我国矿井瓦斯涌出量预测方法研究现状及展望.pdf

5 8煤矿安全 T o ta l 3 9 3 我国矿井瓦斯涌出量预测方法 研究现状及展望 章立清‘ ， 秦玉 扩，4 ， 姜文忠 ， ,4 ， 井 庆贺 5 ， 赵光明 6 1 . 淮南 矿业集团 公司， 安徽淮南2 3 2 0 0 1 ; 2 . 辽宁工程技术大学， 辽宁享新1 2 3 0 0 0 ; 3 .中国 矿业大学， 江苏徐州2 2 1 0 0 8 ; 4 . 煤科总院抚顺分院， 辽宁沈阳1 1 0 0 1 6 ; 5 . 呼煤集团 扎务诺尔 煤业公司， 内蒙满州里0 2 1 4 1 2 ; 6 . 铁热克煤业有限 公司， 新挂 拜城8 4 2 3 1 6 摘要 介绍了 我国矿井瓦斯涌出量预测的发展与现状， 深入地论述与分析了 我国各种预测方法 的原理与技术、 适用条件及存在的不足， 最后对我国 煤矿瓦 斯涌出 量预刚 研究发展作了 展望。 关键词 瓦斯涌出量; 预测; 矿山统计法; 分源预浏法 中图分类号 T D 7 1 2 . 5文献标识码 B文章编号 1 0 0 3 - 4 9 6 X 2 0 0 7 0 8 - 0 0 5 8 一 0 3 矿井瓦斯涌出量预测是煤矿新井或生产矿井 新水平通风设计、 瓦斯抽放工程设计、 瓦斯防治工作 不可缺少的重要环节， 在较大程度上影响着煤矿生 产过程中的安全可靠性。只有准确预测矿井或采掘 工作面的瓦斯涌出量， 提前采取必要的防治措施才 能保证矿井安全生产。 经过5 0 多年的不懈努力， 我 国在矿井瓦斯涌出量预测方面取得了丰硕的成果， 但还存在许多不足之处。 1 研究现状 我国在瓦斯涌出量预测方面的研究尤以煤科总 院抚顺分院最为突出， 从2 0 世纪5 0 年代初就开始 进行这方面的研究， 1 9 5 3 年首次在辽源矿务局中央 竖井应用矿山统计法计算煤层瓦斯含量梯度， 1 9 5 9 年首次在淮南矿务局谢家集二矿应用矿山统计法预 测深部矿井瓦斯涌出量; 1 9 5 9 一 1 9 6 4 年先后完成了 抚顺煤田、 北票台吉矿、 峰峰煤田、 南桐、 梅田等矿区 矿井深部瓦斯涌出量预测工作。此后， 矿山统计法 在全国瓦斯矿井得到了 广泛应用。 抚顺分院在“ 七五” 期间 1 9 8 6 一 1 9 9 0 年 又开 展了矿井瓦斯涌出量预测方法的研究， 提出了矿井 瓦斯涌出量分源预测方法， 瓦斯涌出量预测技术有 了较大的发展， 并得到初步推广应用。 “ 八五” 期间 1 9 9 1 一 1 9 9 5 年 在 分 源 预 测 基础 上， 提出了 构 造 单 元分源预测法， 首次建立了全国统一的矿井瓦斯涌 出量预测方法， 将预测精度提高到8 5 以上。“ 九 五” 期间 1 9 9 1 一 1 9 9 5 年 进一步 研究了 高产高效采 煤工作面和综掘工作面的瓦斯涌出规律。经过近 2 0 多年不断地研究发展，目 前分源预测法已基本 上达到实用化阶段， 并于2 0 0 6 年发布了行业标准 矿井瓦 斯涌出 量预测方法 A Q 1 0 1 8 - 2 0 0 6 o 随着现代科技的迅速发展， 特别是数学方法和 计算机技术的发展， 原有的预测方法和应用范围得 到了拓展， 出现了一些新的预测方法， 如瓦斯地质数 学模型法、 速度预测法以及灰色系统理论预测法、 神 经网络预测法等， 但这些方法还在探索阶段， 没有达 到实用阶段。 