煤工業(yè)分析與孔隙率對煤體瓦斯含量的多元線性回歸分析

沈小波

摘要：多元線性回歸分析法是指通過對兩個或兩個以上的自變量與一個因變量的相關(guān)性建立模型進行分析的方法。為研究與煤層瓦斯含量相關(guān)性密切的煤質(zhì)指標之間的定量關(guān)系，以貴州省六盤水市松河礦為依托，建立了該礦17煤層煤工業(yè)分析指標水分、灰分、揮發(fā)份和孔隙率對煤體瓦斯含量的多元線性回歸分析模型，研究結(jié)果表明：松河礦17煤層瓦斯含量與孔隙率和水分成負相關(guān)關(guān)系，與灰分和揮發(fā)份成正相關(guān)關(guān)系；煤體所含水分和孔隙率對煤體瓦斯含量的影響最大，其次是煤體所含灰分，都要遠大于煤體所含的揮發(fā)份。

關(guān)鍵字：煤工業(yè)分析；孔隙率；瓦斯含量；多元線性回歸分析

0 引言：

回歸分析是數(shù)據(jù)分析中使用很多的一種方法，回歸分析是定量的給出變量之間的變化規(guī)律，它不僅提供變量間的回歸方程，而且可以判斷所建立回歸方程的有效性，在方程有效性的前提下，可以用方程做預測和控制[1-2]。多元回歸分析是指通過兩個或兩個以上的自變量與一個因變量的相關(guān)性，建立相關(guān)性模型的方法。

煤層瓦斯是制約煤礦安全開采的最重要的因素之一，煤層瓦斯含量是計算瓦斯涌出量的基礎(chǔ)，也是預測煤與瓦斯突出的重要參數(shù)之一，目前對瓦斯含量的預測包括定性預測和定量預測兩個方面。常用的方法有：模糊綜合評價法、灰色關(guān)聯(lián)分析法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡法等[3-7]。如李青松基于灰色關(guān)聯(lián)分析法確定了煤與瓦斯突出危險性與各影響因素之間的量化關(guān)系[8]；陳國軍等基于多元回歸分析建立了瓦斯含量與埋深、煤厚、頂板巖性、頂板5m厚度為自變量的預測模型[9]。

工業(yè)分析是指將煤的組成近似區(qū)分為水分、灰分、揮發(fā)份和固定碳4種組分。灰分可代表煤中的無機物，揮發(fā)份和固定碳可代表煤中的有機物[10-13]。張冠軍分析認為煤層水分、煤的變質(zhì)程度（揮發(fā)份）對煤層瓦斯含量都有直接影響[14]。煤體孔隙率對煤層瓦斯賦存空間起關(guān)鍵作用，王兆豐等人認為孔隙率是影響煤層瓦斯含量的主要因素之一[15]。但是缺少煤工業(yè)分析和煤體孔隙率對瓦斯含量的組合研究，因此本文以煤工業(yè)分析指標和煤體孔隙率為研究對象，以多元線性回歸分析為手段，研究煤工業(yè)分析指標和孔隙率對煤層瓦斯賦存含量的影響，準確確定煤層瓦斯含量，對松河礦實施科學的礦井瓦斯管理、預防各種瓦斯事故具有重要意義。

1 數(shù)據(jù)采集

1.1 煤層地質(zhì)概況

松河煤礦2采區(qū)17煤層賦存于山西組底部，賦存深度為-243～-622m，其頂板為砂巖，底板為砂質(zhì)泥巖或泥巖。煤厚0～3.79m，平均5.76m，一般厚4～8m，煤層瓦斯含量為5.2m3/t～8.2m3/t；水分含量為1.3%～2.52%；灰分含量為14.8%～24.6%；揮發(fā)份含量為15.5%～22.32%；孔隙率為4.73%～6.56%。

