煤層穩(wěn)定性定量評(píng)價(jià)模型探討

魏迎春，曹代勇，鄧覺(jué)梅

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)煤炭資源與安全開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

煤層穩(wěn)定性分類(lèi)的正確與否，直接關(guān)系到地質(zhì)勘探類(lèi)型的合理確定和煤炭資源開(kāi)發(fā)利用價(jià)值的正確評(píng)估，同時(shí)，還關(guān)系到礦井建設(shè)中工作面的布置及開(kāi)采方式的選擇[1-3]。五十年來(lái)，我國(guó)一直沿用蘇聯(lián)“煤及油頁(yè)巖勘探規(guī)范”中提出的劃分方案，分為四類(lèi)型：穩(wěn)定型、較穩(wěn)定型、不穩(wěn)定型、極不穩(wěn)定型?，F(xiàn)行的《煤、泥炭地質(zhì)勘查規(guī)范(DZ/T0215-2002)》采用三軸理論：經(jīng)濟(jì)的、可行的、地質(zhì)的劃分方案，未對(duì)煤層穩(wěn)定性做出量化的規(guī)定[2]，只限于定性的描述。因此，在實(shí)際工作中，對(duì)于確定不同煤層的穩(wěn)定性不易掌握，對(duì)勘探類(lèi)型的劃分帶來(lái)一定的主觀隨意性。尤其是綜采技術(shù)的推廣,對(duì)煤層穩(wěn)定性評(píng)價(jià)研究提出了更高的要求，使其成為綜采地質(zhì)條件評(píng)價(jià)的主要任務(wù)[3]。所以，定量研究煤層的穩(wěn)定性具有重要意義。

1 影響煤層穩(wěn)定性的主要因素

煤層穩(wěn)定程度主要是根據(jù)勘查區(qū)(井田)內(nèi)煤層厚度、結(jié)構(gòu)、煤質(zhì)、煤類(lèi)的變化及其可采性來(lái)確定的。一般煤層厚度、結(jié)構(gòu)的變化和可采性直接影響勘查工程基本線距的確定和礦井建設(shè)的規(guī)模等。煤質(zhì)煤類(lèi)的變化往往小于煤厚的變化，所以煤層穩(wěn)定性評(píng)價(jià)主要需要考慮煤層厚度、結(jié)構(gòu)的變化，而煤質(zhì)的變化一般不致影響勘查工程基本線距的確定[2]。

1.1 煤層厚度的變化

由于受煤層形成時(shí)基底構(gòu)造、原始成煤環(huán)境、后期沖刷作用和構(gòu)造作用的影響，造成不同煤田、礦井或同一礦井的不同采區(qū)、工作面的煤層厚度不同，或出現(xiàn)增厚、變薄現(xiàn)象。當(dāng)煤層厚度小于實(shí)際開(kāi)采高度時(shí)，在工作面煤壁表現(xiàn)為破頂或破底，給綜采設(shè)備維護(hù)帶來(lái)困難；當(dāng)煤層厚度大于工作面實(shí)際開(kāi)采高度并放頂煤時(shí)，由于煤層松軟，即以造成漏頂，給頂板管理造成困難。因此，開(kāi)展煤層厚度及其變化研究，對(duì)采區(qū)的合理布置、采煤方法的正確選擇、儲(chǔ)量的準(zhǔn)確計(jì)算、煤炭資源的充分回收等具有重要意義[3]。

國(guó)內(nèi)外煤田地質(zhì)、礦井地質(zhì)以及數(shù)學(xué)地質(zhì)工作者對(duì)影響煤厚變化的原因和控制因素進(jìn)行了長(zhǎng)期的研究，將影響到煤層穩(wěn)定性和厚度變化的地質(zhì)因素分為原生(包括同生)和后生的兩大類(lèi)。原生控制因素主要包括成煤(沉積)環(huán)境、基底地形和起伏對(duì)煤層的控制作用，以及上伏砂巖對(duì)煤層的(同生)沖刷作用等因素；后生影響因素則主要包括差異壓實(shí)、構(gòu)造變動(dòng)、巖漿侵入、塌陷或陷落柱等因素[4]。

1.2 煤層結(jié)構(gòu)的變化

根據(jù)煤層中有無(wú)其他巖石夾層的存在，煤層可分為兩類(lèi)結(jié)構(gòu)：不含夾石者稱(chēng)簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)，反之復(fù)雜結(jié)構(gòu)。煤層的結(jié)構(gòu)對(duì)采煤方法、采掘機(jī)械的選擇和原煤質(zhì)量等都有一定影響。當(dāng)煤層中含有較厚夾矸時(shí)，可實(shí)行煤分層與夾石層的分采；當(dāng)煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜難以分采時(shí)，夾石將摻入煤中，使原煤質(zhì)量降低。因此在煤田地質(zhì)勘探階段，應(yīng)當(dāng)查明煤層結(jié)構(gòu)，并做出原煤質(zhì)量的初步評(píng)價(jià)。