综上所述， 我国在矿井瓦斯涌出量预测方面取 得了丰硕的成果， 为新矿井设计、 老矿井深部改造、 矿井通风、 瓦斯抽放设计提供了科学依据。但由于 煤矿地质条件的复杂性和开采工艺手段的多样性， 原有的预测方法及技术存在局限性和不适用性， 预 测误差较大， 已经不能满足生产的需要， 急需进行完 善才能适应现代矿井进行高产高效建设的需要。 2 矿井瓦斯涌出且预测方法简介 从目 前国内研究现状来看， 矿井瓦斯涌出量预 测方法主要有如下7 种 2 . 1 矿山统计法 1 基本原理。根据生产矿井不同开采深度己 采水平的相对瓦斯涌出量的大量实测资料， 通过统 计分析， 找出相对瓦斯涌出量随深度增长的规律， 来 预测延伸水平或相邻矿井的瓦斯涌出量。在风化带 以下的甲 烷带内， 当煤层瓦斯地质条件和开采条件 变化不大时， 相对瓦斯涌出量随采深呈近似线性关 系 万方数据 煤矿安全 2 0 0 7 - 0 8 H 一从、 一 一 一 - - 二2 式中 9 矿 井相 对瓦 斯涌出 量， m 3 / t ; 万 - 开采深度， m ; H a- 瓦斯风化带深度， m ; a 相对瓦斯涌出 量增深率， t/ m 2 a 2 适用条件及存在的不足。适用于生产矿井 的延深水平、 开采水平的新区、 邻近的新矿井。至少 应积累2 个开采水平的瓦斯涌出量资料应具备的开 采技术条件 煤层开采顺序、 采煤方法与顶板管理、 地质构造、 煤层赋存、 煤质等应与生产区相同或类 似。 外推 范围 限 定 在 垂 深 度 不得 超过1 0 0 一 2 0 0 m , 倾斜方向不超过6 0 0 m 。当开采条件或地质条件发 生改变时， 即 使在同 一矿井， 也不能对深部区域进行 预测。 2 . 2 分源预测法 1 基本原理。分源法预测法实质是按照矿井 生产过程中瓦斯涌出源的多少、 各个涌出源瓦斯涌 出量的大小来预测矿井、 采区、 回 采面和掘进工作面 等的瓦斯涌出量。 各个瓦斯源涌出瓦斯量的大小是 以煤层瓦斯含量、 瓦斯涌出规律及煤层开采技术条 件为基础进行计算确定的。矿井瓦斯涌出的源、 汇 关系 见图t o 矿井瓦斯涌出 生产采区瓦斯涌出I I 已采采区采空区瓦斯涌出 回采工作 面瓦斯涌出 工作面采空 区瓦斯涌出 掘进工作 面瓦斯涌出 其它 开采层 围岩 瓦斯涌出 煤壁瓦 斯涌出 落煤瓦 斯涌出 图1 矿井瓦斯涌出构成关系关系图 2 适用条件及存在的不足。适用于新建矿 井、 生产矿井水平延深、 新设计采区以及采掘工作面 的瓦斯涌出量预测。但分源预测法的一些参数是根 据某些矿区现场实测得到且一些公式是经验公式， 具有一定的局限性， 在其它一些矿区推广应用时出 现了预测精度不高的现象。 2 . 3 类比法 1 基本原理。瓦斯生成、 赋存、 排放条件是受 地质构造因素控制的。在一个煤田 或一个矿区范围 内， 在地质条件相同或相似的情况下， 矿井瓦斯涌出 量与钻孔煤层瓦斯含量之间存在一个自 然比 值。对 于新建矿井可以通过邻近生产矿井已知的矿井瓦斯 涌出量资料和钻孔煤层瓦斯含量资料的统计运算， 求得一个比 值。然后将该比值与新建矿井已知的钻 孔煤层瓦斯含量相乘， 即可得到新建矿井的瓦斯涌 出量。 2 适用条件及存在的不足。适用于与邻近生 产矿井具有相同或相似的地质、 开采条件的新建矿 井瓦斯涌出量预测。类比 法对矿井瓦斯涌出的预测 精度很低， 有时只能够作定性的分析。 2 . 4 瓦斯地质数学 模型法 1 基本原理。通过瓦斯地质规律研究， 分析 瓦斯涌出量的变化规律， 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。 瓦 斯 地 质 数 学 模型 法 采用数量化理论I 作为建模工具， 可以同时处理定 性变量和定量变量的多元统计分析方法。 2 适用条件及存在不足。瓦斯地质数学模型 法适用于在矿井生产阶段对深部未采区域进行瓦斯 涌出量预测。需要统计积累矿井生产期间大量的地 质、 开采及瓦斯涌出方面的资料。 2 . 5 速度预测法 1 基本原理。回采工作面的瓦斯涌出量， 主 要来源于开采层及邻近层， 煤层瓦斯涌出量的大小， 除取决于煤体内外的瓦斯压力差及透气条件之外， 还与其存在的对间及空间条件有关。 此方法是从瓦 斯涌出速度上着手， 是一种新的以瓦斯动力学为理 论基础的瓦斯涌出量预测方法。 2 适用条件及存在的不足。适用于矿井新盘 采 区瓦斯涌出量预测。预测时必须准确测定瓦 斯涌出初速度与衰减系数这两个参数， 以提高预测 的精度， 但现场测定这两个参数时难度较大， 且即使 测出来是只能代表一定区域， 在全矿井推广应用也 有一定的局限性。 2 . 6 灰色系统预刚方法 1 基本原理。灰色系统是指既含有已知的， 又含未知的或非确知信息的系统。它是介于信息完 全知道的白 色系统和一无所知的 黑色系统之间的中 间系统。矿井瓦斯涌出变化受多种因素影响的动态 变化过程， 各因素间的关系是动态的、 模糊的。灰色 模型正好能反映瓦斯涌出量外延明确、 内涵不明确 万方数据 煤矿安全 T o ta l 3 9 3 的系统内在变化规律。 通过历年来矿井瓦斯鉴定资 料采用灰色建模来预测深部矿井瓦斯涌出量。 2 适用条件及存在的不足。不但可以预测不 同采深的瓦斯涌出量， 而且还可以预测工作面未来 某一时间、 同一水平不同区段瓦斯涌出量。灰色理 论预测方法在短期预测精度较高， 但在多因素情况 下同样遇到精确建模与求解两方面的困难。 2 . 7 神经网 络预测法 1 基本原理。神经网络具有通过样本来“ 学 习” 的能力， 一方面区别于传统的各种预测方法， 实 际应用时勿需做出因素与瓦斯涌出量相关的 任何假 设， 只须将实际数据直接提供给网络来训练; 另一方 面训练完成后的网络能以任何精度逼近真值 只要 训练数据足够多 ， 能够抽提、 捕捉隐藏在浩如烟海 的历史数据中的规律， 尤其是那些尚未被人类认识 和揭示的规律， 这些优点是传统方法无法比拟的。 实际上， 瓦斯涌出量与其影响因素之间存在着复杂 的非线性关系。对于这类问题， 神经网络具有较高 的建模能力， 能真实地刻画输出变量与输人变量之 间的非线性关系。 2 适用条件及存在的不足。适用于在矿井生 产阶段对未采区域采区或工作面进行瓦斯涌出量预 测。但该方法计算较复杂并需要进行编程。 测， 但当周边没有生产矿井时， 这些方法也都无能为 力。 3 除灰色系统预测法、 神经网络预测法外的 其它方法， 都只可作静态预测或是以点代面的预测， 预测值属于长期平均值预测， 预测结果不能真实反 映具有动态行为的采掘工作面生产过程中的瓦斯涌 出实际情形， 预测的针对性、 时效性、 可靠性较差。 