈕，分別為：提示按鈕、輸入或修改數(shù)據(jù)文件按鈕、運(yùn)行數(shù)據(jù)文件按鈕、預(yù)測結(jié)果按鈕和退出按鈕，它們分別表示幫助信息、輸入或修改待測樣品的數(shù)據(jù)、運(yùn)行待測樣品的數(shù)據(jù)文件、輸出預(yù)測結(jié)果和退出該預(yù)測對話框。(6)退出按鈕：按下此按鈕，退出此軟件系統(tǒng)。2.軟件用法簡介預(yù)測對話框未知單元個數(shù):提預(yù)測對話框未知單元個數(shù):提示(H)輸入或修改數(shù)據(jù)文件(S)運(yùn)行數(shù)據(jù)文件(W)預(yù)測結(jié)果(J)未知單元預(yù)測退出(T)圖3-3預(yù)測對話框若預(yù)測方程顯著，并且各個自變量的顯著性均滿足要求，即可按下預(yù)測未知單元按鈕進(jìn)入預(yù)測對話框，在此對話框里可對未知樣品進(jìn)行預(yù)測。第二節(jié)預(yù)測方法和步驟一、統(tǒng)計單元的確定瓦斯地質(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)測瓦斯涌出量的數(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。本項研究以回采工作面的瓦斯涌出量為預(yù)測目標(biāo)，因此選擇回采工作面作為統(tǒng)計單元。耿村礦自1982年12月投產(chǎn)以來，至2002年2月，已有19年的開采歷史。由于通風(fēng)瓦斯報表丟失，只收集到1997年3個月和1998年~2002年2月共5年多的瓦斯涌出量實測資料，其中2-1煤層的回采工作面4個，2-3煤層的回采工作面6個。采用數(shù)量化理論Ⅰ建立預(yù)測瓦斯涌出量的瓦斯地質(zhì)數(shù)學(xué)模型需要有一定數(shù)量的已知統(tǒng)計單元，滿足（n為樣品數(shù)，h為自變量中定量變量的個數(shù)，為定性自變量類目總數(shù)），即已知樣品數(shù)量要足夠大，至少要大于等于定量自變量個數(shù)與定性自變量線性無關(guān)的類目總數(shù)之和，否則無法求解正規(guī)方程組。為了彌補(bǔ)已知資料的不足，增加已知統(tǒng)計單元的數(shù)量，以工作面月回采線為界，將每個回采工作面劃分為2~4個統(tǒng)計單元。這樣，2-1煤層劃分出11個已知統(tǒng)計單元（表3-2），2-3煤層劃分出個22個已知統(tǒng)計單元（表3-5、表3-7）。二、變量的選擇和取值采用數(shù)理化理論Ⅰ建立預(yù)測瓦斯涌出量的數(shù)學(xué)模型，待預(yù)測的瓦斯涌出量為因變量，各種影響因素為自變量。1)因變量經(jīng)調(diào)查分析，耿村礦回采工作面的瓦斯涌出量構(gòu)成中，采空區(qū)和鄰近煤層的瓦斯涌出占了很大的比例，瓦斯涌出量與產(chǎn)量的關(guān)系不密切。根據(jù)耿村礦的具體情況和預(yù)測要求，以回采工作面的絕對瓦斯涌出量（m3/min）作為因變量。依據(jù)實測資料，計算出每個統(tǒng)計單元所包含的各回采月份絕對瓦斯涌出量的平均值，作為該統(tǒng)計單元的因變量數(shù)據(jù)。2)自變量(1)定性變量和定量變量自變量按其性質(zhì)可分為定性變量和定量變量。在數(shù)理化理論中，定性變量是以二態(tài)變量來取值的，即用“0”和“1”來表示某種屬性“無”和“有”。例如，本項研究中東翼采區(qū)2-3煤層頂板有二種巖性：泥巖和砂巖，選擇頂板巖性為自變量時，該自變量即屬定性變量，分為泥巖、砂巖二個類目。其取值方法是，某個統(tǒng)計單元的中心點屬于哪個類目（巖性），便將其記為“1”，另一個類目則記為“0”。