Design-Expert预测大采高工作面瓦斯涌出量试验(1).pdf

收稿日期 ２ ０ １ ９－ ０ ６－ １ ７ 基金项目 国家自然科学基金（ ５ １ ２ ７ ４ １ １ ６ ） ； 国家重点研发计划项 目（ ２ ０ １ ８ Ｙ Ｅ Ｃ ０ ８ ０ ７ ９ ０ ０ ） 作者简介 李方超（ １ ９ ８ ７ ） ， 男， 陕西合阳人， ２ ０ １ ０年毕业于辽宁石 油化工大学安全技术管理（ 矿井通风与安全） 专业， 现从事矿井通风 与安全工作。 Ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ  Ｅ ｘ ｐ ｅ ｒ ｔ 预测大采高工作面 瓦斯涌出量试验 李方超， 毕建乙 （ 山西西山晋兴能源有限责任公司斜沟煤矿， 山西 吕梁 ０ ３ ３ ６ ０ ２ ） 摘 要 随着矿井采深的加大， 煤层赋存及采煤工作面地质条件愈来愈复杂， 导致影响瓦斯涌出量 的因素众多。为更有针对性、 更准确地预测综采工作面瓦斯涌出量， 将试验设计理论引入瓦斯涌出 量预测中。结合现场实测瓦斯浓度数据， 分析影响某矿 １ ８ ２ ０ ５大采高工作面瓦斯涌出量的 ４个因 素， 采用 Ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ  Ｅ ｘ ｐ ｅ ｒ ｔ 数值软件， 以 Ｃ ｅ ｎ ｔ ｒ ａ ｌ Ｃ ｏ ｍ ｐ ｏ ｓ ｉ ｔ ｅ Ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ 构建出５个水平４个因素的试验设计， 获得了某矿 １ ８ ２ ０ ５大采高工作面瓦斯涌出量影响因素的二次回归模型， 同时进行瓦斯涌出量预测。 研究结果表明 预测相对误差在 ４ ． １ ４ ％ ～ １ ０ ． ５ ７ ％， 基于试验设计思想的瓦斯涌出量预测更加具有 针对性， 可以满足现场的实践应用。 关健词 瓦斯涌出量； 大采高工作面； Ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ  Ｅ ｘ ｐ ｅ ｒ ｔ ； 二次回归模型； 试验设计 中图分类号 Ｔ Ｄ ７ １ ２ ． ５ 文献标志码 Ａ 文章编号 １ ６ ７ １－ ７ ４ ９ Ｘ （ ２ ０ ２ ０ ） ０ １－ ０ ０ １ ３－ ０ ５ Ｔ ｈ ｅｒ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈｏ ｆ ｐ ｒ ｅ ｄ ｉ ｃ ｔ ｉ ｎ ｇｔ ｈ ｅｇ ａ ｓ ｅ ｍｉ ｓ ｓ ｉ ｏ ｎｏ ｆ ｗ ｏ ｒ ｋ ｉ ｎ ｇｆ ａ ｃ ｅｗ ｉ ｔ ｈ ｌ ａ ｒ ｇ ｅｍｉ ｎ ｉ ｎ ｇｈ ｅ ｉ ｇ ｈ ｔ ｂ ｙＤ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ  Ｅ ｘ ｐ ｅ ｒ ｔ Ｌ Ｉ Ｆ ａ ｎ ｇ  ｃ ｈ ａ ｏ ， Ｂ Ｉ Ｊ ｉ ａ ｎ  ｙ ｉ （ Ｘ ｉ ｅ ｇ ｏ ｕＣ ｏ ａ ｌ Ｍ ｉ ｎ ｅ ， Ｓ ｈ ａ ｎ ｘ ｉ Ｘ ｉ ｓ ｈ ａ ｎＪ ｉ ｎ ｘ ｉ ｎ ｇＥ ｎ ｅ ｒ ｇ ｙＣ ｏ ．， Ｌ ｔ ｄ ．， Ｌ ｙ ｕ ｌ ｉ ａ ｎ ｇ０ ３ ３ ６ ０ ２ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ） Ａ ｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ Ｗｉ ｔ ｈｔ ｈ ｅｉ ｎ ｃ ｒ ｅ ａ ｓ ｅｏ ｆ ｍ ｉ ｎ ｉ ｎ ｇｄ ｅ ｐ ｔ ｈ ， ｔ ｈ ｅｏ ｃ ｃ ｕ ｒ ｒ ｅ ｎ ｃ ｅｏ ｆ ｃ ｏ ａ ｌ ｓ ｅ ａ ｍａ ｎ ｄｔ ｈ ｅｇ ｅ ｏ ｌ ｏ ｇ ｉ ｃ ａ ｌ ｃ ｏ ｎ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｏ ｆ ｃ ｏ ａ ｌ ｍ ｉ ｎ ｉ ｎ ｇｆ ａ ｃ ｅ ａ ｒ ｅｍ ｏ ｒ ｅａ ｎ ｄｍ ｏ ｒ ｅｃ ｏ ｍ ｐ ｌ ｅ ｘ ， ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｉ ｎ ｇｉ ｎｍ ａ ｎ ｙｆ ａ ｃ ｔ ｏ ｒ ｓ ａ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ｉ ｎ ｇｔ ｈ ｅｇ ａ ｓ ｅ ｍ ｉ ｓ ｓ ｉ ｏ ｎ ． Ｉ ｎｏ ｒ ｄ ｅ ｒ ｔ ｏｐ ｒ ｅ ｄ ｉ ｃ ｔ ｔ ｈ ｅｇ ａ ｓ ｅ ｍ ｉ ｓ ｓ ｉ ｏ ｎｆ ｒ ｏ ｍ ｔ ｈ ｅｆ ｕ ｌ ｌ ｙｍ ｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｚ ｅ ｄｍ ｉ ｎ ｉ ｎ ｇｆ ａ ｃ ｅｍ ｏ ｒ ｅｓ ｐ ｅ ｃ ｉ ｆ ｉ ｃ ａ ｌ ｌ ｙａ ｎ ｄａ ｃ ｃ ｕ ｒ ａ ｔ ｅ ｌ ｙ ， ｔ ｈ ｅｅ ｘ ｐ ｅ ｒ ｉ ｍ ｅ ｎ ｔ ａ ｌ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎｔ ｈ ｅ ｏ ｒ ｙｗ ａ ｓｉ ｎ ｔ ｒ ｏ ｄ ｕ ｃ ｅ ｄｉ ｎ ｔ ｏｔ ｈ ｅ ｐ ｒ ｅ ｄ ｉ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎｏ ｆ ｇ ａ ｓ ｅ ｍ ｉ ｓ ｓ ｉ ｏ ｎ ． Ｂ ａ ｓ ｅ ｄｏ ｎｔ ｈ ｅｍ ｅ ａ ｓ ｕ ｒ ｅ ｄｇ ａ ｓ ｃ ｏ ｎ ｃ ｅ ｎ ｔ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎｄ ａ ｔ ａ ， ｔ ｈ ｅｆ ｏ ｕ ｒ ｆ ａ ｃ ｔ ｏ ｒ ｓ ａ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ｉ ｎ ｇｔ ｈ ｅｇ ａ ｓ ｅ ｍ ｉ ｓ ｓ ｉ ｏ ｎｏ ｆ ｔ ｈ ｅ Ｎ ｏ ． １ ８ ２ ０ ５ｃ ｏ ａ ｌ ｍ ｉ ｎ ｉ ｎ ｇｆ ａ ｃ ｅｗ ｅ ｒ ｅａ ｎ ａ ｌ ｙ ｚ ｅ ｄ ． Ｕ ｓ ｉ ｎ ｇＤ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ  Ｅ ｘ ｐ ｅ ｒ ｔ ｎ ｕ ｍ ｅ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ ｓ ｏ ｆ ｔ ｗ ａ ｒ ｅ ， ｆ ｉ ｖ ｅ  ｌ ｅ ｖ ｅ ｌ ｆ ｏ ｕ ｒ  ｆ ａ ｃ ｔ ｏ ｒ ｅ ｘ ｐ ｅ ｒ ｉ ｍ ｅ ｎ ｔ ａ ｌ ｄ ｅ  ｓ ｉ ｇ ｎｗ ａ ｓ ｄ ｅ ｖ ｅ ｌ ｏ ｐ ｅ ｄｂ ｙ Ｃ ｅ ｎ ｔ ｒ ａ ｌ Ｃ ｏ ｍ ｐ ｏ ｓ ｉ ｔ ｅ Ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ， ａ ｎ ｄｔ ｈ ｅ ｑ ｕ ａ ｄ ｒ ａ ｔ ｉ ｃ ｒ ｅ ｇ ｒ ｅ ｓ ｓ ｉ ｏ ｎｍ ｏ ｄ ｅ ｌ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｆ ａ ｃ ｔ ｏ ｒ ｓ ａ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ｉ ｎ ｇ ｔ ｈ ｅ ｇ ａ ｓ ｅ ｍ ｉ ｓ ｓ ｉ ｏ ｎ ｗ ａ ｓ ｃ ｏ ｎ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｅ ｄ ． Ｔ ｈ ｅｐ ｒ ｅ ｄ ｉ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎｏ ｆ ｇ ａ ｓ ｅ ｍ ｉ ｓ ｓ ｉ ｏ ｎｓ ｈ ｏ ｗ ｓ ｔ ｈ ａ ｔ ｔ ｈ ｅｐ ｒ ｅ ｄ ｉ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎａ ｃ ｃ ｕ ｒ ａ ｃ ｙｉ ｓ ４ ． １ ４ ％ ～ １ ０ ． ５ ７ ％， ｗ ｈ ｉ ｃ ｈｔ ｈ ｅ ｐ ｒ ｅ ｄ ｉ ｃ  ｔ ｉ ｏ ｎｏ ｆ ｇ ａ ｓ ｅ ｍ ｉ ｓ ｓ ｉ ｏ ｎｂ ａ ｓ ｅ ｄｏ ｎｔ ｈ ｅｉ ｄ ｅ ａｏ ｆ ｅ ｘ ｐ ｅ ｒ ｉ ｍ ｅ ｎ ｔ ａ ｌ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎｉ ｓ ｍ ｏ ｒ ｅｔ ａ ｒ ｇ ｅ ｔ ｅ ｄａ ｎ ｄｃ ａ ｎｍ ｅ ｅ ｔ ｔ ｈ ｅｐ ｒ ａ ｃ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ａ ｐ ｐ ｌ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ． Ｋ ｅ ｙｗ ｏ ｒ ｄ ｓ ｇ ａ ｓ ｅ ｍ ｉ ｓ ｓ ｉ ｏ ｎ ； ｌ ａ ｒ ｇ ｅｍ ｉ ｎ ｉ ｎ ｇｈ ｅ ｉ ｇ ｈ ｔ ； Ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎＥ ｘ ｐ ｅ ｒ ｔ ； ｑ ｕ ａ ｄ ｒ ａ ｔ ｉ ｃｒ ｅ ｇ ｒ ｅ ｓ ｓ ｉ ｏ ｎｍ ｏ ｄ ｅ ｌ ； ｅ ｘ ｐ ｅ ｒ ｉ ｍ ｅ ｎ ｔ ａ ｌ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ０ 引言 随着采煤机械化程度的加大， 很多矿井逐渐采 用综合机械化一次采全高采煤方法［ １ ］， 此时需要工 作面配更多的风量， 而工作面通风设计和瓦斯抽采 设计等都与瓦斯涌出量预测关系密切， 因此准确预 测大采高工作面的瓦斯涌出量显得愈发重要［ ２ － ３ ］。 由于矿井采深的加大、 煤层赋存地质条件各异 和采煤工作面现场条件复杂， 导致影响瓦斯涌出量 的因素越来越多， 所以采用单一预测方法很难精确 获得瓦斯涌出量［ ４ － ５ ］。针对此情况， 我国科研工作 ３１第 １期李方超 毕建乙 Ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ  Ｅ ｘ ｐ ｅ ｒ ｔ 预测大采高工作面瓦斯涌出量试验 者开展大量的试验研究， 例如， 周西华等人［ ６ ］使用 改进的 Ｇ Ａ－Ｂ Ｐ神经网络模型有效预测瓦斯涌出 量， 其平均相对误差仅为 ０ ． ５ ８ ％， 预测精度得到大 幅度提高； 魏国营等人［ ７ ］通过改进的自适应混合粒 子群算法优化 Ｓ Ｖ Ｒ的参数， 提出 Ｐ Ｃ Ａ－Ａ Ｈ Ｐ Ｓ Ｏ－ Ｓ Ｖ Ｒ模型， 此模型稳定性较好， 适用于现场需要； 李 文华等人［ ８ － ９ ］提出基于 Ｍ Ｆ Ｏ Ａ－ Ｅ Ｎ Ｎ的煤矿瓦斯涌 出量动态预测模型， 此模型的平均相对误差为 １  ４ ９ ９ ％、 均方根误差为 ０ ． １ ０ ２６ 、 平均相对变动值为 ０ ． ０ ０ ３７ ， 具备更好的科学性、 适应性和泛化能力。 以上预测方法涉及参数很多， 使用不便且准确率 较低。 以某矿 １ ８ ２ ０ ５大采高工作面为例， 提出试验设 计思想， 结合矿井实测瓦斯数据， 构建 ４因素 ５水平 的试验设计模型， 借助 Ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ  Ｅ ｘ ｐ ｅ ｒ ｔ 软件， 应用 Ｃ ｅ ｎ ｔ ｒ ａ ｌ Ｃ ｏ ｍ ｐ ｏ ｓ ｉ ｔ ｅＤ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ 设计， 以期最终获得各影响 参数和瓦斯涌出量之间的二次回归模型。 １ １ ８ ２ ０ ５大采高工作面概况 １ ． １ 通风瓦斯概况 １ ８ ２ ０ ５大采高工作面在 ８ ＃煤 １ ２采区， 工作面倾 斜长度 １ ８ ０ｍ ， 可采走向长度 １１ ４ ０ｍ ， 其东面是 １ ８ ２ ０ ３采空区， 西面是实煤区（ 未布置的 １ ８ ２ ０ ７工作 面） ， 南面是 １ ２采区三条下山， 北面是矿井的边界。 应配风量１ ０ ２ ０ｍ ３／ ｍ ｉ ｎ 。煤层平均厚度２ ． １ｍ ， 煤层 倾角 ９ ～ １ １ ， 工作面布置如图 １所示。 １ ． ２ 瓦斯涌出量分析 图 １ １ ８ ２ ０ ５综采工作面通风示意图 通过在 １ ８ ２ ０ ５工作面布置瓦斯浓度测点， 采用 单元法对瓦斯涌出量进行预测， 测定 １ ８ ２ ０ ５工作面 瓦斯涌出情况见表 １ 。