大同煤田鵝Ⅳ精查勘探區(qū)煤層穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

宋 景，王 璐

(陜西省一九四煤田地質(zhì)有限公司，陜西 銅川 727000)

0 引言

煤層穩(wěn)定程度直接影響煤炭勘查工作及礦井建設(shè)的規(guī)模，其穩(wěn)定性受控于煤層頂板工程地質(zhì)特征、水文地質(zhì)特征，但本質(zhì)是由煤層形成的沉積環(huán)境決定的[1-2]。對(duì)于煤層及頂?shù)装宸€(wěn)定程度的研究，已有大量研究成果[3-7]。武洪濤等[8]對(duì)我國(guó)煤層頂板穩(wěn)定性評(píng)價(jià)進(jìn)行了綜述，指出煤層頂板穩(wěn)定性評(píng)價(jià)包括3種方法：傳統(tǒng)地學(xué)分析、工程地質(zhì)學(xué)分類和綜合定量評(píng)價(jià)，建議今后煤層穩(wěn)定性評(píng)價(jià)引入大數(shù)據(jù)與計(jì)算技術(shù)及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行煤層穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。谷玉明等[9]依據(jù)DZ/T 0215—2002《煤、泥炭地質(zhì)勘查規(guī)范》[10]對(duì)鄂爾多斯盆地南部楊家坪井田煤層穩(wěn)定性進(jìn)行定量與定性評(píng)價(jià)，對(duì)該區(qū)后期煤田勘查有一定指導(dǎo)意義。殷廣標(biāo)等[11]根據(jù)可采指數(shù)、變異系數(shù)以及變概比等指標(biāo)，對(duì)安徽淮南新集一礦煤層穩(wěn)定性進(jìn)行了評(píng)價(jià)，得出主采煤層1號(hào)煤層為穩(wěn)定煤層。

前人在煤層穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方面所取得的認(rèn)識(shí)對(duì)指導(dǎo)現(xiàn)今煤礦生產(chǎn)階段煤層穩(wěn)定性評(píng)價(jià)與分析具有指導(dǎo)意義。本文結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐的需要，以大同煤田鵝Ⅳ精查勘探區(qū)為研究對(duì)象[11-12]，依據(jù)2013年12月31日國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局、國(guó)家煤礦安全監(jiān)察局制定的《煤礦地質(zhì)工作規(guī)定》[13]第十二條中，煤層穩(wěn)定性以煤層變化規(guī)律和可采性采用定性和定量結(jié)合的方法，來(lái)確定研究區(qū)主要煤層的穩(wěn)定性，以便于指導(dǎo)大同煤田其他勘探區(qū)煤層穩(wěn)定性分析。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

大同煤田為一雙紀(jì)煤田，下部為石炭-二疊紀(jì)含煤巖組，上部為侏羅系含煤巖組，大同煤田鵝Ⅳ精查勘探區(qū)面積約20.04 km2，位于大同煤田的中部東南邊緣，以石炭系含煤巖組為主要目標(biāo)層，地層屬華北地區(qū)北部邊緣，地層總體向西傾斜，在此基礎(chǔ)上發(fā)育一系列寬緩的褶曲構(gòu)造，地層傾角1°～6°，構(gòu)造中等。區(qū)內(nèi)地層由下至上有奧陶系，石炭系中統(tǒng)本溪組、上統(tǒng)太原組，二疊系下統(tǒng)山西組、下石盒子組、上統(tǒng)上石盒子組以及新生界第四系中、上更新統(tǒng)、全系統(tǒng)。地層分布特征與構(gòu)造綱要如圖1所示。

圖1 大同煤田地層分布特征與構(gòu)造綱要圖

本區(qū)含煤地層為二疊系下統(tǒng)山西組、石炭系上統(tǒng)太原組、中統(tǒng)本溪組。

山西組含煤4層，該組地層厚度16.07～178.85 m，平均厚度136.10 m，煤層總厚2.64 m，含煤系數(shù)1.94%，自上而下編號(hào)為山1、山2、山3、山4，其中山1、山2、山3由于其零星分布，僅個(gè)別點(diǎn)可采，極不穩(wěn)定，煤層薄，含煤性差。山4號(hào)煤層見煤點(diǎn)55個(gè)，其中可采點(diǎn)48個(gè)，為大部可采煤層。