假定某統(tǒng)計單元煤層頂板巖性為砂巖，則該單元頂板巖性變量的取值結(jié)果為（定量變量的取值方法是，在各自變量的等值線圖上，內(nèi)插出每個已知統(tǒng)計單元中心點的變量值，作為該統(tǒng)計單元的自變量數(shù)據(jù)。(2)變量的選取影響瓦斯涌出量變化的因素很多，不同的礦井、同一礦井的不同煤層，影響煤層瓦斯涌出的主要因素不盡一致。前述瓦斯地質(zhì)相關(guān)因素的分析為自變量的選取提供了一定的依據(jù)。為了使建立的數(shù)學(xué)模型盡可能反映客觀規(guī)律，不漏掉有用的信息，我們在開始選擇變量時，應(yīng)盡量多選，然后在建立數(shù)學(xué)模型過程中再用數(shù)學(xué)方法進(jìn)行挑選。在本項研究中，根據(jù)對2-1和2-3煤層的瓦斯地質(zhì)分析，我們考慮了如下一些可能的影響因素作為自變量：煤層底板高程，煤層埋深，煤層厚度，煤層分合層，煤層頂板巖性，煤層頂板砂巖比，與下部煤層的層間距，到煤層合并線的距離等。由于有瓦斯涌出量數(shù)據(jù)的回采工作面不多，且在這些工作面遇到的地質(zhì)構(gòu)造很少，因而在選擇變量時未考慮地質(zhì)構(gòu)造因素。三、建立預(yù)測方程根據(jù)所選擇的因變量和自變量，以及在已知區(qū)域內(nèi)所確定的統(tǒng)計單元，分別對各單元的變量取值，繪制基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表格。根據(jù)所取得的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，采用數(shù)量化理論Ⅰ的方法原理，可建立預(yù)測煤層瓦斯涌出量的瓦斯地質(zhì)數(shù)學(xué)模型（預(yù)測方程）。所建立的預(yù)測方程是否有實際意義，需要進(jìn)行統(tǒng)計檢驗。一般采用方差分析法計算統(tǒng)計量F，并在一定的顯著性水平下查F分布表，當(dāng)F統(tǒng)計量大于等于F臨界值時，說明預(yù)測方程顯著，可用于未采區(qū)域的瓦斯涌出量預(yù)測。否則，需要從原始資料入手，對變量的選擇和取值進(jìn)行分析研究，或刪除與瓦斯涌出量關(guān)系不顯著的自變量，調(diào)整后重新建立預(yù)測方程。對于所建立的預(yù)測方程，還需檢驗每個自變量對預(yù)測的重要性。檢驗有多種方法，一般采用偏相關(guān)系數(shù)法計算因變量對各自變量的偏相關(guān)系數(shù)。偏相關(guān)系數(shù)越大，說明該自變量對預(yù)測的貢獻(xiàn)越大。同時計算由偏相關(guān)系數(shù)構(gòu)成的統(tǒng)計量tj，在一定的顯著性水平下查t分布表，當(dāng)tj大于等于t臨界值時，說明第j個自變量對預(yù)測的重要性顯著。預(yù)測方程中應(yīng)當(dāng)只包含與因變量關(guān)系顯著的自變量，不顯著的變量應(yīng)予以剔除。預(yù)測方程的建立一般需反復(fù)多次，最終得到滿足預(yù)測要求的數(shù)學(xué)模型。四、未采區(qū)瓦斯涌出量預(yù)測數(shù)學(xué)模型建立之后，未采區(qū)域的瓦斯涌出量預(yù)測可采用以下兩種方法。（1）未采區(qū)域有完整的設(shè)計圖。對未采工作面進(jìn)行瓦斯涌出量預(yù)測，應(yīng)當(dāng)以未采區(qū)設(shè)計工作面為統(tǒng)計單元，根據(jù)預(yù)測方程中所選入的自變量，采用與已采區(qū)域相同的取值方法，對各自變量逐一取值，代入預(yù)測方程，便可計算出每個設(shè)計工作面的瓦斯涌出量預(yù)測值。（2）未采區(qū)只有規(guī)劃設(shè)計，無完整的設(shè)計圖。