１ ８ ２ ０ ５工作面本煤层涌出瓦 斯量 １ ７ ． １ ６ｍ ３／ ｍ ｉ ｎ ， 邻近层涌出量 １ ８ ． １ ０ｍ３／ ｍ ｉ ｎ ， 绝对瓦斯涌出量 ３ ５ ． ２ ６ｍ ３／ ｍ ｉ ｎ ， 因此 １ ８ ２ ０ ５工作面 的瓦斯治理重点就是本煤层、 邻近层同时开始瓦斯 治理。 表 １ 瓦斯来源分析 煤层 名称 回采面 总涌出量／ （ ｍ ３ ｍ ｉ ｎ － １） 本煤层 涌出量／ （ ｍ ３ ｍ ｉ ｎ － １） 领近层 涌出量／ （ ｍ ３ ｍ ｉ ｎ － １） 本煤层 占比例 ／ ％ 邻近层 占比例 ／ ％ ８ ＃ ３ ５ ． ２ ６１ ７ ． １ ６１ ８ ． １ ０４ ９５ １ ２ １ ８ ２ ０ ５工作面瓦斯涌出影响因素 １ ８ ２ ０ ５工作面瓦斯涌出的 ４个影响参数是顶板 周期压力、 配风量、 工作面日产量、 瓦斯抽采量， 图 ２ 为不同时间段内， 各因素影响下的工作面瓦斯涌出 量数据统计。 ａ － 生产工序对瓦斯涌出量影响； ｂ － 顶板周期压力对瓦斯涌出量影响； ｃ － 配风量对瓦斯涌出量影响 图 ２ １ ８ ２ ０ ５工作面瓦斯涌出量影响因素 由图 ２可以看出， 检修班平均瓦斯涌出量为 ８  １ ３ｍ ３／ ｍ ｉ ｎ ， 生产班平均瓦斯涌出量 １ ２ ． ０ ７ｍ３／ ｍ ｉ ｎ ， 这是由于工作面割煤而涌出大量的瓦斯。 １ ８ ２ ０ ５综采工作面周期来压步距 ２ ０～ ２ ５ｍ ， 随着工 作面推进， 支架支撑力在 ３２ ０ ０ｋ Ｎ附近波动， 矿山 压力的峰值先于瓦斯涌出量峰值， 这是因为上覆岩 ４１陕 西 煤 炭 ２ ０ ２ ０年 体在矿山压力作用下产生的“ 三带” ， 为采空区瓦斯 流动提供了通道。而配风量直接影响着工作面两端 的压差， 当漏风较大时位于采空区深部的瓦斯将会 涌到工作面。 ３ Ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ  Ｅ ｘ ｐ ｅ ｒ ｔ 瓦斯涌出量预测 ３ ． １ 试验设计 所谓响应曲面试验设计的核心部分是二次多元 多项式的回归分析， 对不同阶段开展试验设计和数 据分析， 逐次挑选出响应变量的影响因子以准确表 达因子的效应、 交互效应和加速效应， 最后得到因子 和响应之间最接近的关系模式， 为确定最佳的生产 条件、 设计条件和决策条件提供基础［ １ ０ － １ ４ ］。回归模 型见式（ １ ） ， 当试验部分趋向最优部分或者处于最 优部分时， 二次响应曲面模型见式（ ２ ） 。 Ｙ＝β ０＋β１Ｘ１＋β２Ｘ２＋ ＋βｐ － １Ｘｐ － １＋ε（ １ ） Ｙ＝β ０＋∑ ｋ ｉ ＝ １β ｉｘｉ＋∑∑ ｋ ｉ ＜ １β ｉ ｊｘｉｘｊ＋∑ ｋ ｉ ＝ １β ｉ ｉｘｉ ｉ＋ε （ ２ ） 式中 Ｙ 随机变量； β ０ ， β １， ， βｐ － １ 待求的未 知参数； ε 误差项， 其均值为 ０ 、 方差 σ ２ ＞０ ； Ｘ １， Ｘ ２， ， Ｘｐ － １ 自变量。 通过式（ ３ ）的最小二乘估计法将公式（ １ ）中的 待求参数计算到最小。 Ｑ （ β ）＝ ＾∑ ｋ ｉ ＝ １（ ｙ ｉ－β０－β１ｘｉ １－β２ｘｉ ２－ －β ｐｘｉ ｐ） ２ （ ３ ） 式中 ｙ ｉ 随机变量； ｘｉ １， ｘｉ ２， ， ｘｉ ｐ 自变量； β ０ ， β １， βｐ － １ 待求的未知参数。 ３ ． ２ 影响瓦斯涌出的因素 根据 １ ８ ２ ０ ５大采高工作面瓦斯涌出规律和现场 瓦斯治理数据， 重点研究日产量、 瓦斯抽采量、 顶板 周期压力、 配风量 ４个影响 １ ８ ２ ０ ５综采工作面瓦斯 涌出量的主要因素。在每个因素中选择 ５个水平进 行 Ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎＥ ｘ ｐ ｅ ｒ ｔ ， 构建一个新的试验项目， 敲击 Ｒ ｅ  ｓ ｐ ｏ ｎ ｓ ｅＳ ｕ ｒ ｆ ａ ｃ ｅ 选项， 因 Ｂ ｏ ｘＢ ｅ ｈ ｎ ｋ ｅ ｎ设计只提供 ３ 个水平， 所以使用 Ｃ ｅ ｎ ｔ ｒ ａ ｌ Ｃ ｏ ｍ ｐ ｏ ｓ ｉ ｔ ｅ ， 之后进入 Ｃ ｅ ｎ  ｔ ｒ ａ ｌ Ｃ ｏ ｍ ｐ ｏ ｓ ｉ ｔ ｅＤ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ 方案。