1.2 瓦斯含量測定

本文采用直接法測定煤層原始瓦斯含量。首先，測定煤樣的解吸瓦斯量、解吸瓦斯規(guī)律及殘存瓦斯量；然后，根據(jù)其解吸規(guī)律及煤樣脫離煤體至裝罐解吸測定前暴露于空氣之中的時間推算在此時間內(nèi)損失的瓦斯量；測定和計算的損失瓦斯量、解吸瓦斯量和殘存瓦斯量這三部分之和即為煤層原始瓦斯含量，殘存瓦斯量又包括粉碎前自然瓦斯解吸量、粉碎后自然瓦斯解吸量和常壓下不可解吸量。

直接法的測定流程：在現(xiàn)場選取適宜的瓦斯含量測定地點，通過鉆孔將煤樣從煤層深部取出，及時裝入煤樣罐中很快密封起來，現(xiàn)場測定2小時瓦斯解吸量，根據(jù)煤樣瓦斯解吸規(guī)律選取合理的經(jīng)驗公式推算煤樣裝入煤樣罐密封之前的瓦斯損失量；然后把煤樣罐帶回實驗室進行殘存瓦斯含量測定；瓦斯損失量、瓦斯解吸量和殘存瓦斯量之和就是瓦斯含量，即XM：

（1）

1.3煤工業(yè)分析

煤的工業(yè)分析是指包括煤的水分（）、灰分（）、揮發(fā)分（）和固定碳（）四個分析項目指標測定的總稱。執(zhí)行標準為GB/T 212-2001、DL/T 1013-2006。在工作面取新鮮落煤并送至實驗室作為煤樣，用粉碎機粉碎后，用0.2mm粒徑的標準篩篩取1g試樣，采用5E-MAG6600全自動工業(yè)分析儀進行測定，見圖1。

1.4數(shù)據(jù)整理

綜上所述，煤層瓦斯含量、煤工業(yè)分析指標與孔隙率數(shù)據(jù)統(tǒng)計如下表1：

2 多元回歸模型建立

設(shè)有m個自變量x1，x2，.....，xm和一個因變量z，用自變量來表示因變量的回歸模型可寫成如下形式：

（2）

式中β1，β2，β3，......βm，是待定常數(shù)；Zi和εi都是隨機變量，且之間是相互獨立的；自變量x1，x2，......，xm可以是隨機變量，也可以是數(shù)值可控制的確定型變量。

圖1 5E-MAG6600全自動工業(yè)分析儀

表1 數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

假定對這些變量進行了n次觀測，取得了n個觀測樣品，而且第i次觀測得到的數(shù)據(jù)為（xi1，xi2，......，xim；zi），i=1，2，......，n，根據(jù)實際觀測數(shù)據(jù)求回歸模型（2）中的系數(shù)β0，β1，β2，......βm，的估計值b0，b1，b2，......，bm，即求回歸方程

（3）

使得n各回歸值

（i=1，2，......，n）與z的觀測值zi的偏差平方和最小，亦即求偏回歸系數(shù)b0，b1，b2，......，bm使函數(shù)

（4）

達到最小值，于是偏回歸系數(shù)b0，b1，b2，......，bm應滿足如下方程

（5a）

（5b）

┆

（5c）

將上述方程整理，可得到關(guān)于偏回歸系數(shù)b0，b1，b2，......，bm的正則方程

（6a）

（6b）

┆

（6c）endprint

若令 ， ，

，則方程組（6a）～（6c）可表示為矩陣形式

（7）

式中，矩陣x是一個n*（m+1）的矩陣，矩陣中的Xij表示第i個樣品在第j個變量上的觀測值（i=1，2，...，n；j=1，2，...，m）。方程（7）的右端矩陣是自變量與因變量的組合。

