基于实时动态趋势预测法的屯兰矿2号、8号煤层瓦斯涌出量预测

张美琴，张志刚，李新建

（1.郑州煤炭工业集团有限公司裴沟煤矿（杨河煤业），河南 郑州，452382；2.煤炭科学研究总院重庆研究院 瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆，400037）

基于实时动态趋势预测法的屯兰矿2号、8号煤层瓦斯涌出量预测

张美琴1，张志刚2，李新建2

（1.郑州煤炭工业集团有限公司裴沟煤矿（杨河煤业），河南 郑州，452382；2.煤炭科学研究总院重庆研究院 瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆，400037）

瓦斯涌出量是衡量矿井安全状态的重要指标，也是新井建设和瓦斯抽采工程设计中的重要参数。文章采用实时动态趋势预测法对屯兰矿2号、8号煤层回采工作面瓦斯涌出量进行了预测，因其预测准确率高，可以指导矿井更为有效地进行瓦斯管理和安全生产。

瓦斯；涌出量；实时动态趋势预测

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和瓦斯抽放工程设计、瓦斯防治工作不可缺少的重要环节，它在较大程度上影响着煤矿生产过程中的安全可靠性[1,2,3]。本文通过采用实时动态趋势预测法，对屯兰矿瓦斯涌出量进行科学预测，分析了瓦斯涌出量的影响因素、大小、涌出来源，为该矿的安全生产和瓦斯抽采设计提供理论依据及数据基础。

1 试验工作面概况

1）12403 工作面概况：属于南四盘区2号煤层的综采工作面。该工作面走向长（皮带顺槽1925m，轨道顺槽1938 m，回风顺槽1936 m），采面长185 m，回采2号煤。该工作面东接南四回风补巷；西与南五盘区边界相邻，南与12405（未掘）工作面相邻，北与12401（未掘）工作面相邻。采用“两进一回”通风系统，即12403轨道巷进风，12403胶带巷进风，12403尾巷回风。

2）18201 工作面概况：属于南二盘区8号煤层的综采工作面。该工作面走向长1475 m，采面长185m，回采8号煤。井下位于南二盘区左翼，东与南二左翼下组煤回风巷相接，西与南二轨道大巷相邻，南部为未采掘的18203工作面，上部为已回采的12202工作面。工作面采用“两进一回”通风系统，即轨道顺槽进风（辅助进风），胶带顺槽进风（主进风）、尾巷回风。

3）18203 工作面概况：属于南二盘区左翼下组煤8号煤层的第二个工作面，该工作面走向长（皮带顺槽1537 m，轨道顺槽1624 m，回风顺槽1632 m），采面长204 m，可采长度1467 m，回采8号煤。该工作面北西与18201工作面相邻，北东与南二左翼下组煤大巷相接。煤层基本稳定，厚约3.64m。煤层整体为一宽缓的向斜构造，轴部位于工作面中部，走向北西，倾向南东，平均倾角4°。根据工作面已掘出的巷道和上组煤推断，工作面有五条断层和一个陷落柱。18203工作面采用“两进一回”通风系统，即18203轨道巷进风，18203胶带巷进风，18203尾巷回风。

以上试验工作面均采用倾斜长壁后退式、一次采全高、顶板全部垮落法综合机械化采煤方法，其中12403和18201工作面的煤尘具有爆炸性，属于Ⅰ类自燃倾向性煤层。

2 采用的预测方法

长期的科学研究和生产实践表明，影响和控制瓦斯涌出的因素错综复杂，既有区域性因素和局部性因素的制约，也有不少偶然性条件的作用，具有随机性和多变量特点。但是种种因素和条件并非孤立存在，它们具有很大关联性。趋势面拟合可把某一具体变量的整体趋势变化和局部的偶然性变化分开。趋势面分析是用简单的幂级多项式来拟合复杂的曲面，有削平、填平真实曲面的作用。

2.1 趋势面模拟的方法

设取模拟趋势面的次数为n0，则趋势分析的模型公式为

n0次趋势面的系数ak，i的个数为

若有N个呈离散分布状态的实际观测值，现要进行n0次趋势面（应有N≥S）拟合，需要对N个观测值Z1，Z2，Z3，…，ZN用最小二乘法确定系数ak，i，即先做观测值与模拟值之差的平方和：

再求 σ对系数ak，i的偏导数，令其为零：

式（4）表示一个具有S个方程和S个未知数ak，i的线性代数方程组，可经求取ak，i最终确定趋势面拟合模型表达式。

瓦斯涌出量及其变化受诸多因素的制约和影响，在煤体空间的分布呈现较大的差异，但又遵循某种规律，例如：瓦斯含量随煤层埋藏深度、变质程度的增加而增加等等。因此，采用趋势面模拟分析瓦斯涌出量规律的方案是切实可行的。遵循形式简单而实用的原则，并结合相关的科研实践反馈，选择二元多次线性方程作为趋势面模型。设有N个坐标为（xi，yi）、观测值为Wi的某瓦斯地质变量数据，fk（x，y）为近似描述该瓦斯地质变量变化的函数，则有：