未采區(qū)域的預(yù)測結(jié)果可以用預(yù)測等值線的形式來表示。具體作法是，在預(yù)測區(qū)平面圖上，可以采用坐標(biāo)方格網(wǎng)的交點為預(yù)測點，或以煤層底板等高線與勘探線的交點為預(yù)測點，根據(jù)預(yù)測方程中所包含的自變量，對每個選入的自變量取值，然后代入預(yù)測方程，可得到每個預(yù)測點位置上的瓦斯涌出量預(yù)測值。采用一定的等值距，可繪制出瓦斯涌出量預(yù)測等值線。本項研究采用第2種方法，以煤層底板等高線與勘探線的交點為預(yù)測點，對未采區(qū)域進(jìn)行瓦斯涌出量預(yù)測，繪制未采區(qū)瓦斯涌出量預(yù)測等值線。第三節(jié)2-1煤層瓦斯涌出量預(yù)測由于資料丟失，只收集到井田西部2-1煤層12161、12181、12111、12131四個回采工作面的瓦斯涌出量實測數(shù)據(jù)（見附錄）。目前井田范圍內(nèi)2-1煤層未采地區(qū)已所剩不多，只有井田東部邊界2-1煤層與2-3煤層合并線上部、井田西部西采區(qū)石門下部至2-1煤層與2-3煤層合并線二個范圍不大的未采塊段。鑒于有實測數(shù)據(jù)的4個回采工作面均位于井田西部，井田東部未采區(qū)與之相距很遠(yuǎn)，難以保證東部未采區(qū)的預(yù)測精度，因而本次2-1煤層的瓦斯涌出量預(yù)測只限于西部未采地區(qū)。一、已知統(tǒng)計單元基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表3-22-1煤層已采區(qū)統(tǒng)計單元基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表單元編號煤層底板標(biāo)高（m）煤層厚度（m）分合層瓦斯涌出量(m3/min)備注分層合層1274.903.40107.2712161面，97年Ⅻ-98Ⅱ2278.804.80104.1612161面，98年Ⅲ-Ⅵ3266.004.80105.3612161面，98年Ⅶ-Ⅸ4236.004.601012.5912181面，01年Ⅲ-Ⅴ5228.005.600113.6312181面，01年Ⅵ-Ⅷ6278.005.20103.0412111面，99年Ⅸ-00年Ⅰ7253.005.00106.5712111面，99年Ⅵ-Ⅷ8240.009.60017.2112111面，99年Ⅲ-Ⅴ9224.0011.0015.9512111面，98年Ⅻ-99年Ⅱ10215.006.100115.0112131面，01年Ⅺ-Ⅻ11202.007.300115.6412131面，01年Ⅷ-Ⅹ收集有瓦斯涌出量實測數(shù)據(jù)的4個2-1煤層回采工作面中，劃分出11個已知統(tǒng)計單元，在已知統(tǒng)計單元的絕對瓦斯涌出量和各自變量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)如表3-2所示（未包括已剔除的自變量）。二、數(shù)學(xué)模型y=-0.1635157582x(1)-1.4955968218x(2)+56.6696737838x(1,1)+59.6009222158x(1,2)式中y——瓦斯涌出量預(yù)測值，m3/min；x(1)——煤層底板標(biāo)高，m，定量變量；x(2)——煤層厚度m，定量變量；x(1,1)——煤層分合層變量（定性變量）之“分層”類目；x(1,2)——煤層分合層變量（定性變量）之“合層”類目。上述預(yù)測方程是經(jīng)過多次優(yōu)化得到的，開始選擇變量時還包括煤層頂板巖性、頂板砂巖比、2-1煤層與2-3煤層的層間距等。2-1煤層的直接頂板巖性除1個鉆孔揭露為細(xì)砂巖外，其余35個鉆孔煤層頂板巖性均為泥巖和砂質(zhì)泥巖，巖性變化差異性很小。