煤層夾矸的物質(zhì)來(lái)源取決于泥炭沼澤所處的沉積環(huán)境。與河流比鄰的泥炭沼澤，夾矸主要是越岸沉積物，有從懸浮物質(zhì)中沉積下來(lái)的黏土、粉砂，具有底負(fù)載的砂礫堆積。泥炭沼澤外圍有火山或活動(dòng)時(shí)，火山噴發(fā)物可形成煤層的夾矸。濱海泥炭，由于風(fēng)暴、潮汐作用可能遭受海水內(nèi)侵，形成碳酸鹽巖或硅質(zhì)巖夾矸，常沿一定層位呈透鏡狀產(chǎn)出。此外，煤層中的夾矸也有可能是由于殘余礦物質(zhì)形成的?？傊?，煤層中夾矸的巖石類(lèi)型、層數(shù)、厚度和側(cè)向變化主要取決于沉積構(gòu)造條件。下文所研究的煤層穩(wěn)定性定量評(píng)價(jià)主要針對(duì)煤層厚度的變化，關(guān)于煤層結(jié)構(gòu)的變化從另一方面考慮。

2 現(xiàn)有的煤層穩(wěn)定性定量評(píng)價(jià)模型

煤層穩(wěn)定性定量評(píng)價(jià)是在煤層變化規(guī)律研究基礎(chǔ)上，選取合適的定量指標(biāo)，采用恰當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)模型，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為手段，對(duì)不同勘查區(qū)的煤層穩(wěn)定性作出定量化的評(píng)價(jià)，并劃分出相應(yīng)的煤層穩(wěn)定性等級(jí)。關(guān)于煤層穩(wěn)定性的定量評(píng)價(jià)研究，國(guó)外早在20世紀(jì)40年代便開(kāi)始了，我國(guó)在這方面的研究是從20世紀(jì)50年代開(kāi)始的，20世紀(jì)70年代以來(lái)這方面的討論日益增多，一些單位和個(gè)人提出了一些煤層穩(wěn)定性定量評(píng)價(jià)的方法[4-14]，如數(shù)理統(tǒng)計(jì)法、地質(zhì)統(tǒng)計(jì)法、模糊綜合評(píng)判等方法。目前，對(duì)煤層穩(wěn)定性的定量研究雖然做了大量工作，但認(rèn)識(shí)還未統(tǒng)一，還沒(méi)有形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)作為煤層穩(wěn)定性劃分的依據(jù)。

2.1 數(shù)理統(tǒng)計(jì)法

在對(duì)煤層穩(wěn)定程度定量化研究中，目前主要采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法[5-9]，即應(yīng)用概率論的基本理論，對(duì)煤層厚度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分析其各種特征數(shù)，從中尋求劃分煤層穩(wěn)定性型別的定量依據(jù)。目前，多采用平均厚度、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)和可采系數(shù)等特征數(shù)來(lái)確定煤層的穩(wěn)定程度。具有代表性的是《礦井地質(zhì)規(guī)程》(1984年5月)中提出的煤層穩(wěn)定性定量評(píng)價(jià)方法，其明確指出，在定量評(píng)定煤層厚度穩(wěn)定性時(shí)，薄煤層以煤厚可采性指數(shù)Km為主要指標(biāo)，煤厚變異系數(shù)Cv為輔助指標(biāo)；中厚及厚煤層以煤厚變異系數(shù)Cv為主要指標(biāo)，可采性指數(shù)為輔助指標(biāo)[5]。這類(lèi)方法的評(píng)價(jià)指標(biāo)較少，計(jì)算方法簡(jiǎn)單，容易操作，但沒(méi)有考慮煤層的空間分布特征，其評(píng)價(jià)精度有限。

2.2 地質(zhì)統(tǒng)計(jì)法

彭華闡述地質(zhì)統(tǒng)計(jì)法中半差函數(shù)各參數(shù)的地質(zhì)意義，利用地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)中的半變差函數(shù)的參數(shù)為主要指標(biāo)，建立煤層厚度變化性指數(shù)，同時(shí)考慮煤層可采率，煤層結(jié)構(gòu)和對(duì)比難易程度構(gòu)造一個(gè)煤層穩(wěn)定性指數(shù)來(lái)定量表示煤層穩(wěn)定性[10]。地質(zhì)統(tǒng)計(jì)法針對(duì)煤層厚度區(qū)域變化的特征建立球狀模型，利用半變差函數(shù)分析[11]煤層厚度在橫向和縱向上的變化規(guī)律，建立了煤層穩(wěn)定性指數(shù)。地質(zhì)統(tǒng)計(jì)法在定量評(píng)價(jià)煤層穩(wěn)定性中，考慮了煤層厚度區(qū)域性變化及其空間分布的特點(diǎn)，克服了數(shù)理統(tǒng)計(jì)法中的不足，但是其計(jì)算過(guò)程太復(fù)雜繁瑣，不便于操作。