式中：k为趋势面方程的次数（k=0，1，2，…）；bi为趋势面方程待定系数，由实际观测数据决定（i=0，1，2，…，m）；m=（k+1）（k+2）/2-1。

2.2 趋势面模型的解算

趋势面模型解算的关键在于利用已经掌握的N个观测数据（xi，yi，Wi）确定给定趋势面次数条件中bi的值。根据最小二乘法的相关原理，构造如下函数：即

通过解此方程组［式（8）］得到各个bi的值，与此对应的fk（x，y）即为期望取得的确定的瓦斯涌出量的趋势面方程。

本研究所采用的实时动态趋势预测法，是在趋势面法的基础上，通过对预测采掘工作面进行单元划分，见图1所示，实现为未采掘区域进行实时动态预测。即实现由原来单点代面到多点代面，使预测精度得到进一步提高。

图1 实时动态趋势预测法模型图

步骤如下：(1)区域分割。将预测区域D任意分为n个子域，这样，有更小的面替代整个预测区域，即预测区域的离散化。 Δσ1，Δσ2，…Δσn(用Δσi表示第i个子域的面积)相应地此曲面分为n个小曲面。(2)取近似。在每个子域内任取一点，用改点代表所划分的小区域趋势值。（ξi，ηi）∈Δσii=1，2，3，…n.(3)参数求解。按照趋势面法求解步骤进行参数求解。

3 回采工作面瓦斯涌出量的预测

根据实时动态趋势预测法的分析方法，分别对所选试验工作面进行预测。

3.1 回采工作面瓦斯涌出量实时动态趋势预测法预测模型的确定

图2 18201工作面日产量、主采煤层埋深与工作面绝对涌出量对应图

最终得到如下瓦斯涌出量趋势动态函数：

3.2 回采工作面瓦斯涌出量实时动态趋势预测函数预测验证

为了验证瓦斯涌出量实时动态趋势预测函数的准确性，将已回采的工作面12403和工作面18203作为瓦斯涌出量预测对象，预测结果见图3和图4。

从图3与图4的预测结果看出，预测的准确性95.08%以上。该工作面瓦斯涌出量预测模型能够满足矿井实际瓦斯涌出精度要求，产量在（2400 t，8 000 t）、埋深（350 m，500 m）范围内能够作为矿井瓦斯涌出量预测方法在屯兰矿生产中推广应用。

4 结论

1）采用实时动态趋势预测法得到了屯兰矿回采工作面瓦斯涌出量趋势动态函数。2）在一定埋深与产量范围内，采用实时动态趋势预测法进行采掘工作面瓦斯涌出量预测，其准确性高，并能动态反映未采掘区域瓦斯涌出情况，因此可以作为矿井瓦斯涌出量预测手段，指导矿井瓦斯防治。3）建议在矿井实际采掘过程中注意瓦斯涌出异常变化对安全生产的影响，并及时修正相应的预测函数系数，使预测准确性更高，更合理。

图3 18203工作面预测结果对比

图4 12403工作面预测结果对比

[1]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，2001.

[2]俞启香.矿井瓦斯防治[M].徐州:中国矿业人学出版社，1992.

[3]王佑安.煤矿瓦斯防治[M].北京:煤炭工业出版社，1992.

[4]煤炭科学研究总院重庆研究院.屯兰矿瓦斯赋存与涌出规律研究及煤与瓦斯突出防治体系建立[R].2009.

Gas Emission Prediction in No.2 and No.8 Seams of Tunlan Mine by Real-time Dynamic Trend Forecast Approach

ZHANG Mei-qin1,ZHANG Zhi-gang2,LI Xin-jian2
(1.Peigou Mine,Zhengzhou Coal Industry Group,Zhengzhou Henan452382；2.State Key Laboratory for Gas Hazard Control and Emergency Response Technology,Chongqing Institute,Coal Science Research Institute,Chongqing400037)

The gas emission is not only a critical indicator to assess the safety condition in mines,but also an important parameter in the mine construction and gas drainage construction.The study predicts the emission in No.2 and No.8 seams of Tunlan mine caving faces by real-time dynamic trend forecast. Because of its high accuracy,the approach can be used in gas control and safety production in mines.

gas;gas emission;real-time dynamic trend forecast

TD712+.5

A

1672-5050（2011）06-0065-03

2011-03-07

张美琴（1973—），女，山西忻州人，大学本科，助理工程师，从事煤矿现场的技术及管理工作。

刘新光