灰色系统预测法、 神经网络预测法可以实现短期或 中长期的动态预测。 4 展望 1 进一步完善分源预测法。分源预测法具有 其它方法所不具备的功能就是可以实现对新建矿 井， 即使周边没有条件相近的矿井瓦斯涌出资料来 参考也可， 所以 是新建矿井进行瓦斯涌出量的首选 预测方法。但是由于预测计算公式中， 部分参数的 取值具有随意性， 预测结果有不确定的成份， 所以此 种方法还需进一完善， 尤其是预测公式中各种参数 的取值更应科学合理， 以提高预测精度及适用范围。 2 逐渐发展、 完善并推广应用动态预测技术 矿井实现动态预测可以真实反映具有动态行为的采 掘工作面生产过程中的瓦斯涌出实际情形， 使预测 更具有针对性、 时效性、 可靠性， 以适应现代矿井进 行高产高效建设的需要， 是今后发展的重点方向。 参考文献 煤科总院抚顺分院. 矿并瓦斯涌出量预测方法的发展 与贡献〔 J . 煤矿安全， 2 0 0 3 增刊 . 于不凡， 王佑安， 煤矿瓦斯灾害防治及利用技术手册 M . 北京 煤炭工业出版社， 2 0 0 0 . 张子戌， 袁崇孚. 瓦斯地质数学模型方法〔 J . 煤炭学 报， 1 9 9 9 , 2 4 4 8 . 赵益芳， 张兆瑞， 李有忠. 利用速度法预测矿井新盘 采 区瓦斯涌出量的研究〔 J ， 太原理工大学学报， 2 0 0 2 , 3 2 4 7 . 谢万星， 孙惠民. 矿井瓦斯涌出量的灰色预测 J . 煤 矿安全， 2 0 0 2 , 3 3 4 4 . 施士亮， 刘宝深， 基于人工神经网络的矿井瓦斯涌出 预侧模型及其应用【 J . 矿冶工程, 1 9 9 9 , 1 9 1 3 . 气︸、月..沪‘1.J、1沙 12八J4 声..、尹IJJ..‘︺..‘ 卜1.J、eeJ 勺︸6 声..‘r..、 3 各种方法对比分析 通过分析对比上述7 种预测方法可以看出， 具 有如下特点 1 分源预测法是以煤层原始瓦斯含量为基 础， 速度预测法是以现场实测的瓦斯涌出初速度V a 与衰减系数a 为基础， 而其它5 种方法都是建立在 统计数据的基础上的， 只不过回归的方法不同而已， 比 如矿山 统计法采用的是一元回归， 瓦斯地质数学 模型法是采用的多元统计分析 同时可以考虑定量 与定性的因素 ， 灰色系统预测法是通过微分建模 型， 神经网络预测法实质也是一种非线性回归方法 同时可以考虑定量与定性的因素 。 2 从各种方法的原理及实用条件可以看出， 对矿井设计阶段的瓦斯涌出量预侧来说， 由于没有 涌出量实测资料， 无法采用以瓦斯涌出量为基础的 统计分析方法进行涌出量预测， 所以分源预测法是 一种切实可行的预侧方法， 其它方法都不适用。要 想实现对新建矿井瓦斯涌出量进行预测， 也只有矿 山统计法、 类比 法、 灰色系统预测法、 神经网络预测 法可以 参考条件相近的邻近矿井的统计资料进行预 作者简介 幸立清 1 9 6 3 一 , 1 9 8 3 年毕业于淮南矿业学 院， 现任淮南矿业集团 公司副总经理， 分管安全生产工作， 从 事瓦斯蛛合治理研究， 发表论文多篇。 收稿日 期 2 0 0 7 - 0 1 - 1 6 ; 责任编样 王福厚 万方数据