矿井瓦斯涌出量预测-问题与进展PPT课件.ppt

矿井瓦斯涌出量预测 问题与进展 张子戌2011年12月 1 2 1现有的瓦斯涌出量预测方法 3 1 矿山统计法根据矿井瓦斯涌出量随开采深度变化的统计规律 预测矿井未采区域的瓦斯涌出量 1959年首次在淮南矿务局谢家集二矿开始应用 沿用至今 2 瓦斯含量法以煤层瓦斯含量为基本预测参数的瓦斯涌出量预测方法 70年代世界各主要产煤国家开始研究 1986年我国首次应用于淮南矿务局潘一矿C13 1煤层的瓦斯涌出量预测 此后 抚顺煤研所 抚顺分院 抚顺研究院 沈阳研究院 立项 七五 八五 国家科技攻关项目 对瓦斯含量法进行研究 并称为 分源预测法 2006年 国家颁布了行业标准 矿井瓦斯涌出量预测方法 AQ1018 2006 其中包含了矿山统计法和分源预测法 后面将讨论行业标准 AQ1018 2006 中存在的某些问题 4 2矿山统计法 2 1梯度预测法瓦斯涌出量梯度 是指甲烷带内相对瓦斯涌出量平均每增加1m3 t时深度的增加量 5 式中H1 H2 瓦斯风化带以下两次测定涌出量的深度 m H2 H1 q1 q2 对应于H1 H2的相对瓦斯涌出量 m3 t 6 利用求得的瓦斯梯度 可对深部的瓦斯涌出量进行预测 式中q 待求深度的相对瓦斯涌出量 m3 t H 对应于q的深度 m 2 2一元回归法如果已采区域内有比较多的瓦斯涌出量实测数据 采用回归分析方法建立瓦斯涌出量对深度的一元线性回归方程 可得到更高的预测精度 瓦斯涌出量实测数据 7 8 直线的一般方程 回归直线方程 9 统计检验 相关系数 矿井瓦斯涌出量预测方法 AQ1018 2006 矿山统计法 存在的问题 1 10 正确的计算公式 11 合理的预测公式 矿井瓦斯涌出量预测方法 AQ1018 2006 矿山统计法 存在的问题 2 标准 中给出的预测公式 3瓦斯含量法3 1矿井瓦斯涌出来源矿井瓦斯的涌出来源如图所示 包括7个基本涌出源 12 13 3 2前苏联提出的预测公式 1 开采煤层 包括围岩 相对瓦斯涌出量 式中qk 开采煤层 包括围岩 相对瓦斯涌出量 m3 t k1 围岩瓦斯涌出系数 全部陷落法管理顶板 k1 1 25 局部充填法 k1 1 20 全部充填法 k1 1 10 m0 煤层厚度 m m 煤层采高 m 14 x0 煤层瓦斯含量 m3 t x1 煤的残存瓦斯含量 m3 t k2 煤柱瓦斯涌出系数 k2 l L l 煤柱沿倾斜方向的宽度 m 15 k3 掘进巷道瓦斯排放系数 后退式正常开采 k3 L 2h L L 采煤工作面长度 m b 巷道宽度 m h 瓦斯排放带宽度 无烟煤及贫煤h 10m 瘦煤及焦煤h 14m 其它煤种h 18m 16 2 邻近煤层相对瓦斯涌出量 式中ql 邻近煤层相对瓦斯涌出量 m3 t n 邻近层数目 mi 第i邻近层厚度 m m 开采层采高 m x0i 第i邻近层瓦斯含量 m3 t x1i 第i邻近层残存瓦斯含量 m3 t hi 第i邻近层与开采层的层间距 m 17 hp 采动后煤层顶底板岩石受到影响的范围 m 顶板的影响范围按下式计算 hp Zkm 1 2 cos 式中 煤层倾角 度 m 开采层采高 m Zk 与顶板管理方法有关的系数 采高2 5m 全部陷落法管理顶板时 Zk 60 局部充填法 Zk 45 全部充填法 Zk 25 底板的影响范围 hp 35m 急倾斜煤层 hp Zkm 