公烏素煤礦16#煤層瓦斯地質(zhì)規(guī)律研究

陳 平 齊 瑞

(義煤集團(tuán) 新安縣云頂煤業(yè)有限公司，河南 洛陽 471800)

1 公烏素煤礦16#煤層概況

公烏素煤礦位于內(nèi)蒙古自治區(qū)桌子山煤田東南部，公烏素精查區(qū)6－19 勘探線間原精查范圍內(nèi)，行政區(qū)劃屬烏海市海南區(qū)管轄［1］。含煤地層為二疊系山西組和石炭系太原組，本區(qū)煤系地層厚度143～299 m，平均厚度224 m 含煤17 層，煤層的總厚度在13.93～23.28m，平均18.6 m，含煤系數(shù)8.3%。可采煤層分布面積占井田面積的100%，(不含西來峰斷層以東，600m 標(biāo)高以下)煤層厚度最小1.67m，最大10.51m，平均厚度在8.50m，穩(wěn)定程度為穩(wěn)定煤層。結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)比可靠程度可靠，全區(qū)可采。揮發(fā)分原煤干燥無基揮發(fā)分23.80%－33.74%，平均28.83%。

2 礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造及控制特征研究

公烏素井田所在的桌子山礦區(qū)位于華北地臺(tái)鄂爾多斯盆地西緣賀蘭山北段，位于阿拉善地塊和鄂爾多斯地臺(tái)之間。桌子山煤田在大地構(gòu)造位置處于鄂爾多斯臺(tái)向斜西緣和賀蘭山褶皺帶之東北邊緣的過渡帶，鄂爾多斯西緣構(gòu)造帶主要由數(shù)條近南北延伸的從西向東逆沖推覆的大型斷裂組成，又稱鄂爾多斯西緣北段大型陸緣逆沖推覆體系。其中公烏素井田所處的桌子山段斷裂走向NNW，在崗德爾山東麓老石旦等地區(qū)斷面沿石炭—二疊系煤系地層滑脫，并形成多處飛來峰。本井田為單斜東傾，地層產(chǎn)狀25°，傾角12－25°，傾向115°，礦區(qū)的基本構(gòu)造呈單斜形態(tài)，且斷層較發(fā)育。

公烏素煤礦位于桌子山煤田公烏素精查區(qū)第6～19 勘探線之間。其古地層區(qū)劃古生代屬華北地層大區(qū)，晉冀魯豫地層區(qū)，鄂爾多斯地層分區(qū)，賀蘭山—桌子山小區(qū)。桌子山煤田大地構(gòu)造單元位于華北地臺(tái)之鄂爾多斯西緣褶斷帶北段桌子山褶斷束，4 級(jí)構(gòu)造單元主要褶皺構(gòu)造為崗德爾山背斜、西來峰逆斷層、桌子山背斜等。5 級(jí)構(gòu)造單元為桌子山背斜南部，拉什仲廟背斜、公烏素背斜向南傾沒部分。區(qū)域內(nèi)無巖漿巖活動(dòng)。

由于逆沖推覆構(gòu)造作用，在崗德爾山東麓老石旦等地區(qū)斷面沿石炭—二疊系煤系地層滑脫，并形成多處飛來峰，使整個(gè)石炭—二疊系煤系地層推移至地表，再經(jīng)過后期的剝蝕作用，煤層瓦斯大量釋放，煤層大部分都處于瓦斯風(fēng)化帶內(nèi)，這也是公烏素煤礦瓦斯較低的根本原因。

3 公烏素煤礦16#煤層瓦斯地質(zhì)規(guī)律研究

瓦斯是一種氣體地質(zhì)體，它生于煤層，在煤層或圍巖中賦存。在開采煤炭時(shí)，肯定會(huì)從中涌出瓦斯。瓦斯的生成、賦存及運(yùn)移等規(guī)律均受復(fù)雜的地質(zhì)作用的影響。依據(jù)公烏素煤礦16#煤層地勘及實(shí)測的瓦斯含量資料，統(tǒng)計(jì)得出如表1 所示。

