煤与瓦斯突出的影响因素分析

煤与瓦斯突出的影响因素分析

1突出指标检测误差煤炭和砖瓦的突出预测是限制全球采矿速度的主要瓶颈。在大量的突出预测结果中,由于突出指标本身(突出指标不能准确的反映突出危险性)、突出指标的临界值、突出指标测定误差等原因造成突出预测结果与实际情况有较大的偏差,使许多没有危险的地点被判断为有突出危险而采取了大量的防突措施,影响了采掘速度。突出指标的临界值及测试误差可以在实际预测中反复试验与摸索而得到解决,但突出指标本身的误差是应用者所无法解决的。目前主要是根据地应力、瓦斯应力、煤的力学性质三因素来确定出钻屑量、煤的解吸指标、钻孔瓦斯涌出指标3种常规指标。但影响突出发生和发展的是否只有以上3种因素,需通过对大量的突出实例统计来进行研究。2资料统计的方法对瓦斯突出危险性的预测指标本身误差的研究,必须研究引起突出发生和发展的主要影响因素,必须研究一个局部地点的突出危险状况受哪些因素影响和控制,必须寻找出决定突出的主要几种因素,看看预测指标本身是否真是地反映了这几种因素,是否有预测指标没有反映的因素在影响着煤与瓦斯突出的发生。通过大量的现场实际统计资料,查询了近60个突出矿井的突出资料,分析了突出的主要影响因素。此次调查方式采用现场收集突出卡片和资料检索共同进行,调查的重点主要是平煤集团、北票、焦作、英岗岭、涟邵、白沙等原国有煤矿及部分地方矿井。此次统计的因素主要有:巷道类型、开采垂深、作业方式、突出征兆、地质构造、煤层厚度等。一些需要特别说明的因素内涵和外延为:①上山:为上山掘进,开切眼突出卡片不明确记录为下山掘进,统计时认为是上山掘进;②放炮:除石门揭开煤层的震动放炮外的一切放炮;③打钻:包括打措施孔和打炮眼;④响煤炮:包括闷雷声、爆竹声、嗡嗡声及突出卡片记录的一切声响;⑤喷孔夹钻:即打钻时发生的喷孔、顶钻、夹钻;⑥煤结构变化:包括煤层层理紊乱、煤变松软、结构严重破环、煤光泽变暗、构造煤;⑦瓦斯异常:瓦斯增大、减少、喷出等瓦斯浓度变化,但不包括瓦斯忽大忽小;⑧煤厚变化:煤层变薄、变厚;⑨两种以上预兆:同时记录有两种以上突出预兆;⑩其它:在各因素统计时,其因素不在统计因素范围之内和突出卡片无记录的,统计时认为属其它。在资料统计中,对于每次发生突出的突出煤量、开采深度、巷道类型、作业方式、煤层厚度、地质构造、突出征兆等具有代表性的因素均进行了详细的分析。在统计各因素时,突出卡片无记录或记录不明确的,统计时不予考虑,统计时一般不根据其它因素推测另一因素;突出次数太少且记录不全,参与统计,但分析时不予考虑。统计时均采用次数的加权平均,统计数学模型为:Q¯¯¯=∑ni⋅Qi∑ni(1)Q¯=∑ni⋅Qi∑ni(1)式中Q¯¯¯Q¯——统计平均突出煤量,t;Qi——突出强度,t;ni——统计次数,无因次。根据统计结果发现煤层厚度对突出的影响不具有普遍性,突出征兆对突出的影响类型太多无法进行统一,故此舍弃此两种因素,得到了在不同的开采深度、巷道类型、作业方式、地质构造因素的影响下的每次突出的平均突出煤量如表1-表4。3巷道类型和高度危险程度的关系煤与瓦斯突出由于目前对其机理尚未完全掌握,所以无法用数学的方法定量地描述突出受何种因素影响,哪种因素对其影响程度如何,只能从大量的突出事例统计数据进行分析。对于开采深度、巷道类型、作业方式、地质构造等因素均属于非定量因素。从综合假说理论角度看,各种因素也并非单独反映地应力、瓦斯压力和煤的力学性质某一个方面。