2.3 模糊綜合評(píng)判法

由于煤層厚度的變化的復(fù)雜性和不確定性，煤層穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)具有“模糊”特征，采用模糊數(shù)學(xué)構(gòu)建的評(píng)價(jià)模型更能客觀地反映地質(zhì)現(xiàn)象，因此，利用模糊數(shù)學(xué)中的模糊綜合評(píng)判理論，將反映煤層穩(wěn)定性的多個(gè)指數(shù)(煤層平均厚度、變異系數(shù)(標(biāo)準(zhǔn)差)、方向變化率、煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度、煤層構(gòu)造復(fù)雜程度、煤層頂?shù)装鍘r性硬度)和因素有機(jī)的結(jié)合起來(lái)，建立模糊綜合評(píng)判數(shù)學(xué)-地質(zhì)模型[4,12-13]，從而更全面可靠地確定研究區(qū)的煤層穩(wěn)定性變化情況。但是此方法也存在一定的弊病，公式繁瑣，評(píng)價(jià)過(guò)程復(fù)雜，變量不確定。

3 建立煤層穩(wěn)定性定量評(píng)價(jià)模型的思路

對(duì)于煤層這種三維地質(zhì)體而言，由于煤層厚度變化具有區(qū)域性變化和局部性變化，煤層厚度的區(qū)域性變化往往是由區(qū)域構(gòu)造、區(qū)域巖相等大區(qū)域因素所決定，在一定程度上對(duì)開(kāi)采技術(shù)的影響較小，而煤層厚度的局部性變化是由成煤期后的地殼運(yùn)動(dòng)、河流沖刷、火山巖侵入等因素所影響，是影響開(kāi)采技術(shù)的主要因素。采用趨勢(shì)面分析[15]可將煤層厚度區(qū)分為區(qū)域性變化分量和局部性變化分量，從而，從空間、三維的角度來(lái)研究煤層厚度的空間分布和變化規(guī)律。另一方面，煤層穩(wěn)定性定量評(píng)價(jià)的數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法是目前最常用的方法，能反映煤層厚度變化的離散程度和可采性，但不能反映煤層厚度的空間分布和空間變化。利用趨勢(shì)面分析方法研究煤層厚度的空間分布和變化規(guī)律，運(yùn)用數(shù)量統(tǒng)計(jì)法研究煤層厚度變化的離散程度。因此，本文將趨勢(shì)面分析方法和數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法相結(jié)合(即趨勢(shì)變異法)對(duì)煤層穩(wěn)定性進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，就可以將兩種評(píng)價(jià)方法的優(yōu)點(diǎn)有機(jī)地結(jié)合起來(lái), 提高煤層穩(wěn)定性定量評(píng)價(jià)的精度。趨勢(shì)變異法方法不僅能表現(xiàn)不同煤層厚度變化的離散程度，而且還能反映煤層厚度的空間分布和空間變化。其方法思路如圖1。

4 結(jié) 論

煤層穩(wěn)定性分類(lèi)的正確與否，不僅關(guān)系到勘探工程布設(shè)的合理性及勘探效果，同時(shí)，還關(guān)系到礦井建設(shè)中工作面的布置及開(kāi)采方式的選擇。利用趨勢(shì)面分析法與數(shù)理統(tǒng)計(jì)法相結(jié)合的評(píng)價(jià)模型對(duì)煤層穩(wěn)定性進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，將使煤層穩(wěn)定性定量評(píng)價(jià)更合理準(zhǔn)確。同時(shí)，利用數(shù)量統(tǒng)計(jì)法，一方面能反映研究煤層厚度變化的離散程度，另一方面可有效地確定其可采性情況；利用趨勢(shì)面分析方法，不僅能反映煤層厚度的空間分布和變化規(guī)律，同時(shí)還能以圖形的方式顯示其趨勢(shì)變化和異常變化。本論文提出了趨勢(shì)面分析方法和數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法相結(jié)合的方法——趨勢(shì)變異法的思路。因此，采用這種趨勢(shì)面分析法和數(shù)理統(tǒng)計(jì)法于一體的評(píng)價(jià)數(shù)學(xué)模型的新思路，從該思路出發(fā)，可以使評(píng)價(jià)結(jié)果最大限度地接近地質(zhì)實(shí)際。

圖1 趨勢(shì)變異法思路圖

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