表1 16#煤層瓦斯含量數(shù)據(jù)

3.1 煤層埋深對(duì)瓦斯賦存的影響

(1)煤層埋深對(duì)瓦斯賦存的影響

隨著煤層埋深的增加，圍巖透氣性逐漸降低，瓦斯向地表運(yùn)移的距離也相應(yīng)增大，不利于瓦斯的逸散。所以在瓦斯帶內(nèi)，瓦斯含量隨煤層埋藏深度的增加而逐漸變大。依據(jù)地勘及實(shí)測瓦斯含量資料，對(duì)公烏素煤礦16#煤層瓦斯含量數(shù)據(jù)以及與其對(duì)應(yīng)的煤層埋深進(jìn)行回歸分析(圖1)。

圖1 16#煤層瓦斯含量與埋深回歸趨勢線

根據(jù)圖1 可知:16#煤層瓦斯含量回歸方程為:y=0.0036x＋2.1516，可以看出煤層瓦斯含量與煤層埋深具有較好的線性相關(guān)性，即隨著煤層埋藏深度的增加而增大。

(2)煤層上覆基巖厚度對(duì)瓦斯賦存的影響

煤層上覆基巖厚度是煤層的埋藏深度減去第四系地層沉積厚度。在第四系垂向差異較小、松散沉積厚度也比較小的礦井，煤層埋深大體能反映上覆基巖厚度對(duì)瓦斯的影響。公烏素煤礦第四系地層沉積厚度為0－11.81m，厚度較小，而且整個(gè)井田內(nèi)高差變化不大，所以，煤層上覆基巖厚度與煤層埋深對(duì)瓦斯賦存的影響基本一致。

3.2 煤層厚度對(duì)瓦斯賦存的影響

瓦斯在煤層中以擴(kuò)散和滲流兩種方式為主，濃度差是擴(kuò)散的動(dòng)力源，壓力差是滲流的動(dòng)力源。煤層的厚度越大，擴(kuò)散終止或達(dá)到中值濃度所需要的時(shí)間就越長，中部煤層里瓦斯向頂、底板巖石擴(kuò)散的路徑就越長。阻力變大，瓦斯容易保存。煤層厚度的變化打破了瓦斯在煤層中的均衡狀態(tài)，使瓦斯在煤層中的移動(dòng)和變化狀態(tài)得以改變［5］，所以煤層厚度的變化是導(dǎo)致瓦斯分布不均衡的一個(gè)重要原因。

由表1 對(duì)該煤層瓦斯含量與煤層厚度進(jìn)行回歸分析(圖2)。從圖2 可以看出煤層瓦斯含量與煤層厚度具有較好的線性相關(guān)性。

圖2 16#煤層瓦斯含量與煤厚回歸趨勢線

3.3 煤質(zhì)對(duì)瓦斯賦存的影響

煤層是瓦斯生成與儲(chǔ)存的場所，同時(shí)也是瓦斯涌出、煤與瓦斯突出的物質(zhì)基礎(chǔ)。煤完全燃燒后剩下的殘?jiān)?，稱為灰分。正常情況下，煤中的灰分是不吸附瓦斯的。因此，煤層中灰分的變化對(duì)瓦斯賦存有一定程度的影響。同樣對(duì)該煤層煤質(zhì)和瓦斯含量進(jìn)行分析可知灰分對(duì)瓦斯含量的影響較大。

4 瓦斯含量預(yù)測

4.1 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

BP 網(wǎng)絡(luò)即誤差反傳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，是一個(gè)前向多層網(wǎng)絡(luò)，由輸入層、輸出層和隱含層組成［10］。針對(duì)公烏素煤礦16#煤層各因素對(duì)瓦斯賦存的影響，利用三層BP 網(wǎng)絡(luò)建立瓦斯含量預(yù)測模型。取輸入層共有3 個(gè)神經(jīng)元，分別為:煤層埋深(m)、煤層厚度(m)、灰分Aad(%);取輸出層神經(jīng)元數(shù)目為1，代表瓦斯含量(m3/t)。則其BP 網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)圖如圖3 所示。

