吨煤瓦斯抽采量与百万吨死亡率的定量关系研究

徐青伟 王兆丰

(1.东北大学资源与土木工程学院，辽宁省沈阳市，110819；2.河南理工大学安全科学与工程学院，河南省焦作市，454000)



★ 煤矿安全 ★

吨煤瓦斯抽采量与百万吨死亡率的定量关系研究

徐青伟1王兆丰2

(1.东北大学资源与土木工程学院，辽宁省沈阳市，110819；2.河南理工大学安全科学与工程学院，河南省焦作市，454000)

为了探究瓦斯抽采量、煤炭产量与百万吨死亡率的内在联系，提出了瓦斯事故百万吨死亡率的概念，并对与吨煤瓦斯抽采量之间的关系进行了研究。依据吨煤瓦斯抽采量与时间的函数关系及瓦斯抽采量与时间的函数关系，间接对煤炭产量进行预测；建立了以吨煤瓦斯抽采量为依据的百万吨死亡率预测模型。结果表明,煤炭产量预测结果误差较小，明显优于线性回归、GM(1，1)模型等传统煤炭产量预测方法；百万吨死亡率实际值落在预测区间，而指数函数、GM(1，1)模型等传统百万吨死亡率预测结果误差较大。

瓦斯抽采量 煤炭产量 百万吨死亡率 预测模型

我国煤矿灾害主要分为瓦斯、火灾、粉尘、顶板和水等类型，瓦斯灾害是我国煤矿安全生产的第一杀手，采取有效措施治理瓦斯灾害，对扭转煤矿安全形势具有积极意义。瓦斯抽采是治理瓦斯灾害最行之有效的方法，增强瓦斯抽采力度，能降低瓦斯灾害事故起数与瓦斯事故死亡人数。煤炭产量一定的情况下，瓦斯抽采量越高，百万吨死亡率越低，吨煤瓦斯抽采量与百万吨死亡率之间存在某种内在联系，探究吨煤瓦斯抽采量与百万吨死亡率的定量关系，对煤矿安全生产有指导作用。建立吨煤瓦斯抽采量与百万吨死亡率的定量关系，可实现对我国瓦斯抽采量、煤炭产量及百万吨死亡率的准确预测。传统瓦斯抽采量预测方法是对指定的个别矿井进行的，预测方法及结果受矿井自身因素影响较大，不具有普遍适用性；2014、2015年煤炭产量较2013年是下降的，传统煤炭产量预测方法所得结果是递增的，误差较大；传统煤矿百万吨死亡率预测方法主要是基于灰色系统，忽略了百万吨死亡率应是以0为渐近线的减函数，进行中长期预测时将出现严重的失真。本文探讨了吨煤瓦斯抽采量与百万吨死亡率的关系，在此基础上对瓦斯抽采量、煤炭产量、百万吨死亡率进行了预测。

1 我国煤炭产量、瓦斯抽采量及百万吨死亡率

我国2000-2015年的煤炭产量、瓦斯抽采量及百万吨死亡率参数见表1。

表1 2000-2015年煤炭产量、瓦斯抽采量及百万吨死亡率

注：表中部分数据来源于文献，关于2013年煤炭产量的说明：根据第三次全国经济普查结果对统计公报相关数据进行了修订，修订后的2013年全国原煤产量为39.69亿t，详见国家统计局网站及文献

为了更为直观地观测我国煤炭产量、瓦斯抽采量及百万吨死亡率随时间的变化趋势，将表1中的数据绘制成图1。

由图1可知，2000-2015年间，我国煤炭产量整体上呈现逐年增加的趋势，2013年煤炭产量达到了峰值，2014、2015年煤炭产量有所减少；瓦斯抽采量逐年增加，至2007年出现拐点，2007年以后瓦斯抽采量增长幅度较大；煤矿百万吨死亡率呈现逐年递减的趋势。

我国在煤炭产量整体上逐年增加的情况下，百万吨死亡率却呈下降的趋势，说明我国煤矿安全生产形势有所好转，其中一个重要的原因就是加大了煤层瓦斯抽采力度，提高了吨煤瓦斯抽采量，减少了瓦斯事故起数和瓦斯事故死亡人数，从而降低了百万吨死亡率。因此，可以看出吨煤瓦斯抽采量与百万吨死亡率具有某种内在的联系，接下来对此关系进行探究。

