地質(zhì)構(gòu)造對煤層復(fù)雜性影響的定量評價方法探析

王愛鳳

摘要：介紹了影響煤層復(fù)雜性的因素，依次分析了褶皺和斷層對煤層復(fù)雜性影響的定量評價方法，并建立了合理的評價指標體系和模型，最后結(jié)合實例驗證了此評價方法的可行性。

關(guān)鍵詞：地質(zhì)構(gòu)造；煤層復(fù)雜性；定量評價；模糊評價模型

中圖分類號：P628+.1文獻標識碼：A 文章編號：2095－6835（2014）09－0157－02

我國煤炭儲藏量較為豐富，在長期開采利用中，露天煤礦越來越少，井工煤礦成為今后的主要開采方向。由于井工煤礦開采帶有一定的危險性，因此對開采工藝要求更加嚴格?；夭晒に嚭突夭陕适苜x存狀態(tài)的影響，賦存狀態(tài)不同，煤層的復(fù)雜程度也不同。因此，要提高煤礦開采水平，就應(yīng)該加大對煤層復(fù)雜性的研究。就目前情況來看，國內(nèi)對煤層復(fù)雜性的定量評價主要采用半定量方法，在量化方面極為欠缺。這是因為量化指標不統(tǒng)一，無法準確把握煤層復(fù)雜程度，容易導(dǎo)致設(shè)計不合理，甚至影響到最終的開采效果。

1煤層復(fù)雜性

煤層分布復(fù)雜，受很多因素的影響，其影響因素大致分為可控因素和不可控因素兩類?？煽匾蛩刂饕侵敢恍┌踩愐蛩兀簩佑捕?、瓦斯級別、水文環(huán)境、自燃性和爆炸性等；不可控因素主要是指地質(zhì)構(gòu)造、厚度變化、頂板底板條件、巖溶塌陷、煤層傾角、含夾矸層數(shù)、巖漿埋入深度等幾何類因素。在這些因素中，地質(zhì)構(gòu)造是引起煤層賦存狀態(tài)復(fù)雜的重要因素之一。這是因為煤自身就是植物埋于地下，經(jīng)長期的物化作用和地質(zhì)作用形成的，它直接影響著煤層的形態(tài)、厚度變化和開采難度。地質(zhì)構(gòu)造種類繁多，其規(guī)模、形式等都有所差異，對煤層形成環(huán)境的影響也不盡相同。煤層復(fù)雜度綜合反映了各種因素對煤層影響的程度，是為了能夠定量表現(xiàn)煤層復(fù)雜性而引進的概念，其取值范圍在0～100之間。取值越大，表明煤層越復(fù)雜，相應(yīng)的開采難度就越大。

2地質(zhì)構(gòu)造對煤層復(fù)雜性影響的定量分析

在地殼運動或外力作用下，地殼內(nèi)部巖層會發(fā)生一定程度的變形或移位，從而形成各種形態(tài)的地質(zhì)構(gòu)造。地質(zhì)構(gòu)造包括褶皺、斷裂、傾斜構(gòu)造、水平構(gòu)造等。以下主要從褶皺和斷層兩方面分析地質(zhì)構(gòu)造對煤層復(fù)雜性的影響。

2.1褶皺對煤層復(fù)雜性影響的定量分析

煤層傾角變化是分析皺褶對煤層復(fù)雜性影響時考慮的重要指標，但很難對其進行明確的分級。煤層傾角具有變動性，很難對其進行準確計算，尤其是在復(fù)雜的煤層中，其傾角變化更難把握，因此，一般采用某范圍內(nèi)煤層在傾向或走向上的曲率變化次數(shù)和傾角變化處的曲率半徑這兩個指標分析褶皺對煤層復(fù)雜性的影響。此處的曲率是表示曲線彎曲程度的一個量，其倒數(shù)就是曲率半徑。我國煤炭資源豐富，各個礦區(qū)都有其相應(yīng)的賦存條件。如果賦存較穩(wěn)定，其傾角所在區(qū)域通常較大，比如1 000 m×1 000 m范圍；如果賦存較復(fù)雜，其傾角所在區(qū)域通常較小，比如在100 m×100 m范圍內(nèi)沒有明顯的變化；如果是400 m×400 m區(qū)域，那么變化則很大。在地質(zhì)條件較為復(fù)雜的煤層中，為使其復(fù)雜性評價更科學(xué)，常以開采單元進行每層的復(fù)雜性評價。

2.2斷層對煤層復(fù)雜性影響的定量分析

在判斷斷層規(guī)模時，常將斷層落差作為重要指標。然而，受諸多因素的影響，斷層落差并不能全面反映煤層的復(fù)雜性。比如傾角較緩和較陡的斷層，其落差即便一致，對煤層的破壞程度也有所差別。因此，應(yīng)將斷層傾角也納入考慮范圍，并結(jié)合采煤方法、煤層厚度等因素分析煤層的復(fù)雜性。比如落差一致的斷層，對綜采和炮采兩個工藝的影響各不相同，對薄煤層和厚煤層的影響也不一樣。此外，斷層密度、寬度、延展長度和導(dǎo)水性都會影響煤層的復(fù)雜性。