工作面瓦斯涌出量的影 响因素即为响应因素， 瓦斯涌出量大小是响应， 通过 简化方案设计（ Ｓ ｍ ａ ｌ ｌ ） 开展试验， 试验方案简化了能 够缩减试验次数， 设置 ａ ｌ ｐ ｈ ａ值是 ２ ， 编码见表 ２ ， 方 案以及结果见表 ３ 。 表 ２ 因素水平编码表 变量因素名称 因素水平 － １－ １０１２ Ａ日产量／ ｔ９ ０ ０１０ ０ ０ １１ ０ ０ １２ ０ ０ １３ ０ ０ Ｂ顶板周期压力／ ｋ Ｎ２８ ０ ０ ３０ ０ ０ ３２ ０ ０ ３４ ０ ０ ３６ ０ ０ Ｃ 瓦斯抽采量 ／ （ ｍ ３ ｍ ｉ ｎ － １） １ ０１ ２１ ４１ ６１ ８ Ｄ配风量／ （ ｍ ３ ｍ ｉ ｎ － １） １０ ０ ０ １１ ０ ０ １２ ０ ０ １３ ０ ０ １４ ０ ０ 表 ３ 试验设计方案及结果 试验号 因素 １ Ａ 因素 ２ Ｂ 因素 ３ Ｃ 因素 ４ Ｄ 响应 Ｙ １１０ ０ ０３０ ０ ０１ ２１１ ０ ０３ ３ ． １ ２９ ０ ０３２ ０ ０１ ４１２ ０ ０３ ３ ． ６ ３１１ ０ ０３２ ０ ０１ ４１２ ０ ０３ ６ ． ８ ４１１ ０ ０３２ ０ ０１ ４１４ ０ ０３ ６ ． ８ ５１０ ０ ０３４ ０ ０１ ２１３ ０ ０３ ５ ． ３ ６１１ ０ ０３２ ０ ０１ ４１２ ０ ０３ ５ ． １ ７１１ ０ ０２８ ０ ０１ ４１２ ０ ０３ １ ． ７ ８１１ ０ ０３２ ０ ０１ ４１２ ０ ０３ ５ ． ７ ９１０ ０ ０３０ ０ ０１ ６１１ ０ ０３ ４ ． ８ １ ０１２ ０ ０３４ ０ ０１ ２１１ ０ ０３ ７ ． ３ １ １１１ ０ ０３２ ０ ０１ ８１２ ０ ０３ ７ ． １ １ ２１１ ０ ０３６ ０ ０１ ４１２ ０ ０４ １ ． ２ １ ３１２ ０ ０３０ ０ ０１ ６１３ ０ ０３ ５ ． ４ １ ４１２ ０ ０３０ ０ ０１ ２１３ ０ ０３ ４ ． ５ １ ５１１ ０ ０３２ ０ ０１ ４１２ ０ ０３ ４ ． ９ １ ６１１ ０ ０３２ ０ ０１ ４１０ ０ ０３ ５ ． ９ １ ７１２ ０ ０３４ ０ ０１ ６１１ ０ ０３ ８ ． ８ １ ８１３ ０ ０３２ ０ ０１ ４１２ ０ ０３ ６ ． ８ １ ９１１ ０ ０３２ ０ ０１ ０１２ ０ ０３ ４ ． ８ ２ ０１０ ０ ０３４ ０ ０１ ６１３ ０ ０３ ６ ． ２ ２ １１１ ０ ０３２ ０ ０１ ４１２ ０ ０３ ６ ． １ ３ ． ３ 结果分析 显著性 敲击 Ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ 中选项里的 Ｒ １（ 瓦斯涌 出量） ， 就会出现 ６个部分（ Ｔ ｒ ａ ｎ ｓ ｆ ｏ ｒ ｍ 、 Ｆ ｉ ｔ Ｓ ｕ ｍ ｍ ａ ｒ ｙ 、 Ｍ ｏ ｄ ｅ ｌ 、Ａ Ｎ Ｏ Ｖ Ａ 、Ｄ ｉ ａ ｇ ｎ ｏ ｓ ｔ ｉ ｃ ｓ和 Ｍ ｏ ｄ ｅ ｌＧ ｒ ａ ｐ ｈ ｓ ） 。 Ｔ ｒ ａ ｎ ｓ ｆ ｏ ｒ ｍ不变、 仍选默认设置， Ｆ ｉ ｔ Ｓ ｕ ｍ ｍ ａ ｒ ｙ 中选择 Ｑ ｕ ａ ｄ ｒ ａ ｔ ｉ ｃ 模型， 之后的 Ｍ ｏ ｄ ｅ ｌ 过程， 使用 Ｑ ｕ ａ ｄ ｒ ａ ｔ ｉ ｃ 模型， 接着选择 Ａ Ｎ Ｏ Ｖ Ａ获得模型方差和模型方程， 具体见式（ ４ ） 和表４ 。从表４ 发现模型 Ｐ值是０  ０ ０ ３ ， 低于 ０ ． ０ １ ， 表明回归模型充分显著。模型失拟度超 过 ０ ． ０ １ ， 表明不显著， 证明回归方程能明显预测每 个试验点， 最后确定的二次响应面方程见式（ ４ ） 。 ５１第 １期李方超 毕建乙 Ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ  Ｅ ｘ ｐ ｅ ｒ ｔ 预测大采高工作面瓦斯涌出量试验 Ｙ＝ ２ ４ ． ０ ６ ２－ ０ ． １ ８ Ａ－ ０ ． ０ ４ Ｂ＋ １ ． ５ ６ Ｃ－ ０ ． １ ４ Ｄ＋ ２ ． ７ ５ １ ０ － ５Ａ Ｂ－ １ ． ２ ５ １ ０－ ４Ａ Ｃ＋ １ ． １ ５ １ ０－ ６Ａ Ｌ－ ８ ． ７ ５ １ ０ － ４Ｃ Ｄ－ １ ． ６ ９ １ ０－ ５Ａ２＋ ３ ． ５ ９ １ ０－ ６Ｂ２－ ４  ６ １ １ ０ － ３Ｃ２＋ １ ． １ ８ １ ０－ ５Ｄ２ （ ４ ） 表 ４ 方差分析表 方差来源总和自由度均方Ｆ值Ｐ值 模型７ ６ ． ９ ４１ ４５ ． ５ ０１ １ ． ９ １０ ． ０ ０ ３０ Ａ５ ． １ ２１５ ． １ ２１ １ ． １ ００ ． ０ １ ５８ Ｂ４ ５ ． １ ３１４ ５ ． １ ３９ ７ ． ７ ９＜ ０ ． ０ ０ ０１ Ｃ５ ． ７ ６１５ ． ７ ６１ ２ ． ４ ８０ ． ０ １ ２３ Ｄ０ ． ４ １１０ ． ４ １０ ． ８ ８０ ． ３ ８ ５０ Ａ Ｂ１ ． ２ １１１ ． ２ １２ ． ６ ２０ ． １ ５ ６５ Ａ Ｃ０ ． ０ ０ ０５１０ ． ０ ０ ０５０ ． ０ １ １０ ． ９ ２ ０５ Ａ Ｄ５ ． ２ ９１５ ． ２ ９１ １ ． ４ ６０ ． ０ １ ４８ Ｂ Ｃ０ ． ０ ０ ０５１０ ． ０ ０ ０５０ ． ０ １ １０ ． ９ ２ ０５ Ｂ Ｄ０ ． ０ ０ ０２ ５１０ ． ０ ０ ０２ ５ ０ ． ０ ０ ０５ ４ １８ ０ ． ９ ４ ３７ Ｃ Ｄ０ ． ２ ４１０ ． ２ ４０ ． ５ ３０ ． ４ ９ ３７ Ａ ２ ０ ． ７ ２１０ ． ７ ２１ ． ５ ５０ ． ２ ５ ８９ Ｂ ２ ０ ． ５ ２１０ ． ５ ２１ ． １ ２０ ． ３ ３ ０８ Ｃ ２ ０ ． ０ ０ ０８ ５ ３２１０ ． ０ ０ ０８ ５ ３２０ ． ０ １ ８０ ． ８ ９ ６３ Ｄ ２ ０ ． ３ ５１０ ． ３ ５０ ． ７ ６０ ． ４ １ ６０ Ｒ ｅ ｓ ｉ ｄ ｕ ａ ｌ２ ． ７ ７６０ ． ４ ６ Ｌ ａ ｃ ｋｏ ｆ Ｆ ｉ ｔ０ ． ４ ０２０ ． ２ ００ ． ３ ４０ ． ７ ３ １５ Ｐ ｕ ｒ ｅＥ ｒ ｒ ｏ ｒ２ ． ３ ７４０ ． ５ ９ Ｃ ｏ ｒ Ｔ ｏ ｔ ａ ｌ７ ９ ． ７ １２ ０ 优化设计 敲定 Ｏ ｐ ｔ ｉ ｍ ｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ选项后， 界面弹出 Ｃ ｒ ｉ ｔ ｅ ｒ ｉ ａ 、 Ｓ ｏ ｌ ｕ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ 和 Ｇ ｒ ａ ｐ ｈ 选项卡 ３个选项， 都是为 Ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎＥ ｘ ｐ ｅ ｒ ｔ 软件准备的， 用于试验优化设计。通 过向 Ｃ ｒ ｉ ｔ ｅ ｒ ｉ ａ 中录入每个参数的区间， 就能获得预测 结果。设置优化条件是默认状态， 选择 Ｎ ｕ ｍ ｅ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ 选 项， 步入 Ｓ ｏ ｌ ｕ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ 选项卡， 得到标记 Ｓ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｅ ｄ的最合 适数值， 结果是 Ａ １０ ０ ０ｔ ／ ｄ ； Ｂ ３４ ０ ０ｋ Ｎ ； Ｃ １ ６ ｍ ３／ ｍ ｉ ｎ ； Ｄ １３ ０ ０ｍ３／ ｍ ｉ ｎ 。敲定 Ｃ ｏ ｎ ｆ ｉ ｒ ｍ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ 命令， 发现在此环境下的预测数据是 ３ ９ ． ０ ７ｍ ３／ ｍ ｉ ｎ 。由 于矿井现场无法准确掌握周期来压等具体数值， 然 而抽采量、 日产量和配风量的变化却能借助预先试 验设计的理论提供有效的数据来开展瓦斯治理。 关联性 从表 ４发现， 在一次项中根据影响 １ ８ ２ ０ ５工作面瓦斯涌出量的权重大小来排序是 Ｂ＞ Ｃ＞ Ａ＞Ｄ ， 即顶板周期压力 ＞抽采量 ＞日产量 ＞配 风量， 即影响最大的因素是顶板周期来压。在二次 项中根据影响瓦斯涌出量的权重大小来排序是 Ａ Ｄ ＞ Ａ Ｂ＞ Ｃ Ｄ＞ Ａ Ｃ＞ Ｂ Ｃ＞ Ｂ Ｄ ， 即配风量和日产量 ＞顶 板周期来压和日产量 ＞ 配风量和抽采量 ＞ 抽采量和 日产量 ＞ 抽采量和顶板周期来压 ＞ 配风量和顶板周 期来压； 二次项中 Ｐ值仅有配风量和日产量（ Ａ Ｄ 项） 低于 ０ ． ０ ５ ， 证明 ４个影响参数相互之间无关联 作用。 ３ ． ４ 预测瓦斯涌出量分析 矿井生产时周期压力是无法控制的因素， 但另 外 ３个影响因素能够调整优化， 因此重点研究瓦斯 涌出量与配风量、 抽采量和日产量之间的变化规律。 通过统计分析 １ ８ ２ ０ ５工作面生产时各项数值， 把 Ｃ ｒ ｉ ｔ ｅ ｒ ｉ ａ 选项卡中的各参数进行调整， 实测与预测结 果见表 ５ 。 表 ５ 实际值与预测值对比 日产 量／ ｔ 顶板周 期压力 ／ ｋ Ｎ 瓦斯抽 采量／ （ ｍ ３ ｍ ｉ ｎ － １） 配风量／ （ ｍ ３ ｍ ｉ ｎ － １） 瓦斯涌出量 ／ （ ｍ ３ ｔ － １） 预测值 实际值 相对 误差 ／ ％ ９ ０ ０３２ ０ ０１ ４１２ ０ ０３ ４ ． １ ７３ ６ ． ２５ ． ９ ４ １０ ０ ０ ３２ ０ ０１ ６１３ ０ ０３ ５ ． ５ ４３ ８ ． １７ ． ２ ０ ９ ４ ７３２ ０ ０１ ３１０ ２ ０３ ４ ． ２ ８３ ５ ． ７４ ． １ ４ １０ １ ０ ３２ ０ ０１ ５１３ ３ ２３ ５ ． ０ ９３ ８ ． ８ １ ０ ． ５ ７ ４ 结论 （ １ ） 确定配风量、 日产量、 抽采量和顶板周期压 力为影响瓦斯涌出量的 ４个因素， 借助 Ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎＥ ｘ  ｐ ｅ ｒ ｔ 软件， 以 Ｃ ｅ ｎ ｔ ｒ ａ ｌ Ｃ ｏ ｍ ｐ ｏ ｓ ｉ ｔ ｅＤ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ 曲面设计构建 了 ４因素 ５水平的模型。 （ ２ ） 构建 １ ８ ２ ０ ５工作面瓦斯涌出量的二次回归 模型， 同时获得瓦斯涌出量与一次项、 二次项的关 系， 依次是 顶板周期压力、 瓦斯抽采量、 日产量和配 风量， 选择矿井现场 ４组实测数据开展预测分析， 发 现相对误差为 ４ ． １ ４ ％ ～ １ ０ ． ５ ７ ％， 符合现场实际。 （ ３ ） Ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ  Ｅ ｘ ｐ ｅ ｒ ｔ 瓦斯涌出量预测方法无需使 用者拥有扎实的编程基础， 界面简单易于操作； 下一 步可利用监测监控数据扩大试验设计参数， 来提高 预测的准确率。 参考文献 ［ １ ］ 洪林， 赫祥林， 董晓雷， 等． Ｐ Ｃ Ａ  Ｇ Ａ  Ｅ Ｌ Ｍ煤矿瓦斯 涌出量预测［ Ｊ ］ ． 辽宁工程技术大学学报（ 自然科 学版） ， ２ ０ １ ５ ， ３ ４ （ ７ ） ７ ７ ９－ ７ ８ ４ ． ［ ２ ］ 马建宏， 陈懿博， 庞泽明． 综放工作面瓦斯涌出量 预测方法及工程实践［ Ｊ ］ ． 中国安全生产科学技 ６１陕 西 煤 炭 ２ ０ ２ ０年 术， ２ ０ １ ４ ， １ ０ （ １ ０ ） １ ４ ３－ １ ４ ７ ． ［ ３ ］ 卢国斌， 康晋恺， 白刚， 等． Ｐ Ｃ Ａ－Ｂ Ｐ在回采工作 面瓦斯涌出量预测中的应用［ Ｊ ］ ． 辽宁工程技术 大学学报（ 自然科学版） ， ２ ０ １ ５ ， ３ ４ （ １ ２ ） １ ３ ２ ９－ １ ３ ３ ４ ． ［ ４ ］ 李胜， 韩永亮， 李军文． 回采工作面瓦斯涌出量耦 合预测模型研究［ Ｊ ］ ． 计算机工程与应用， ２ ０ １ ５ ， ５ １ （ １ ６ ） １－ ５ ． ［ ５ ］ 何清． 工作面瓦斯涌出量预测研究现状及发展趋 势［ Ｊ ］ ． 矿业安全与环保， ２ ０ １ ６ ， ４ ３ （ ４ ） ９ ８－ １ ０ １ ． ［ ６ ］ 周西华， 孙家正． 基于主因子分析的改进 Ｂ Ｐ神经 网络瓦斯涌出量预测［ Ｊ ］ ． 矿业安全与环保， ２ ０ １ ８ ， ４ ５ （ ６ ） ４ ３－ ４ ７ ， ５ ２ ． ［ ７ ］ 魏国营， 裴蒙． 基于 Ｐ Ｃ Ａ  Ａ Ｈ Ｐ Ｓ Ｏ  Ｓ Ｖ Ｒ的煤层瓦斯 含量预测研究［ Ｊ ］ ． 中国安全生产科学技术， ２ ０ １ ９ ， １ ５ （ ３ ） ６ ９－ ７ ４ ． ［ ８ ］ 李文华， 杨子凝， 王来贵． 