如开采深度的大小一方面代表着作业地点地应力的显现情况,另一方面也代表着瓦斯潜在的赋存情况(一般认为瓦斯含量随埋藏深度的加深而增大);地质构造一方面反映了该地点的应力集中的可能性,另一方面也反映了该地点由于受到构造应力的作用煤体可能变得更软、更加破碎、力学性能更差;巷道类型反应了在具备突出发生的可能性的基础上,哪种巷道掘进方式更危险、更容易产生突出;作业方式反映的是对突出的诱导能力。这些因素尽管从各自的角度反映着突出的危险程度,但并非任何突出地点都全部具备这些条件,如有的地点开采深度很大,但非地质构造区;有的地点是石门揭煤,但开采深度浅等等。若要对这些地点突出危险程度进行判断,需要把这些影响因素进行综合比较,找出其主要影响因素。由于上述每种因素如开采深度、巷道类型等的分析均使用的是相同的数据资料,也就是说均是将同一组数据从不同的影响因素方面进行分析。有的地点突出煤量大,危险程度高;有的突出煤量少,危险程度低,可以认为是各种影响因素作用的结果。由此分析各种影响因素的方差,方差越大对突出危险程度影响越显著,对各种影响因素方差计算结果见表5。4重要影响因素分析注重分析4.1相关系数的统计方法主成分概念首先由Karlparson在1901年提出的。在实际问题中,研究多指标问题是经常遇到的.然而在多数情况下。不同指标之间是有一定相关件。由于指标较多再加上指标之间有一定的相关性,势必增加了分析问题的复杂性。主成分分析就是设法将原来指标重新组合成一组新的互相无关的几个综合指标来代替原来指标,同时根据实际需要从中体取几个较少的综合指标尽可能多地反映原来指标的信息。这种将多个指标化为少数互相无关的综合指标的统计方法叫做主成分分析或称主分量分析。也是数学上处理降准的一种方法。主成分分析就是设法将原来众多具有一定相关性的指标(比如P个指标),重新组合成1组新的相互无关的综合指标来代替原来指标。通常数学上的处理就是将原来P个指标作线性组合,作为新的综合指标。但是这种线性组合,如果不加限制则可以有很多。在选取过程中,如果将选取的第1个线性组合即第1个综合指标记为F1,自然希望F1尽可能多的反映原来指标的信息,这里的信息最典型的方法就是用F1的方差来表达,即var(F1)越大,表示F1包含的信息越多。因此在所有的线性组合中所选取的F1应该是方差最大的.故称F1为第1主成分。如果第1主成分不足以代表原来P个指标的信息.再考虑选取F2即选第2个线性组合,为了有效地反映原来信息,F1已有的信息就不需要再出现在F2中。用数学语言表达就是要求Cov(F1,F2)=0。称F2为第2主成分.依此类推可以造出第3,第4,……,第P个主成分。不难想象这些主成分之间不仅不相关,而且它们的方差依次递减。因此在实际工作中,就挑选前几个最大主成分,虽然这样做会损失一部分信息.但是由于它使我们抓住了主要矛盾,并从原始数据中选一步提取了某些新的信息,因而在某些实际问题的研究中得益比损失大.这种既减少了变量的数目又抓住了主要万盾的做法有利于问题的分析和处理。4.2线性组合设有n个样品,每个样品观测P项指标(变量):X1,X2,...,Xp,得到原始数据资料库:X=⎡⎣⎢⎢⎢⎢⎢x11x12⋯x1px21x22⋯x2p⋮⋮⋯⋮xnpxn2⋯xnp⎤⎦⎥⎥⎥⎥⎥≜(X1,X2,⋯,XP)(2)X=[x11x12⋯x1px21x22⋯x2p⋮⋮⋯⋮xnpxn2⋯xnp]≜(X1,X2,⋯,XΡ)(2)其中:Xi=⎡⎣⎢x1ix2ixni⎤⎦⎥i=1,⋯,PXi=[x1ix2ixni]i=1,⋯,Ρ用数据矩阵X的P个向量X1,…,Xp作线性组合为:Fi=a1iX1+a2iX2+…+apiXpi=1,…,P(3)式中,Xi是n维向量。