基于多元回归分析的瓦斯含量影响因素研究

陈国军，杨 伐

（1.安徽理工大学 地球与环境学院，安徽 淮南232001；2.淮南矿业集团 潘二煤矿，安徽 淮南232003）

1 概述

煤层气是形成并储存于煤层中的非常规天然气，其主要成分有氮气、甲烷、一氧化碳，在煤矿生产中俗称瓦斯。煤矿的安全开采往往受瓦斯的影响与制约，因而研究瓦斯的分布特征和规律显得尤为重要。然而，在同一个井田内不同煤层、同一煤层不同地点受各种地质因素的综合作用，导致瓦斯含量变化较大，突变的情况也时有发生。

目前，对瓦斯含量的预测包括定性预测和定量预测两个方面。常用的方法有：模糊综合评价法、灰色关联分析法、人工神经网络法、等温吸附曲线法、温度－压力－吸附曲线法、煤级－灰分－含气性类比法、多元回归分析法等，各种方法都有自身的适用条件。在有限的费用和瓦斯含量数据的前提下，需要一种简单有效的计算方法来进行瓦斯含量的预测。本文以淮南煤田潘二井田3煤层为例，采用多元回归分析法建立地质变量与多个变量之间的关系模型，对瓦斯含量有关问题进行探讨。

2 井田地质概况

潘二井田西起Ⅸ线，东至13－1煤层－800m等高线地面投影，北界起于F1及其延长线，经F66、F1－3至13－1煤层－800m等高线地面投影，南界由F5向东经Ⅵ线、背斜轴、Ⅳ－Ⅴ线、F2至13－1煤层－800m底板等高线地面投影。东西走向长约11km，南北宽1.3～3km，面积19.6518km2。本井田位于陶王背斜及其转折端。陶王背斜是形态完整的短轴背斜，长轴约7km，长短轴之比为1∶2，轴向北西55°～60°。陶王背斜北有F66、F68逆冲断层，南有F5、F3逆断层组，两组逆断层将背斜夹于其间，它们均属潘集背斜的挤压构造成分，其中北翼逆冲断层规模大，是典型的逆冲迭瓦状构造（见图1）。本井田含煤地层为石炭、二叠系，其中二叠系下统山西组3煤层是主采煤层，煤层厚度2.09～9.17m，平均5.07m，可采指数为1，变异系数25.80%，属稳定煤层，煤岩组分以亮煤为主，其次为镜煤、暗煤，煤类为1／3焦煤。

图1 潘二井田构造示意

3 瓦斯含量预测参数的选取

煤层集生气层和储集层于一体。煤层的生气量与成煤物质和煤变质程度有关；其储气能力与煤的变质程度、煤岩成分和气体压力等因素有关；而压力又与煤储层的埋深、区域水文地质条件、气生成量有关；除煤层自身条件外，煤储层的保存条件对煤层气含量也有重要的影响。这些诸多影响因素以及复杂的相互配置关系造成了煤层气含量的差异变化。在这些影响因素中，有些地质因素是可以直接测量得到，比如煤层厚度、埋深、顶板岩性、灰分与水分含量、镜质组反射率等。根据现有的数据，本文选取了4个地质因素—煤层厚度、埋深、顶板岩性、顶板向上5 m内砂岩厚度，通过研究它们与瓦斯含量的关系，对潘二井田3煤层的瓦斯含量进行了预测。表1为潘二井田3煤层的参数统计。其中煤层顶板岩石类型分为泥岩、砂质泥岩、粉砂岩、细砂岩、中砂岩和粗砂岩6种类型，按它们对煤层气保存条件的影响程度依次赋值为0、1、2、3、4和5；顶板5m内砂岩厚度是指煤层顶面向上起算5m范围内砂岩层厚度的总和。

表1 潘二井田3煤层瓦斯含量与其相关因素样本

4 计算过程

运用SPSS统计软件对表1相关参数进行线性回归分析，得到如下回归方程：

回归方程（1）的复相关系数 R2＝0.471、统计量F＝2.898、显著性P＝0.064。对方程进行显著性F检验，取显著性水平a＝0.1，F＞F1－0.1（4，18－4－1）＝2.43；同时对方程用P值法作检验，P＝0.064＜a＝0.1。由此可知，在显著性水平为0.1的统计意义上回归方程是显著的。经计算自变量X1、X2、X3和X4的显著性P值分别为：0.022、0.83、0.077、0.308，显而易见，自变量 X2和 X4没有通过显著性检验。对此作进一步逐步回归分析，其中偏F统计量的两个临界值，一个用作选取自变量FE＝0.05，另一个用作剔除自变量FD＝0.1，得到如下回归方程：

回归方程（2）的复相关系数 R2＝0.3、统计量 F＝6.624、显著性P＝0.02。取显著性水平a＝0.05，对方程进行显著性F检验，F＞F1－0.05（1，18－1－1）＝4.49；同时对方程用P值法作检验，P＝0.02＜a＝0.05。由此可知，在显著性水平为0.05的统计意义上回归方程是显著的，并且自变量X1通过显著性检验，剔除了自变量X2、X3和X4。

5 结语

1）利用回归线性方程分析了瓦斯含量与埋深、煤厚、顶板岩性、顶板5m范围内的砂岩厚度之间的关系，发现煤厚、顶板岩性和顶板5m范围内的砂岩厚度对于瓦斯含量的变化影响较小，只有埋深有较大影响。提出的瓦斯含量数学模型有较好的显著性，但是得出的结果只是预测值，实际的瓦斯含量只能接近预测值，甚至受到其它地质因素的影响，有些实际值远离预测值。

2）由于瓦斯含量的变化是多种地质因素综合作用的结果，各种地质因素的不确定性导致瓦斯含量预测是一个极为复杂的工作。受实际条件的制约，本文提出的瓦斯含量数学模型的复相关系数R2＝0.3，说明因变量埋深只能解释30%的自变量瓦斯含量的变化，其余变化部分是由于其它的地质因素如地质构造、煤的变质程度等影响所致，有待于进一步研究。这里为潘二井田3煤层瓦斯含量预测提供了一种有效可行的方法。

3）由样本数据可得瓦斯含量平均为6.38m3／t，陶王背斜核部的瓦斯含量平均为5.24m3／t，背斜核部的瓦斯含量明显较小；同时东部采区瓦斯含量平均为6.5m3／t，西部采区瓦斯含量平均为5.1m3／t，存在明显差异性。潘二井田3煤层瓦斯含量分布总体呈现这种核部小于两翼、西部小于东部的趋势，结合东部采区断层发育的地质条件，表明地质构造对于瓦斯含量分布影响明显。背斜核部影响了瓦斯的保存条件，易发生解析逸散，故瓦斯含量较低。

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