耦合神经网络在瓦斯涌 出量动态预测中的应用［ Ｊ ］ ． 辽宁工程技术大学 学报（ 自然科学版） ， ２ ０ １ ８ ， ３ ７ （ ４ ） ７ ５ ０－ ７ ５ ５ ． ［ ９ ］ 李文华， 杨子凝， 王来贵． Ｐ Ｃ Ａ  Ｍ Ｇ Ａ  Ｇ Ｒ Ｎ Ｎ矿井通 风机故障识别方法［ Ｊ ］ ． 辽宁工程技术大学学报 （ 自然科学版） ， ２ ０ １ ８ ， ３ ７ （ ２ ） ４ ０ １－ ４ ０ ７ ． ［ １ ０ ］付华， 姜伟， 单欣欣． 基于耦合算法的煤矿瓦斯涌 出量预测模型研究［ Ｊ ］ ． 煤炭学报， ２ ０ １ ２ ， ３ ７ （ ４ ） ６ ５ ４－ ６ ５ ８ ． ［ １ １ ］崔瑞清． 基于试验设计的综采面瓦斯涌出量预测 研究［ Ｊ ］ ． 现代矿业， ２ ０ １ ６ ， ３ ２ （ １ ２ ） ３ ０－ ３ ３ ． ［ １ ２ ］毕建武， 贾进章． 基于 Ｐ Ｃ Ｍ Ｒ Ａ神经网络补偿算法 的瓦斯涌出量预测［ Ｊ ］ ． 自然灾害学报， ２ ０ １ ４ ， ２ ３ （ ５ ） １ ９ ８－ ２ ０ ３ ． ［ １ ３ ］王海东， 张兴华， 张宇． 顶板周期来压对邻近层抽 采瓦斯效果影响分析［ Ｊ ］ ． 中国煤炭， ２ ０ １ ３ ， ３ ９ （ ９ ） ９ ８－ １ ０ １ ． ［ １ ４ ］耿增达， 赵红星． 马堡矿 ８ ２ ０ ４工作面覆岩“ 三带” 高度数值模拟研究［ Ｊ ］ ． 煤， ２ ０ １ ５ ， ２ ４ （ １ ） ７－ １ ０ ， 檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪 １ ９ ． （ 下接第 ３ １页） （ １ ） 小庄煤矿地应力场以水平构造应力为主 导， 最大水平主应力约为垂直主应力的 １ ． ６ ９～ １ ． ８ ３ 之间， 平均 １ ． ７ ６倍； 最大水平主应力为最小水平主 应力的 １ ． ８ ２～ １ ． ８ ８倍， 说明水平应力对巷道顶底板 的影响表现出较明显的方向性； 小庄煤矿最大主应 力在２ １ ． ２ ３ ～ ３ ０ ． １ ７Ｍ Ｐ ａ 之间， 属于高 － 超高应力区。 （ ２ ） 最大水平主应力（ σ ｈ ｍ ａ ｘ） 、 最小水平主应力 （ σ ｈ ｍ ｉ ｎ） 和垂直主应力（ σｖ） 均随深度 Ｈ （ 单位为 ｍ ） 呈近似线性增长的关系。 （ ３ ） 运用三维地应力场反演数值模拟结果与实 测结果有较高的拟合度。采用反演数值模拟分析了 井田区域的最大主应力， ４ ＃煤最大主应力值分布在 ２ ５～ ３ ４ ． ５Ｍ Ｐ ａ 之间， 最大应力水平由北向南依次呈 现高低高低的分布特征。 参考文献 ［ １ ］ 康红普． 煤岩体地质力学原位测试及在围岩控制 中的应用［ Ｍ］ ． 北京 科学出版社， ２ ０ １ ３ ． ［ ２ ］ 蔡美峰． 地应力测量原理和技术［ Ｍ］ ． 北京 科学 出版社， ２ ０ ０ ０ ． ［ ３ ］ 赵亚军， 孟楠楠． 地应力测量方法综述［ Ｊ ］ ． 内蒙 古煤炭经济， ２ ０ １ ５ ， ３ ３ （ ５ ） ２ ０ ９－ ２ １ ０ ． ［ ４ ］ 伊丙鼎． 煤矿井下地应力数据库及地应力影响因 素研究［ Ｄ ］ ． 北京 煤炭科学研究总院， ２ ０ １ ７ ． ［ ５ ］ 陈见行， 王洪林， 王晓卿． 利用套孔应力解除法测 量矿山原岩应力［ Ｊ ］ ． 山西焦煤科技， ２ ０ １ ０ ， ３ ４ （ ２ ） ３ １－ ３ ３ ． ［ ６ ］ 韩晓玉． 地应力套心解除法测量精度的校验方法 研究［ Ｊ ］ ． 地下空间与工程学报， ２ ０ １ ９ ， １ ５ （ １ ） ， ２ ５ ６ － ２ ６ １ ． ［ ７ ］ 邓志刚． 基于三维地应力场反演的宏观区域冲击 危险性评价［ Ｊ ］ ． 煤炭科学技术， ２ ０ １ ８ ， ４ ６ （ １ ０ ） ７ ８ － ８ ２ ． ［ ８ ］ 刘飞， 胡斌， 宋丹， 等． 西藏邦铺矿区地应力测量 及三维地应力反演分析［ Ｊ ］ ． 矿业研究与开发， ２ ０ １ ５ ， ３ ５ （ ３ ） ４ ７－ ５ １ ． ７１第 １期李方超 毕建乙 Ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ  Ｅ ｘ ｐ ｅ ｒ ｔ 预测大采高工作面瓦斯涌出量试验