图1 煤炭产量、瓦斯抽采量及百万吨死亡率随时间变化关系

2 瓦斯抽采量、煤炭产量预测模型研究

要探讨吨煤瓦斯抽采量与百万吨死亡率的关系，就需要掌握每年的瓦斯抽采量、煤炭产量，即首先研究瓦斯抽采量、煤炭产量随时间的变化关系，然后对吨煤瓦斯抽采量与百万吨死亡率进行耦合。

从表1及图1中可以看出，2007年以前瓦斯抽采量增长缓慢，2007年以后瓦斯抽采量增长幅度较大，且2007年以后的数据与要研究的内容关系密切，因此选取2007年为研究的时间起始点。为了便于分析，在进行函数拟合时，取时间2007年为第1年，选取2007-2014年的数据构造函数，用2015年的数据进行检验。

2.1 瓦斯抽采量与时间的关系研究

预抽煤层瓦斯作为一种区域防突措施，不仅能减少瓦斯涌出，预防瓦斯超限，而且也降低了煤体中存储的瓦斯能量，提高了煤体强度，有利于消突；另外，瓦斯作为一种清洁能源，瓦斯抽采减少了向大气中的排放量，降低了对环境的污染。

(1)2007年以后瓦斯抽采量增长幅度变大的原因。从表1、图1及以上分析可知，2007年以前瓦斯抽采量增长缓慢，2007年以后瓦斯抽采量增长幅度较大，主要原因是在能源发展“十一五”规划中，国家于2006年首次将煤层气(煤矿瓦斯)开发列入五年发展规划；在能源发展“十二五”规划中提出重点加大煤层气勘探开发力度；在能源发展战略行动计划(2014—2020年)中提出加快煤层气勘探开发步伐，重点突破煤层气开发；2015年2月国家能源局印发的《煤层气勘探开发行动计划》提出，加强煤矿瓦斯规模化抽采，加快煤层气地面开发。

(2)地面瓦斯抽采量及抽采比率。我国2007-2015年的地面瓦斯抽采量及地面瓦斯抽采比率见图2。

图2 2007-2015年地面瓦斯抽采量及抽采比率

从图2可以看出，我国地面瓦斯抽采量逐年增加，地面瓦斯抽采比率整体上也呈增长的趋势。《煤层气勘探开发行动计划》提出，到2020年，我国煤层气抽采量力争达到400亿m3，其中地面抽采量200亿m3，煤矿瓦斯抽采量200亿m3。目前，我国地面瓦斯抽采比率仅为0.2左右，要达到2020年地面瓦斯抽采比率0.5的目标，需要继续加大地面瓦斯抽采资金设备的投入。

(3)瓦斯抽采量预测方法。随着矿井开采深度的增加，煤层瓦斯含量越来越大，瓦斯抽采已成为必不可少的环节，准确地进行瓦斯抽采量的预测，对矿井安全生产具有重要意义。

瓦斯抽采量与时间关系的回归分析如图3所示。从图3可以看出，各点大致落在一条直线的两旁，因此考虑进行线性回归分析，可得瓦斯抽采量与时间的函数关系式为：

y=18.845x+21.096

(1)

取x=9，由式(1)可得2015年的瓦斯抽采量为191亿m3。2015年我国实际的瓦斯抽采量为180亿m3，相对误差为6.11%，瓦斯抽采量预测结果较为准确。

图3 瓦斯抽采量与时间关系的回归分析

2.2 影响煤炭产量的因素

从表1及图1可以看出，自2000年以来，我国煤炭产量整体上呈现出逐年增加的趋势，主要原因是由于新世纪以来我国经济高速发展，对能源的需求也越来越大；我国一次能源结构具有富煤、贫油、少气的特征，以煤炭为主体的能源结构短期内难以改变，煤炭将继续承担起保障我国能源供应的责任。至2013年我国煤炭产量达到了一个峰值，2014、2015年煤炭产量有所下降，主要原因是我国经济增速放缓，主要耗煤行业产品产量增幅都在下降；能源结构调整，化石能源消费比重下降，非化石能源消费比重上升；煤炭市场供大于求矛盾突出，库存量增加，价格下降；大量进口煤的涌入，也挤占了一定国内煤炭市场。