太原組為本區(qū)的主要含煤地層，共含煤9層，編號(hào)為1、2、3、3-5(5)、6、7、8-1、8、9號(hào)煤，其中2、3、4(3-4)、5號(hào)煤層合稱為上煤組，6、7、8、9、10號(hào)煤層合稱為下煤組。3號(hào)煤層在區(qū)內(nèi)中東部與4號(hào)煤層合并，西部則與4號(hào)煤層分開。2、4(3-4)、5、8號(hào)煤層為主要可采煤層，煤層總厚度平均37.62 m，可采煤層總厚平均35.01 m。本組地層厚62.41～170.5 m，平均厚85.74 m，含煤系數(shù)43.88%，可采煤層含煤系數(shù)40.83%。

本溪組含煤1層，煤厚小于0.50 m，零星分布，無(wú)工業(yè)價(jià)值，含煤性極差。

2 可采煤層穩(wěn)定性定性評(píng)價(jià)

2.1 山4 號(hào)煤層

山4號(hào)煤層位于山西組下部，距山西組底界K3砂巖約9.10 m，距2號(hào)煤層平均約15.56 m。見煤點(diǎn)55個(gè)，可采點(diǎn)48個(gè)。區(qū)內(nèi)大部分分布，煤厚0～3.18 m，平均1.86 m，含1～4層夾矸，一般1～2層；除勘查區(qū)東部和南部無(wú)煤賦存外，絕大部分范圍賦存。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，煤層厚度變化不大，規(guī)律明顯，為大部可采的較穩(wěn)定煤層。

2.2 2號(hào)煤層

2號(hào)煤層位于太原組的頂部，距山西組底部的K3標(biāo)志層一般0～14.03 m，平均4.93 m。與山4號(hào)煤層間距3.00～26.34 m，平均15.56 m；與3號(hào)煤層間距0～5.86 m，平均2.86 m。煤層厚度為0～7.91 m，平均2.56 m，由西向東漸薄至尖滅，區(qū)內(nèi)大部分布。含1～12層夾矸，一般為2～3層，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，煤層厚度變化較大，規(guī)律明顯，為大部可采的較穩(wěn)定煤層。

2.3 3號(hào)和4(3-4)號(hào)煤層

3號(hào)煤層位于2號(hào)煤層之下0.70～5.86m，平均2.86m，煤層厚0～13.40m，平均5.00m，含1～10層夾矸，一般為3～5層，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，厚度大，本區(qū)24個(gè)見煤點(diǎn)，其中可采見煤點(diǎn)21個(gè)，面積不足全區(qū)的1/3，主要分布在本區(qū)西部，東部與4號(hào)煤層合并。與4號(hào)煤層分岔區(qū)間距平均1.71m，屬局部可采較穩(wěn)定煤層。

4(3-4)號(hào)煤層為本區(qū)主要可采煤層之一。位于K3砂巖之下約8m，分叉區(qū)內(nèi)與3號(hào)煤層間距為0.70～4.19m，平均1.71m，煤層厚1.16～17.96m，平均厚7.11m，含1～13層夾矸，一般為3～5層，東部與5號(hào)煤層合并。結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，煤厚變化較大，為大部可采的較穩(wěn)定煤層。

2.4 5號(hào)煤層

5號(hào)煤層的見煤點(diǎn)有68個(gè)，均可采。位于4號(hào)煤層之下0.7～28.23 m，平均間距5.54 m，與4(3-4)號(hào)煤層間距由東向西逐漸變大，煤層厚3.04～30.88 m，平均厚14.51 m，東部與4(3-4)號(hào)煤層合并，合并區(qū)內(nèi)煤層最厚30.88 m(鉆孔為鵝318)，平均24.64 m。含0～11層夾矸，一般為4～7層，煤層結(jié)構(gòu)極復(fù)雜，煤層厚度變化較大，變化規(guī)律明顯，屬于全區(qū)可采的較穩(wěn)定煤層。

2.5 8號(hào)煤層

8號(hào)煤層上距5號(hào)煤層16.06～51.0 m，平均30.02 m，煤層厚1.12～10.26 m，平均厚度為6.45 m，煤層由2～5個(gè)(一般2～3個(gè))煤分層組成，含1～15層夾矸，一般為1～3層，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，煤層厚度有一定變化，但變化規(guī)律明顯，為全區(qū)可采的較穩(wěn)定煤層。

3 可采煤層穩(wěn)定性定量評(píng)價(jià)

煤層厚度和可采范圍是評(píng)價(jià)煤層穩(wěn)定程度的兩個(gè)主要方面。通過施工鉆孔獲得煤層厚度，借助鉆孔基礎(chǔ)數(shù)據(jù)報(bào)表，計(jì)算煤層可采性指數(shù)(Km)、煤厚變異系數(shù)(γ)等參數(shù)。

煤層可采性指數(shù)(Km)

Km=n′/n

(1)