在多元線性回歸中，當觀測值數(shù)據(jù)遠多于變量數(shù)即n>>m時，矩陣一般是列滿秩的，從而可以解出

（8）

通常可以對上述正則方程組按如下形式進行改造，令

（9）

（10）

其中，i=1，2，...，n；j=1，2，...，m。它們分別代表因變量和自變量的平均值，再引入如下記號

（11）

（12）

其中，j=1，2，...，n；j'=1，2，...，m。

對式（5a）取平均值得到如下關(guān)系

（13）

將式（13）帶入式（4）中，有

（14）

相對于偏回歸系數(shù)bi求導得到

（15）

其中，j=1，2，...，m。令 ，得到偏回歸系數(shù)b0，b1，b2，......，

bm的另一種形式的正則方程組

（16）

聯(lián)立式（11）、（12）和方程組（16）即可求的b0，b1，b2，......，bm。

3 數(shù)據(jù)計算

3.1回歸方程求解

將表1中的數(shù)據(jù)進行數(shù)學化處理，瓦斯含量為因變量，其值表示為，水分、灰分、揮發(fā)份、孔隙率為自變量，分別表示為xi1，xi2，xi3，xi4，具體數(shù)據(jù)如下表2：

表2 自變量與因變量數(shù)值

將數(shù)據(jù)帶入式（11）、（12）和方程組（16）中，得b0=9.987，b1=-0.925，b2=0.1918，b3=0.019，b4=-1.16，即得瓦斯含量與煤工業(yè)分析和孔隙率之間的線性關(guān)系式：

（17）

為進行顯著性檢驗，再求出離差平方和和回歸平方和

， （18）

則殘差平方和為

（19）

得到檢測統(tǒng)計量

（20）

在給定置信水平ɑ=0.05下，查F函數(shù)分布表可知F0.05（4，7）=4.12，顯然F>F0.05，故（17）式有效。

由式（17）可以得出，在該礦的實際煤層地質(zhì)條件下，煤體瓦斯含量與煤體水分和孔隙率成負相關(guān)關(guān)系，與煤體灰分和揮發(fā)份成正相關(guān)關(guān)系，從現(xiàn)場采集煤樣的實測數(shù)據(jù)中也可以看出相關(guān)性的規(guī)律。

回歸方程自變量系數(shù)b1，b2，b3，b4的絕對值大小順序為：

b4>b1>b2>>b3

顯然，在影響煤層瓦斯含量的各項指標中，孔隙率和煤體所含水分是影響最大的，其次是煤體中灰分的含量，都要遠大于揮發(fā)份對煤體瓦斯含量的影響。

為進一步驗證式（17）的正確性，現(xiàn)在該礦21采區(qū)皮帶下山2#鉆場采集煤樣，其實測瓦斯含量和煤工業(yè)分析、孔隙率數(shù)值分別為瓦斯含量：5.72m3/t；水分2.35%；灰分24.15%；揮發(fā)份20.65%；孔隙率6.34%，將數(shù)值帶入式（17）可得煤樣理論瓦斯含量為：Xm=5.64m3/t，與實測瓦斯含量基本一致，說明式（17）可以用于該礦的實際應用。

4 結(jié)論

利用多元線性回歸分析方法，建立了松河礦17煤層瓦斯含量與煤工業(yè)分析和孔隙率之間的定量的線性關(guān)系模型，該模型表明，在該礦實際地質(zhì)條件下，煤層瓦斯含量與水分和孔隙率成負相關(guān)關(guān)系，與煤體灰分和揮發(fā)份成正相關(guān)關(guān)系。

通過比較模型各指標常系數(shù)，可以得出孔隙率和水分對煤層瓦斯含量影響最大，灰分次之，揮發(fā)份影響最小，且前三者因素對煤層瓦斯含量的影響都要遠大于揮發(fā)份。

煤層瓦斯含量受各種地質(zhì)條件的影響，不僅僅是本文中的煤工業(yè)化指標和孔隙率，同一煤層的不同地點各種煤質(zhì)指標也會出現(xiàn)差異，從而影響最終的煤層瓦斯含量的預測。本文通過多元線性回歸分析所建立的煤工業(yè)分析和孔隙率之間定量模型僅適合于松河礦，對其他煤礦的瓦斯含量預測起指導作用，要結(jié)合具體情況具體分析。

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