除以上客观原因外，我国还加强了煤矿整顿关闭工作。2005-2009年，集中开展了煤矿整顿关闭工作，关闭小煤矿1.2万多处；至2010年底，全国保留小煤矿1万处以内；国务院要求进一步加快淘汰煤炭落后产能，加大落后煤矿关闭力度，提出2014年确保关闭煤矿800处，力争关闭1000处的奋斗目标；《国务院办公厅关于进一步加强煤矿安全生产工作的意见》提出，到2015年底全国关闭2000处以上小煤矿。

我国2007-2013年的煤炭产量逐年增加，2014、2015年的煤炭产量却有所下降。传统的煤炭产量预测方法在构造函数时，若基础数据是递增的，则预测结果也是递增的，误差较大。因此，需要寻求一种新的煤炭产量预测方法，实现煤炭产量的准确预测。

2.3 吨煤瓦斯抽采量与时间的关系研究

吨煤瓦斯抽采量与时间的关系如图4所示。

图4 吨煤瓦斯抽采量与时间关系的回归分析析

注：吨煤瓦斯抽采量=瓦斯抽采量/煤炭产量，T年生产的煤炭中，部分瓦斯已于(T-1)年或更早抽采；T年抽采的瓦斯中，部分煤炭可能要在(T+1)年或更晚开采，故大致可认为该年抽采的瓦斯量主要来自于该年生产的煤炭

从图4可知，各数据点大致落在一条直线的两旁，对吨煤瓦斯抽采量与时间的关系进行线性回归分析。吨煤瓦斯抽采量与时间关系的函数为：

y=0.3725x+1.4038

(2)

取x=9，由式(2)可得2015年我国的吨煤瓦斯抽采量为4.756m3/t。由表1计算可得2015年我国的吨煤瓦斯抽采量为4.8m3/t，相对误差仅为0.92%，吨煤瓦斯抽采量预测结果较准确。

2.4 间接法预测煤炭产量

本文提出依据吨煤瓦斯抽采量与时间的函数关系及瓦斯抽采量与时间的函数关系，间接对煤炭产量进行预测。

由式(1)可得2015年瓦斯抽采量预测结果为191亿m3，由式(2)可得2015年吨煤瓦斯抽采量预测结果为4.756m3/t，因此可得2015年我国煤炭产量预测结果为40.2亿t。不同模型对我国2015年煤炭产量预测结果的对比见表2。

表2 不同模型对2015年煤炭产量预测结果对比

注：表中线性回归的预测值，是直接与时间拟合所得结果

由表2可知，本文间接法预测煤炭产量的相对误差为7.2%，预测结果明显优于线性回归、GM(1，1)模型等传统煤炭产量预测方法，说明本文建立的间接法预测煤炭产量的模型是可行的。

3 吨煤瓦斯抽采量与百万吨死亡率定量关系研究

3.1 瓦斯事故百万吨死亡率与吨煤瓦斯抽采量的回归分析

我国2007-2015年煤矿安全生产相关参数见表3。

表3 煤矿安全生产相关参数

注：瓦斯事故死亡比率=瓦斯事故死亡人数/各类事故死亡人数；瓦斯事故百万吨死亡率=瓦斯事故死亡人数/各类事故死亡人数*百万吨死亡率，瓦斯事故百万吨死亡率即每生产一百万吨煤炭发生瓦斯事故死亡的人数

煤炭产量一定的情况下，瓦斯抽采量越高，相应地瓦斯事故百万吨死亡率越低，即吨煤瓦斯抽采量与瓦斯事故百万吨死亡率成反比关系。吨煤瓦斯抽采量与瓦斯事故百万吨死亡率的关系见图5。

图5 瓦斯事故百万吨死亡率与吨煤瓦斯抽采量的回归分析

在进行瓦斯事故百万吨死亡率与吨煤瓦斯抽采量的回归分析时，应考虑到尽管瓦斯事故百万吨死亡率随着吨煤瓦斯抽采量的增加而减小，但瓦斯事故百万吨死亡率不可能减小为0或负数，其关系式应是以0为渐近线的减函数。因此，回归分析时选用指数函数，瓦斯事故百万吨死亡率与吨煤瓦斯抽采量的函数关系式为：

y=1.321e-0.671x

(3)