式中：n′—煤層厚度大于或等于可采厚度的見煤點(diǎn)數(shù)；n—參與煤層厚度評(píng)價(jià)的見煤點(diǎn)總數(shù)。

煤厚變異系數(shù)(γ)

(2)

(3)

根據(jù)國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局、國(guó)家煤礦安全監(jiān)察局《煤礦地質(zhì)工作規(guī)定》第十二條中煤層穩(wěn)定性定量評(píng)定，薄煤層(厚度0.50～1.30 m)以煤層可采性指數(shù)為主，煤厚變異系數(shù)為輔，中厚煤層(厚度1.30～3.50 m)及厚煤層(厚度3.50～8.00 m)以煤厚變異系數(shù)為主，可采性指數(shù)為輔(表1)，采用“就高不就低”的原則。

表1 煤層穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)

鵝Ⅳ精查勘探區(qū)20世紀(jì)50年代施工鉆孔較多，因條件限制，未能利用物探測(cè)井手段配合驗(yàn)證，但由于執(zhí)行嚴(yán)格的技術(shù)管理制度，鉆探施工質(zhì)量較高，經(jīng)周邊小煤礦多年的探采證明，其鉆孔勘探成果是可靠的。

本次以20世紀(jì)50年代施工的49個(gè)鉆孔、最近幾年施工的19個(gè)鉆孔，共68個(gè)鉆孔資料為基礎(chǔ)，對(duì)各鉆孔揭露的煤層資料進(jìn)行整理與統(tǒng)計(jì)，利用式(1)、式(2)得出煤層變異系數(shù)(γ)、煤層可采性指數(shù)(Km)。結(jié)果見表2。

可采性指數(shù)(Km)是確定煤層穩(wěn)定程度的主要參數(shù)，可采性指數(shù)越小，煤層可采性越差。煤層變異系數(shù)(γ)反映煤層厚度及變化規(guī)律，其數(shù)值越大，表明煤層厚度變化較大。

從表2可以看出，鵝Ⅳ精查勘探區(qū)內(nèi)山西組主要可采煤層山4號(hào)煤層平均煤厚1.86 m，屬于中厚煤層；太原組2、3、4(3-4)、5、8號(hào)煤層屬中厚-厚煤層。煤層穩(wěn)定性定量評(píng)價(jià)以變異系數(shù)為主，可采性指數(shù)為輔，用表1的評(píng)價(jià)指標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)，并采用“就高不就低”的原則，確定不穩(wěn)定煤層為3號(hào)煤層；較穩(wěn)定煤層為山4、2、4(3-4)、5號(hào)煤層；穩(wěn)定煤層為8號(hào)煤層。

表2 各煤層穩(wěn)定程度定量劃分參數(shù)運(yùn)算結(jié)果

需要說(shuō)明的是，個(gè)別煤層因?yàn)榉植婧喜?、巖漿巖侵入等因素影響定量及定性評(píng)價(jià)結(jié)果，遵循“就高不就低”的原則，確定煤層穩(wěn)定程度。其中，3號(hào)煤層定性評(píng)價(jià)為局部可采的較穩(wěn)定煤層，定量評(píng)價(jià)為不穩(wěn)定煤層，最終確定為較穩(wěn)定煤層；8號(hào)煤層定性評(píng)價(jià)為全區(qū)可采的較穩(wěn)定煤層，定量評(píng)價(jià)為穩(wěn)定煤層，最終確定為穩(wěn)定煤層。

4 結(jié)論

(1)大同煤田鵝Ⅳ精查勘探區(qū)內(nèi)可采煤層層數(shù)多，主要有山西組山4號(hào)煤層，太原組2、3、4(3-4)、5、8號(hào)煤層，結(jié)構(gòu)復(fù)雜-極復(fù)雜。

(2)采用煤層可采性指數(shù)、煤層變異系數(shù)兩個(gè)指標(biāo)，并遵循“就高不就低”的原則，對(duì)山4、2、3、4(3-4)、5、8號(hào)可采煤層穩(wěn)定性進(jìn)行定量評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，8號(hào)煤層為穩(wěn)定煤層；山4、2、3、4(3-4)、5號(hào)煤層為較穩(wěn)定煤層。定量評(píng)價(jià)及常規(guī)定性評(píng)價(jià)結(jié)果基本一致。

(3)采用定性描述、定量評(píng)價(jià)(煤層可采性指數(shù)與煤層變異系數(shù)為指標(biāo))相結(jié)合的方法對(duì)煤層穩(wěn)定程度進(jìn)行科學(xué)合理的評(píng)價(jià)，對(duì)今后該區(qū)煤礦生產(chǎn)有實(shí)際指導(dǎo)意義。