2-1煤層與2-3煤層的層間距和2-1煤層頂板砂巖比兩個變量，其平面展布大體上都與煤層走向一致，且頂板砂巖比隨埋藏深度的增加而增大，2-1煤層與2-3煤層的層間距隨埋藏深度的增加而減小。盡管與2-3煤層層間距的大小對2-1煤層開采時鄰近煤層的瓦斯排放有較大影響，但由于層間距與煤層底板標(biāo)高（反映埋藏深度大?。┲g有較大的相關(guān)性（相關(guān)系數(shù)r=0.803），因而2-1煤層與2-3煤層層間距變量在數(shù)學(xué)模型中統(tǒng)計檢驗不顯著，應(yīng)予剔除；頂板砂巖比變量情況相同。因此，在最終得到的數(shù)學(xué)模型中只保留了煤層底板標(biāo)高、煤層厚度和煤層分合層三個變量。預(yù)測方程的F統(tǒng)計量為71.95，大于在0.01水平下的F臨界值，說明預(yù)測方程顯著，具有預(yù)測意義。各自變量的偏相關(guān)系數(shù)依次為0.9484、0.9413、0.6392，相應(yīng)的t統(tǒng)計量分別為7.9110、7.3752、2.1992，其中煤層底板標(biāo)高和煤層厚度變量的t統(tǒng)計量均大于0.01顯著性水平下的t臨界值，煤層分合層變量的t統(tǒng)計量大于0.05顯著性水平下的t臨界值，說明3個自變量檢驗顯著，其中煤層底板標(biāo)高和煤層厚度變量與瓦斯涌出量的關(guān)系更密切一些。方程的剩余標(biāo)準(zhǔn)差s為0.965，說明預(yù)測精度能夠滿足生產(chǎn)要求。三、預(yù)測效果檢驗在收集的2-1煤層已采區(qū)數(shù)據(jù)中，包括12131工作面2001年8月~2002年2月的瓦斯涌出量數(shù)據(jù)。建立數(shù)學(xué)模型過程中只采用了2001年8月~12月的數(shù)據(jù)，2002年1月和2月的數(shù)據(jù)留作預(yù)測效果的實際檢驗。將2-1煤層12131工作面2002年1月和2月回采范圍的中點作為預(yù)測點，將該點的煤層底板標(biāo)高、煤層厚度和分合層數(shù)據(jù)作為自變量帶入所建立的預(yù)測方程，可得到瓦斯涌出量預(yù)測值為9.20m3/min，而12131回采面2002年1月和2月實測瓦斯涌出量的平均值為10.01m3/min，預(yù)測的相對誤差為-8.1%，說明所建立的數(shù)學(xué)模型具有較高的預(yù)測精度（表3-3）。表3-32-1煤層瓦斯涌出量預(yù)測效果檢驗工作面時間煤層底板標(biāo)高（m）煤層厚度（m）分合層瓦斯涌出量預(yù)測值(m3/min)瓦斯涌出量實測值(m3/min)相對誤差（%）分層合層121312002.1~2002.2238.005.72109.2010.01-8.1四、未采區(qū)域瓦斯涌出量預(yù)測井田西部2-1煤層的未采區(qū)域位于西采區(qū)石門下部至2-1煤層與2-3煤層合并線之間。選取48勘探線和49勘探線與+250m煤層底板等高線、2-1與2-3煤層合并線的4個交點作為預(yù)測點，根據(jù)預(yù)測方程中確定的自變量（煤層底板標(biāo)高、煤層厚度、分合層），按照與已知統(tǒng)計單元相同的自變量取值方法對各自變量取值，然后將各預(yù)測點的自變量數(shù)據(jù)帶入預(yù)測方程，可計算出每個預(yù)測點位置的瓦斯涌出量預(yù)測值。井田西部2-1煤層未采區(qū)域的預(yù)測結(jié)果見表3-4。以這四個點的預(yù)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用2m3/min的等值距，繪制了井田西部2-1煤層瓦斯涌出量預(yù)測圖（圖3-4）。