1 2 cos 18 3 3分源预测法 抚顺研究院的改进公式 1 开采煤层 包括围岩 相对瓦斯涌出量 薄及中厚煤层不分层开采时按下式计算 式中qk 开采煤层 包括围岩 相对瓦斯涌出量 m3 t k1 围岩瓦斯涌出系数 其值取决于回采工作面顶板管理方法 全部陷落法管理顶板时 k1 1 30 局部充填法管理顶板时 k1 1 20 全部充填法管理顶板时 k1 1 10 19 k2 工作面丢煤瓦斯涌出系数 其值为工作面回采率的倒数 k3 准备巷道预排瓦斯对工作面煤体瓦斯涌出影响系数 计算公式同前苏联公式 m0 煤层厚度 m m 煤层开采厚度 m x0 煤层原始瓦斯含量 m3 t x1 煤的残存瓦斯含量 m3 t 20 厚煤层分层开采时按下式计算 式中kfi 取决于煤层分层数量和顺序的分层开采瓦斯涌出系数 kfi可按下表选取 厚煤层分层开采瓦斯涌出系数kf 21 2 邻近煤层相对瓦斯涌出量邻近煤层相对瓦斯涌出量ql的计算公式与前苏联公式相同 22 3 4关于分源预测法的讨论厚煤层分层开采的瓦斯涌出系数与邻近层的计算公式相矛盾 邻近煤层相对瓦斯涌出量 厚煤层分层开采瓦斯涌出系数kf 4瓦斯地质数学模型法 23 4 1对以往预测方法的讨论瓦斯含量法经过三十年多年的研究发展 目前已达到实用化阶段 2006年颁布了国家行业标准 AQ1018 2006 应用中存在的不足是 由于瓦斯含量法以煤层瓦斯含量作为预测的基本参数 因而对煤层瓦斯含量测定值的可靠性和含量点密度有较高的要求 如果预测区内钻孔的瓦斯含量点很少 那么第一步的瓦斯含量预测就不可靠 由此而进行的瓦斯涌出量预测 其精度将难以保证 矿山统计法矿山统计法仅考虑瓦斯涌出量与开采深度一个因素之间的关系 故其适用范围受到一定的限制 对于地质条件简单的矿井 瓦斯涌出量的变化主要受开采深度的影响 预测结果可以满足生产要求 而在不少生产矿井 瓦斯涌出量除了与开采深度有关以外 与其它地质因素也存在较密切的关系 在这种情况下 只考虑开采深度的预测方法将难以达到生产要求的预测精度 24 4 2瓦斯地质数学模型法的基本原理通过瓦斯地质规律研究 筛选影响瓦斯涌出量变化的主要地质因素 在此基础上 根据矿井已采地区的瓦斯涌出量实测资料和相关的地质资料 综合考虑包括开采深度在内的多种影响因素 采用一定的数学方法 建立预测瓦斯涌出量的多变量数学模型 预测方程 利用所建立的数学模型 对矿井未采区域的瓦斯涌出量进行预测 25 26 建模工具 数量化理论 数量化理论 TheoryofQuantification 是多元分析的一个分支 适合于同时处理定性数据和定量数据 数量化理论始于本世纪五十年代 最初应用于社会学研究 六十年代以后 才逐渐应用到自然科学领域中来 且应用日益增多 研究数量化理论较早的数学家之一是日本的林知已夫 他最先采用了数量化理论这个名称 并先后提出了数理化理论 直至 等一系列方法 数量化理论及其应用 董文泉 周光亚 吉林大学 夏立显 长春地院 编著 1979 吉林人民出版社 27 数量化理论与多元统计分析多元统计分析数量化理论回归分析数量化理论 判别分析数量化理论 因子分析 对应分析数量化理论 聚类分析数量化理论 数量化理论 用于根据定性变量 可以兼有定量变量 对定量的基准变量 因变量 进行预测的问题 28 变量分类 1 定量变量观测结果取一定数值的变量 如煤层厚度 断层密度 瓦斯含量 瓦斯压力等 