3.2 百万吨死亡率的预测

由表3可知瓦斯事故死亡比率的取值范围约为0.25～0.33。当瓦斯事故死亡比率的取值为0.25时，百万吨死亡率为0.216；当瓦斯事故死亡比率的取值为0.33时，百万吨死亡率为0.162，即2015年百万吨死亡率的预测区间为[0.162,0.216]。不同模型对我国2015年煤矿百万吨死亡率预测结果的对比见表4。

表4 不同模型百万吨死亡率预测结果对比

注：表中指数函数的预测值，是直接与时间拟合所得结果

由表4可知，2015年我国煤矿百万吨死亡率实际值为0.162，正好落在本文依据吨煤瓦斯抽采量预测煤矿百万吨死亡率的预测区间，预测结果明显优于指数函数、GM(1，1)模型等传统煤矿百万吨死亡率预测方法，说明本文建立的依据吨煤瓦斯抽采量预测煤矿百万吨死亡率的模型是可行的。

由式(3)可得，以2015年为起点，若吨煤瓦斯抽采量提高1%，则瓦斯事故百万吨死亡率降低1.85%，百万吨死亡率降低5.55%～7.40%，可见提高吨煤瓦斯抽采量对降低百万吨死亡率的重要性，因此应增强煤层瓦斯抽采力度。

4 结论

(1)依据吨煤瓦斯抽采量与时间的函数关系及瓦斯抽采量与时间的函数关系，间接对煤炭产量进行预测，预测结果误差较小，明显优于线性回归、GM(1，1)模型等传统煤炭产量预测方法。

(2)依据吨煤瓦斯抽采量建立了百万吨死亡率预测模型，实际值落在预测区间，而指数函数、GM(1，1)模型等传统煤矿百万吨死亡率预测结果误差较大。

(3)以2015年为起点，吨煤瓦斯抽采量每提高1%，百万吨死亡率降低5.55%～7.40%。因此应加强煤层瓦斯的抽采力度，促进煤矿安全形势好转。

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(责任编辑 张艳华)

全国煤矿超层越界开采专项检查整治行动启动

为严厉打击煤矿超层越界开采违法违规行为，维护良好的矿产资源开发秩序，有效防范和坚决遏制煤矿超层越界开采造成安全事故，国土资源部、国家安全监管总局、国家煤矿安监局联合下发通知，集中开展煤矿超层越界开采专项检查整治行动。

据了解，本次检查整治范围为全国所有煤矿，采取煤矿企业自查、接受社会举报、联合开展检查、严肃查处违法违规行为等方式，分为准备部署阶段(3月上旬)、企业自查整改阶段(3月中旬至4月上旬)、集中检查整治阶段(4月中旬至7月底)、巩固总结阶段(8月)四个阶段。

Research on quantitative relationship between gas drainage volume per ton and fatality rate per million tons

Xu Qingwei1, Wang Zhaofeng2

(1. College of Resources & Civil Engineering, Northeastern University, Shenyang, Liaoning 110819, China; 2. College of Safety Science & Engineering, Henan Polytechnic University, Jiaozuo, Henan 454000, China)

In order to investigate the relationship among gas drainage volume, coal production and fatality rate per million tons, proposed a concept of gas accident fatality rate per million tons and studied the relationship between gas accident fatality rate per million tons and gas drainage volume per ton. Taking gas drainage volume per ton and gas drainage volume as function of time, this paper forecasted coal production indirectly. Established fatality rate per million tons prediction model on the basis of gas drainage volume per ton. The results showed that prediction error of coal production was smaller, which was better than traditional coal production forecast models, such as linear regression and GM (1,1) model. Actual value of fatality rate per million ton fell into the predicted interval, while traditional fatality rate per million ton forecast models, such as exponential function and GM(1,1) model, generated large error.

gas drainage volume, coal production, fatality rate per million tons, forecast model

徐青伟,王兆丰.吨煤瓦斯抽采量与百万吨死亡率的定量关系研究[J].中国煤炭，2017，43(4)：123-127.XuQingwei,WangZhaofeng.Researchonquantitativerelationshipbetweengasdrainagevolumepertonandfatalityratepermilliontons[J].ChinaCoal, 2017，43(4)：123-127.

TD

A

徐青伟(1990-)，男，河南民权人，东北大学博士研究生，研究方向为安全评价、矿山安全等。