從預(yù)測圖上可以看出，預(yù)測區(qū)內(nèi)2-1煤層瓦斯涌出量等值線沿北東方向展布，等值線范圍從8m3/min增大到14m3/min，具有隨煤層埋藏深度的增加而增大的總體趨勢。表3-4井田西部2-1煤層未采區(qū)瓦斯涌出量預(yù)測結(jié)果預(yù)測點編號煤層底板標(biāo)高（m）煤層厚度（m）分合層瓦斯涌出量預(yù)測值(m3/min)備注分層合層1250.005.0108.3148勘探線與+250m等高線交點2250.005.00108.3149勘探線與+250m等高線交點3196.005.901015.8048勘探線與2-1和2-3合并線交點4232.005.97109.8149勘探線與2-1和2-3合并線交點圖3-4井田西部2-1煤層瓦斯涌出量預(yù)測圖圖3-4井田西部2-1煤層瓦斯涌出量預(yù)測圖第四節(jié)2-3煤層瓦斯涌出量預(yù)測井田內(nèi)收集到有瓦斯涌出量實測數(shù)據(jù)的2-3煤層已經(jīng)回采的工作面有6個，其中12061、12101、12121三個回采面位于井田西部邊界，13011、13021、13041三個回采面位于井田東部，這些回采面的瓦斯涌出量實測數(shù)據(jù)見附錄。耿村井田東西走向長4.5km，范圍較大，且東西兩翼在地質(zhì)條件上存在一些差異，如井田西翼較井田東翼斷層發(fā)育?？紤]到如果在井田內(nèi)對2-3煤層建立一個瓦斯涌出量數(shù)學(xué)模型，將影響到深部未采區(qū)域的瓦斯涌出量預(yù)測精度。因此，以井田中部東回風(fēng)井為界，在井田西翼采區(qū)和東翼采區(qū)分別建立2-3煤層瓦斯涌出量的數(shù)學(xué)模型，并分別對井田西翼和東翼的瓦斯涌出量進(jìn)行預(yù)測，然后編制統(tǒng)一的2-3煤層瓦斯涌出量預(yù)測等值線圖。井田西翼的12061、12101、12121工作面回采結(jié)束之后，沒有新的生產(chǎn)工作面，2-3煤層的生產(chǎn)采面13031、13041都位于井田東翼，因此，2-3煤層的瓦斯涌出量預(yù)測采用東翼采區(qū)這兩個工作面進(jìn)行實踐性檢驗。一、井田西翼采區(qū)2-3煤層瓦斯涌出量預(yù)測1.已知統(tǒng)計單元基礎(chǔ)數(shù)據(jù)井田西翼2-3煤層有3個已回采工作面，劃分出13個已知統(tǒng)計單元。已知統(tǒng)計單元的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)如表3-5所示。表中的絕對瓦斯涌出量（m3/min）為因變量，煤層底板標(biāo)高、煤層埋深、煤層厚度、煤層頂板巖性、到2-2與2-3煤層合并線的距離為自變量。自變量中前3個為定量變量，后2個為定性變量。定性變量一般采用前述的“0，1”取值法，但對于以范圍表示的定性變量，采用百分比取值法。如頂板巖性變量包含泥巖和砂巖兩個類目，某統(tǒng)計單元中泥巖頂板的范圍占60%，砂巖頂板的范圍占40%，則該單元頂板巖性變量的取值結(jié)果為“0.6，0.4”。定量變量以統(tǒng)計單元內(nèi)的平均值作為取值結(jié)果。表3-5井田西翼2-3煤層已采區(qū)統(tǒng)計單元基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表單元編號煤層底板標(biāo)高（m）煤層埋深（m）煤厚(m)頂板巖性到2-2與2-3煤層合并線的距離(m)絕對瓦斯涌出量(m3/min)備注泥巖砂巖≤200＞2001404.5183.27.7010102.1612061面,99年V-VI2406.8195.57.0310101.6912061面,99年VII-VIII3402.2207.84.1010101.6612061面,99年IX-X4394.4208.04.8210102.0712061面,99年XI-XII5