上述方程组要求:a21i1i2+a22i2i2+…+A2PIΡΙ2=1i=1,…,P(4)且系数aij由下列原则决定:①Fi与Fj(i≠j,i,j=1,…,p)不相关;②F1是X1,…,Xp的一切线性组合中方差最大的,Fp是F1,F2,…,Fp-1都不相关的X1,…,Xp的一切线性组合中方差最大的。此时Fi为第i特征向量,利用aij分析其主因素。4.3主成分分析方法平顶山、英岗岭等10个矿务局较主要的突出影响因素分别为地质构造、开采深度、巷道类型和作业方式,每种影响因素在不同的矿务局所处的主导地位不同,而且几乎所有的突出都是几种因素共同作业,很少有一种因素单独作业产生突出的。要综合分析在所有的矿务局中那种影响因素最为重要,对突出影响最大,可以用主成分分析方法,该方法在多种相关因素共同作用时分析权重的情况比较适用。计算中采用的工具为matlab6.1软件,其程序代码及执行过程略。4.4主成分及其权重的计算从执行结果可以得出,假设地质构造为X1、开采深度为X2、巷道类型为X3、作业方式为X4,则新组成的4个主成分PC1、PC2、PC3和PC4可以写作:PC1=-0.0330X1+0.1742X2+0.5792X3+0.7956X4PC2=0.0461X1-0.0555X2-0.7996X3+0.5962X4PC3=-0.9945X1+0.0789X2-0.0690X3-0.0083X4PC4=0.0885X1+0.9800X2-0.1427X3-0.1071X4根据程序执行结果的帕累托图(见图1)可以看出,第1主成分所解释的方差占总方差的77%;第2主成分所解释的方差占18%,2种主成分之和能够解释方差达到95%,应能代表几乎全部的信息。可见第2主成分中的第4个元素权重最大,对应为作业方式;第3个元素权重为其次,对应为巷道类型;然后是第2个元素,对应为开采深度;权重最小的元素为第1个元素,对应为地质构造。在4个元素权重中,作业方式的权重是地质构造权重的26倍、是开采深度权重的5.5倍、巷道类型的1.4倍,其重要性远远大于地质构造和开采深度。巷道类型的权重也比较大。在第2主因素中,第3个元素巷道类型的权重最大,分别是地质构造的17倍、开采深度的14倍、作业方式的1.3倍。其重要性要远远大于地质构造和开采深度,作业方式的权重也较大。4.5地质构造带煤体的开采深度和放炮点在地质构造、开采深度、巷道类型和作业方式四种影响因素中,可以认为作业方式是突出的诱导因素;巷道类型对突出起着加速或抑制作用,如煤巷上山对突出来讲起加速作用,煤巷下山对突出起抑制和减缓作用;地质构造带是突出最容易发生的地带(有些开放性断层除外),其受构造应力的影响一般地质构造带煤体比较松软、破碎,瓦斯较大;开采深度能够说明一个地区的地应力和瓦斯赋存状况。不同的矿区其突出危险程度的影响因素不尽相同。如平顶山局地质构造是突出的主要影响因素;白沙、北票则石门揭煤突出危险程度最高;丰城、安阳放炮作业为诱发突出的主要原因。从理论上分析,地质构造应该比开采深度对突出的影响程度高。从主成分分析结果看,作业方式是突出最重要的影响因素,其次为巷道类型。通常认为突出的主要原因是由于开采深度的增加,地应力和瓦斯赋存量增大的结果,或