2 定性变量只有属性差异的变量 如人的性别 职业 地质学方面岩石类型 泥岩 粉砂岩 细砂岩 石灰岩等 构造复杂程度 简单 中等 复杂 等等 在瓦斯地质相关因素定量分析中 某些定性变量有时是影响瓦斯涌出量变化的主要因素 另外 在实际应用中如果某些定量变量对瓦斯涌出的影响是趋势性的 将其转化为定性变量参加建立数学模型可能会得到更好的预测效果 29 定性变量与定量变量之间的转化 1 定性变量的数量化属性数量化是1否0如 顶板岩性 泥岩 粉砂岩 细砂岩 某统计单元的属性为粉砂岩 则该统计单元顶板岩性变量的定性数据为 010 2 定量变量转化为定性变量将某个定量变量划分为相互独立的若干个区间 取值于同一区间认为是同一等级 即将该变量转化为定性变量 30 4 3预测方法及步骤 1 分析瓦斯涌出的影响因素 31 2 建立预测瓦斯涌出量的数学模型 确定统计单元 选择变量 建立数学模型 式中 xu u 1 2 h 为第u个定量变量的数据 j k j 1 2 m k 1 2 rj 为第j个项目第k各类目上的反应 统计检验 32 3 未采区瓦斯涌出量预测 未采区域有采掘设计图 未采区只有规划设计 无设计图 3 4应用实例某矿采用瓦斯地质数学模型法进行了瓦斯涌出量预测 收集并统计了建矿以来二1煤层回采工作面的日通风报表 并从已有的工作面中剔除了部分数据缺失 回采开始和结束月份 在煤层底板等高线图上瓦斯涌出量的已知区域 以工作面每三个月的回采范围为界 划分出29个统计单元 取单元内各回采月份瓦斯涌出量的平均值作为因变量 随机抽取1 9 19三个单元未参加数学模型的建立 留作对预测方程的检验 最后保留了26组数据参与数学建模 通过定性分析和数学方法 选定煤层底板标高 冲积层厚度 30m顶板砂岩比3个与瓦斯涌出有密切关系的因素作为自变量 建立了如下形式的瓦斯地质数学模型 33 y 0 0496469236x 1 0 1059304144x 2 15 8167056296 1 1 17 727872398 1 2 式中y 瓦斯涌出量预测值 m3 t x 1 底板标高 m 定量变量 x 2 冲积层厚度 m 定量变量 1 1 30m顶板砂岩比项目 0 35 类目之反应 1 2 30m顶板砂岩比项目 0 35 类目之反应 34 35 统计检验预测方程的F统计量为170 48 在0 01水平下显著 计算了因变量对每个自变量的偏相关系数 其t统计量均在0 01水平下显著 说明瓦斯涌出量与这3个自变量都存在密切相关性 其中底板标高变量最为显著 冲积层厚度次之 30m顶板砂岩比变量第三 36 预测精度检验利用所建立的数学模型 将1 9 19三个未参加数学建模的单元数据带入所建立的数学模型 进行预测精度检验 检验结果 预测的相对误差分别为 18 16 和 2 平均误差为 12 见表 说明所建立的数学模型可以满足生产要求 37 深部未采区瓦斯涌出量预测在二1煤层底板等高线图上的未采区域 以坐标方格网划分出250 250m方格作为统计单元 共划分出48个统计单元 根据预测方程中确定的自变量 按照与已采区统计单元自变量相同的取值方法 将预测单元的自变量数据带入上述预测方程 便可计算出每个预测单元中心点的煤层瓦斯涌出量预测值 采用一定的等值距 勾绘出二1煤层瓦斯涌出量等值线 便绘制出二1煤层未采区瓦斯涌出量预测图 38 3 5瓦斯地质数学模型预测软件采用瓦斯地质数学模型法进