343.3275.19.2601011.8012101面,98年V6350.0265.29.8301011.5212101面,98年VI-VII7352.0263.59.3501011.5912101面,98年XI8341.2365.59.2101014.8812101面,98年XII9337.7261.59.210.60.4011.6512101面,99年I-II10315.8303.29.2301012.9412121面,00年III-IV11316.3298.79.3201012.8412121面,00年V-VI12314.2301.89.3201012.4712121面,00年VII-VIII13310.0297.39.170.80.2011.4812121面,00年IX-X2.數(shù)學(xué)模型首先選擇表3-5中的全部自變量建立數(shù)學(xué)模型。煤層底板標(biāo)高和煤層埋深反映的都是深度因素對瓦斯涌出量的影響，二者的區(qū)別僅是相差了地面高程。當(dāng)?shù)孛娓叱滩町惡苄r，二個變量在數(shù)學(xué)模型中所起的作用是相同的，選用其一即可。計算結(jié)果顯示，煤層埋深變量高度顯著，煤層底板標(biāo)高變量不顯著。此外，由于頂板巖性變量在井田西部差異不大，在方程中不顯著。于是，在計算過程中分步剔除了煤層底板標(biāo)高變量和頂板巖性變量，得到如下形式的預(yù)測方程：y=+0.0330846854x(1)+0.2782105141x(2)-6.3213652890x(1,1)-9.9440870512x(1,2)式中y——瓦斯涌出量預(yù)測值，m3/min；x(1)——煤層埋深，m，定量變量；x(2)——煤層厚度m，定量變量；x(1,1)——到2-2與2-3煤層合并線的距離（定性變量）之“≤200m”類目；x(1,2)——到2-2與2-3煤層合并線的距離（定性變量）之“＞200m”類目。預(yù)測方程的F統(tǒng)計量為17.94，大于在0.01水平下的F臨界值，說明預(yù)測方程顯著，具有預(yù)測意義。各自變量的偏相關(guān)系數(shù)依次為0.9210、0.5495、0.8354，相應(yīng)的t統(tǒng)計量分別為7.0908、1.9733、4.5602，其中煤層埋深和到2-2與2-3煤層合并線的距離二個變量的t統(tǒng)計量均大于0.01顯著性水平下的t臨界值，煤層厚度變量的t統(tǒng)計量大于0.10顯著性水平下的t臨界值，說明3個自變量檢驗顯著，其中煤層埋深和到2-2與2-3煤層合并線的距離變量與瓦斯涌出量的關(guān)系更密切一些。方程的剩余標(biāo)準(zhǔn)差s為0.411，說明預(yù)測精度能夠滿足生產(chǎn)要求。3.未采區(qū)域瓦斯涌出量預(yù)測在井田西翼2-3煤層的未采區(qū)域，選取46、48、49、50勘探線與+100、+150、+200、+250、+300、+350m煤層底板等高線的交點作為預(yù)測點，根據(jù)預(yù)測方程中確定的自變量（煤層埋深、煤層厚度、到2-2與2-3煤層合并線的距離），按照與已知統(tǒng)計單元相同的自變量取值方法對各自變量取值，然后將各預(yù)測點的自變量數(shù)據(jù)帶入預(yù)測方程，可計算出每個預(yù)測點位置的瓦斯涌出量預(yù)測值。井田西部2-3煤層未采區(qū)的預(yù)測結(jié)果見表3-6。