基于PCA的煤層瓦斯含量影響因素分析

(華北科技學(xué)院 北京 101601)

引言

在美國、澳大利亞等采煤大國，通常都是采用煤層瓦斯含量來作為煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性的一個(gè)指標(biāo)[1,2]。1994年，澳大利亞政府最先將瓦斯含量定為預(yù)測(cè)瓦斯突出唯一指標(biāo)[3]。影響瓦斯賦存規(guī)律的因素很多，比如煤層埋深、煤厚、頂?shù)装鍘r性等。以金家莊煤礦為例，本文將采用主成分分析法對(duì)其瓦斯含量的影響因素進(jìn)行排序，確定其因素權(quán)重。

一、礦井概況

井田位于離柳礦區(qū)西部，三交～柳林單斜含煤區(qū)中南部，走向?yàn)楸蔽鳌蠔|向，傾向南西，井田東西長(zhǎng)4.95km，南北寬2.78km，面積6.0842km2。井田內(nèi)未發(fā)現(xiàn)陷落柱。

二、影響煤層瓦斯含量的因素

(一)頂?shù)装鍘r性

含煤地層的巖性組合及其透氣性對(duì)煤層瓦斯含量有重大影響[4]。9號(hào)煤層直接頂板為泥巖，厚度3.34-9.72m，平均7.06m，有時(shí)為炭質(zhì)泥巖偽頂，厚0.28m左右；底板巖性為泥巖。

(二)煤層埋深

在一定深度范圍內(nèi)，煤層瓦斯含量與埋藏深度成正比[5]。通過對(duì)金家莊煤礦9號(hào)煤層的埋深等值線圖和瓦斯含量等值線圖對(duì)比發(fā)現(xiàn)，瓦斯含量會(huì)隨著埋深的增加而逐漸變大。

(三)煤層厚度

煤厚變化破壞了瓦斯在煤層中的均衡狀態(tài)，從而促進(jìn)了瓦斯的運(yùn)移和變化，此外，煤厚變化處也往往是地應(yīng)力發(fā)生變化和集中的地方，而地應(yīng)力分布與瓦斯分布極為密切[6]。根據(jù)金家莊煤礦煤層特征表可知，8號(hào)煤層平均厚度大約為2m，9號(hào)煤層平均厚度約為4.24m。

為了真實(shí)反映瓦斯變化規(guī)律，特選取金家莊煤礦一組實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來分析影響瓦斯含量變化的因素。

三、主成分分析法

(1)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化。對(duì)樣本數(shù)據(jù)作標(biāo)準(zhǔn)化處理。

(2)協(xié)方差矩陣。

(3)計(jì)算特征值、貢獻(xiàn)率

選取方差貢獻(xiàn)率在75%～85%的第j個(gè)主成分，其主成分個(gè)數(shù)為j=1，2…，q。

(4)確定主成分特征向量，計(jì)算出影響因素權(quán)重Wi。

歸一化處理后可計(jì)算出各因子的權(quán)重向量Wi，并依此對(duì)各因素影響程度進(jìn)行評(píng)價(jià)。

四、主成分分析的應(yīng)用

(1)原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化，建立相關(guān)系數(shù)矩陣，得出各影響因素特征值與貢獻(xiàn)率。

數(shù)據(jù)分析可知，底板標(biāo)高、煤厚、傾角三個(gè)影響因素的累積貢獻(xiàn)率到達(dá)80.422%，滿足75%～85%要求[8]，所以這3個(gè)影響因素可以大致代表所有的變量，即選取底板標(biāo)高、煤厚、砂巖比為三個(gè)主成分。通過前三項(xiàng)主成分方差貢獻(xiàn)率，建立金家莊煤礦瓦斯壓力影響因素的綜合評(píng)價(jià)函數(shù)：F=35.825X1+69.954X2+80.422X3。用該綜合評(píng)價(jià)函數(shù)可以在很大程度上代表所有的煤層瓦斯含量的影響因素。

(2)計(jì)算權(quán)重向量：

W埋深=|0.82×35.823%+0.424×27.131%-0.353×17.488%|=0.342

同理可以得到W煤厚=0.081、W砂巖比=0.202、W傾角=0.0077、W底板標(biāo)高=0.344。權(quán)重向量越大，表明該指標(biāo)影響瓦斯含量程度越大。所以，結(jié)合以上計(jì)算方法來看，影響金家莊煤礦瓦斯含量的主要因素順序?yàn)椋旱装鍢?biāo)高>埋深>砂巖比>煤厚>傾角。

五、結(jié)論

通過對(duì)金家莊煤礦瓦斯含量影響因素的分析，得出結(jié)論如下：

(1)運(yùn)用主成分分析法對(duì)金家莊煤礦影響瓦斯含量因素作出分析，影響瓦斯含量最大的因素為底板標(biāo)高，影響最小的因素為煤層傾角。

(2)主成分分析法能夠?qū)⒂绊懸蛩剡M(jìn)行定量化處理，結(jié)合所賦予的權(quán)重，能更加清晰的了解每一個(gè)指標(biāo)對(duì)瓦斯含量影響因素的大小，對(duì)正確評(píng)價(jià)瓦斯賦存提供更加有力的依據(jù)，對(duì)日常瓦斯管理和防治瓦斯突出具有指導(dǎo)意義。