圖3 瓦斯含量預(yù)測BP 網(wǎng)絡(luò)模型

4.2 瓦斯含量預(yù)測

根據(jù)煤層埋深、煤層厚度、灰分三個(gè)因素對(duì)瓦斯含量的影響，將表1 中前5 組作為學(xué)習(xí)樣本，后3 組作為檢驗(yàn)樣本，利用MATLAB 對(duì)16#煤層瓦斯含量進(jìn)行預(yù)測。設(shè)置最小訓(xùn)練誤差為0.001，學(xué)習(xí)率為0.015，最大訓(xùn)練次數(shù)為1500，隱含層設(shè)有5 個(gè)神經(jīng)元。得出16#煤層瓦斯含量預(yù)測值，并與實(shí)際值做對(duì)比，得到表2，并繪制出擬合曲線(圖4)。

表2 煤層瓦斯含量實(shí)際值與預(yù)測值對(duì)比

序號(hào) 煤層 測試位置 實(shí)際瓦斯含量(m3/t)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測值(m3/t)相對(duì)誤差%3 16#335 4.07 4.0482 0.54 4 16#337 2.87 2.8578 0.43 5 16# 16#皮帶下山迎頭2.78 2.7909 0.39 6 16# 1603 運(yùn)輸順槽迎頭3.59 2.8145 21.6 7 16# 1604 進(jìn)風(fēng)順槽探水巷距工作面200 米2.58 2.8031 8.65 8 16# 1604 回風(fēng)順槽距巷口150m 處2.44 2.6665 9.28

圖4 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測值與實(shí)際瓦斯含量擬合曲線

根據(jù)對(duì)比表及擬合曲線可以看出，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測值與實(shí)際值偏差較小，表明所建立的BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型可以用于公烏素煤礦未采區(qū)煤層的瓦斯含量預(yù)測。

5 結(jié)論

分析各因素對(duì)煤層瓦斯賦存的影響，利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立各影響因素與瓦斯含量之間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型。運(yùn)用MATLAB 對(duì)該數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算，預(yù)測出16#煤層的瓦斯含量，并與實(shí)測的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，說明建立的數(shù)學(xué)模型可以用于公烏素煤礦16#煤層的瓦斯含量預(yù)測。

［1］內(nèi)蒙古自治區(qū)桌子山煤田公烏素精查區(qū)公烏素煤礦三號(hào)井煤炭資源儲(chǔ)量核實(shí)報(bào)告.神華集團(tuán)海勃灣礦業(yè)有限責(zé)任公司，2007.9

［2］國家安全監(jiān)察局.國家煤礦安全監(jiān)察局.防治煤與瓦斯突出規(guī)定［M］.煤炭工業(yè)出版社，2009.8

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［5］楊宏民，王松，陳向軍，董炳文.長平煤礦3 號(hào)煤層瓦斯賦存規(guī)律分析［J］.煤礦安全，2011，42(5):117－119.

［6］周世寧，林柏泉.煤層瓦斯賦存與流動(dòng)理論［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，1999.

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［8］薛亮，齊財(cái).淺談煤層瓦斯含量的預(yù)測［J］.黑龍江科技信息，2004，(5):158.

［9］飛思科技產(chǎn)品研發(fā)中心.MATLAB 6.5 輔助神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析與設(shè)計(jì)［M］.北京:電子工業(yè)出版社.2003，1.

［10］張德豐等.MATLAB 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用設(shè)計(jì)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社.2011，12.

［11］樓順天，施陽.基于MATLAB 的系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)——神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)［M］.西安:西安電子科技大學(xué)出版社.2000，11.

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