表3-6井田西翼2-3煤層未采區(qū)瓦斯涌出量預(yù)測結(jié)果預(yù)測點編號煤層埋深（m）煤層厚度（m）到2-2與2-3煤層合并線的距離（m）絕對瓦斯涌出量(m3/min)備注≤200＞2001381.413.46016.4249勘探線與+250m等高線交點2493.118.420111.4949勘探線與+150m等高線交點3250.02.38102.6148勘探線與+350m等高線交點4311.19.33012.9448勘探線與+300m等高線交點5426.810.89017.2148勘探線與+200m等高線交點6546.112.310111.5548勘探線與+100m等高線交點7230.07.17103.2846勘探線與+350m等高線交點8294.612.49106.9046勘探線與+300m等高線交點9432.115.15018.5646勘探線與+200m等高線交點10533.715.070111.9146勘探線與+100m等高線交點11390.012.85016.5350勘探線與+250m等高線交點二、井田東翼2-3煤層瓦斯涌出量預(yù)測1.已知統(tǒng)計單元基礎(chǔ)數(shù)據(jù)井田東翼2-3煤層也有3個已回采工作面，劃分出9個已知統(tǒng)計單元。已知統(tǒng)計單元的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)如表3-7所示。與表3-5一致，表中的絕對瓦斯涌出量（m3/min）為因變量，煤層底板標(biāo)高、煤層埋深、煤層厚度、煤層頂板巖性為自變量。只是到2-2與2-3煤層合并線的距離變量因計算過程中被剔除，未予列入。表3-7井田東翼2-3煤層已采區(qū)統(tǒng)計單元基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表單元編號煤層底板標(biāo)高（m）煤層埋深（m）煤厚(m)頂板巖性絕對瓦斯涌出量(m3/min)備注泥巖砂巖1373217.09.29102.5113021面,99年III-VI2353222.08.06101.4713021面,99年VII-XI3334206.07.55101.6413021面,99年Ⅻ,00年I-III4350245.011.80106.5413041面,00年XII,01年VIII-IX5343246.610.05105.5513041面,01年X-XI6325246.110.11105.0613041面,01年XII,02年I-II7340218.19.200.50.52.4213011面,98年IX,XI,XII8344225.68.640.50.51.7013011面,98年VI-VIII9347187.89.850.80.21.7213011面,97年X-XII,98年III2.數(shù)學(xué)模型首先選擇表3-7中的全部自變量建立數(shù)學(xué)模型。經(jīng)統(tǒng)計檢驗，到2-2與2-3煤層合并線的距離變量的偏相關(guān)系數(shù)較小，t統(tǒng)計量不顯著，應(yīng)予剔除；煤層底板標(biāo)高變量和煤層埋深變量高度相關(guān)，二者只能有一個進(jìn)入最終數(shù)學(xué)模型。同時將這二個變量選入數(shù)學(xué)模型，是為了檢查二者之中哪一個變量進(jìn)入數(shù)學(xué)模型可得到更高的預(yù)測精度。經(jīng)統(tǒng)計檢驗，數(shù)學(xué)模型中保留了煤層埋深變量，剔除了煤層底板標(biāo)高變量。經(jīng)多次優(yōu)化，得到如下形式的預(yù)測方程：y=+0.0478840629x(1)+0.8863581948x(2)-15.6423874398x(1,1)-17.3075372968x(1,2)式中y——瓦斯涌出量預(yù)測值，m3/min；x(1)——煤層埋深，m，定量變量；x(2)——煤層厚度m，定量變量；x(1,1)——頂板巖性（定性變量）之“泥巖”類目；x(1,2)——頂板巖性（定性變量）之“砂巖”類目類目。預(yù)測方程的F統(tǒng)計量為30.95，大于在0.01水平下的F臨界值，說明預(yù)測方程顯著，具有預(yù)測意義。各自變量的偏相關(guān)系數(shù)依次為0.8748、0.9078、0.6173，相應(yīng)的t統(tǒng)計量分別為4.0382、4.8412、1.7544，其中煤層埋深和煤層厚度變量的t統(tǒng)計量均大于0.01顯著性水平下的t臨界值，頂板巖性變量的t統(tǒng)計量接近0.10顯著性水平下的t臨界值，說明煤層埋深和煤層厚度變量對瓦斯涌出量有較大的影響，煤層頂板巖性變量對瓦斯涌出量的影響較弱。方程的剩余標(biāo)準(zhǔn)差s為0.564，說明預(yù)測精度能夠滿足生產(chǎn)要求。3.預(yù)測效果檢驗井田東翼2-3煤層的瓦斯地質(zhì)數(shù)學(xué)模型采用了13011、13021、13041三個已回采工作面的瓦斯涌出量實測資料。原始資料收集之后，井田東翼2-3煤層13031工作面自2002年7月開始回采；13041工作面自2002年3月至2002年6月回采結(jié)束。我們重新收集了這二個工作面新增加的瓦斯涌出量實測資料（圖3-5），用于檢驗數(shù)學(xué)模型的實際預(yù)測效果。2-3煤層13031回采面2002年7月至11月實測的瓦斯涌出量平均值為1.38m3/min，將該回采范圍中點的埋藏深度、煤層厚度和頂板巖性數(shù)據(jù)帶入所建立的預(yù)測方程，可得到瓦斯涌出量預(yù)測值為1.40m3/min，預(yù)測的相對誤差為1.4%。2-3煤層13041回采面2002年3月至6月回采結(jié)束，實測瓦斯涌出量平均值為4.10m3/min，該回采范圍中點的瓦斯涌出量預(yù)測值為4.95m3/min，預(yù)測的相對誤差為20.45%。經(jīng)實踐性檢驗，13031和13041回采面瓦斯涌出量預(yù)測的平均誤差為11.1%，預(yù)測精度是比較高的（表3-8）。圖2-52-3煤層驗證工作面位置圖表3-82-3煤層瓦斯涌出量預(yù)測效果檢驗圖2-52-3煤層驗證工作面位置圖工作面時間煤層埋深（m）煤層厚度（m）頂板巖性瓦斯涌出量預(yù)測值(m3/min)瓦斯涌出量實測值(m3/min)相對誤差（%）泥巖砂巖130312002.7~2002.112177.50101.401.381.4130412002.3-2002.624510.00104.954.1020.74.未采區(qū)域瓦斯涌出量預(yù)測在井田東翼2-3煤層的未采區(qū)域，選取42、43、44、45勘探線與±0、+50、+100、+150、+200、+250、+300m煤層底板等高線的交點作為預(yù)測點，根據(jù)預(yù)測方程中確定的自變量（煤層埋深、煤層厚度、頂板巖性），按照與已知統(tǒng)計單元相同的自變量取值方法，在相應(yīng)的變量等值線圖上對各自變量取值，然后將各預(yù)測點的自變量數(shù)據(jù)帶入預(yù)測方程，可計算出每個預(yù)測點位置的瓦斯涌出量預(yù)測值。井田東翼2-3煤層未采區(qū)的預(yù)測結(jié)果見表3-9。表3-9井田東翼2-3煤層未采區(qū)瓦斯涌出量預(yù)測結(jié)果預(yù)測點編號煤層埋深（m）煤層厚度（m）頂板巖性絕對瓦斯涌出量(m3/min)備注泥巖砂巖1319.010.00108.5045勘探線與+300m等高線交點2422.510.801014.1645勘探線與+200m等高線交點3553.114.681023.8545勘探線與+100m等高線交點4620.015.121027.4545勘探線與±0m等高線交點5395.010.261012.3744勘探線與+250m等高線交點6512.06.711014.8244勘探線與+150m等高線交點7590.013.971024.9944勘探線與+50m等高線交點8280.09.00105.7443勘探線與+300m等高線交點9415.03