3煤層復(fù)雜性的定量評價方法

3.1建立合理的評價指標體系

評價指標與評價結(jié)果密切相關(guān)，為更好地完成對煤層復(fù)雜性的分析，將褶皺和斷層作為一級評價指標。同時還需考慮斷層落差、密度、寬度、導(dǎo)水性、傾角等因素，將這些因素作為定量分析斷層對煤層復(fù)雜度影響的二級評價指標。在褶皺方面，則主要考慮曲率變化次數(shù)和曲率半徑，并將其作為定量分析褶皺對煤層復(fù)雜度影響的二級評價指標。

3.2指標標準化和模糊評價模型

在以往研究中，對各項評價指標均有分類，但由于級差、量綱的差異，其分類并不科學(xué)。有些指標數(shù)值較大，所占的比例和所起的作用也大；數(shù)值較小的指標，則所占的比例和所起的作用都較小，這樣極易造成評價值不準確。因此需要對各項指標進行標準化處理，使其貢獻率接近一致，縮小它們之間的差距。

權(quán)重系數(shù)是反映各個指標對煤層復(fù)雜性影響程度的關(guān)鍵，因此，在指標標準化完成后，應(yīng)及時確定各個指標的權(quán)重值，進而展開綜合評價。在評價中，可將總分設(shè)置為100分，100分表示煤層最復(fù)雜、最不穩(wěn)定，0分表示煤層最簡單、最穩(wěn)定。將煤層按復(fù)雜程度分為以下四類：①0～25分，穩(wěn)定；②25～50分，比較穩(wěn)定，略帶復(fù)雜；③50～70分，不穩(wěn)定，比較復(fù)雜；④75～100分，極不穩(wěn)定，最復(fù)雜。綜合各種因素，利用模糊數(shù)學(xué)相關(guān)知識，建立評價模型式，以層次分析法確定各指標的權(quán)值，可用公式表示為：

F＝ wiFi. （1）

式（1）中：n——評價指標系數(shù)；

wi——第i項評價指標的權(quán)重值；

Fi——第i項評價指標的評價值。

3.3合理確定評價指標權(quán)重

層次分析法集定性、定量分析法于一體，其應(yīng)用通常有四道程序：建立問題的地階層次結(jié)構(gòu)模型、構(gòu)造各層次的所有判斷矩陣、層次單排序和一致性檢驗、層次總排序和一致性檢驗。按照對煤層復(fù)雜性影響的重要程度完成各指標的排序，并建立起比較判斷矩陣。一致性檢驗合格后，通過規(guī)范列平均法對矩陣進行歸一化處理，并最終求得各個指標的權(quán)重值。經(jīng)計算，斷層和褶皺的權(quán)重向量依次為：（0.24，0.15，0.09，0.05，0.03，0.44）T、（0.13，0.87）T。

4煤層復(fù)雜性的定量評價實例分析

4.1地質(zhì)構(gòu)造條件

某煤礦A段，煤層總體走向80°～90°，傾向N350°～360°；采區(qū)內(nèi)沒有較大的斷層，小斷層數(shù)量較多，每千米至少有6條斷層，且為正斷層；斷層落差在0.5～2.5 m，寬度小，傾角在60°以上，導(dǎo)水性較好；存在褶曲軸部，平均傾角為18°，采區(qū)內(nèi)的煤層受褶皺影響1次，曲線半徑為295 m。

4.2復(fù)雜性評價

選取曲率半徑、曲率變化次數(shù)、斷層落差、斷層傾角、斷層導(dǎo)水性、斷層帶寬度、斷層密度和斷層延展長度共8個指標，結(jié)合各自的權(quán)重向量，最終計算出煤層復(fù)雜性評價得分為34.25分。由此可知，該段煤層復(fù)雜度屬于比較穩(wěn)定的一類。

5結(jié)束語

煤層埋于地下的時間和所受的作用力不同，其形成狀態(tài)也有很大差別，在開采時需選擇相應(yīng)的開采技術(shù)。煤層復(fù)雜程度評價值能夠科學(xué)地指導(dǎo)開采工作，并有助于合理選擇采煤方式。因此，可通過對煤層復(fù)雜程度的研究，進一步提高煤礦的開采技術(shù)水平。建立基于地質(zhì)構(gòu)造條件的煤層復(fù)雜性模糊綜合評價方法，并以褶皺和斷層為主要影響因素，建立多級評價指標體系，在煤礦開采中值得推廣和應(yīng)用。

參考文獻

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［2］霍丙杰.復(fù)雜難采煤層評價方法與開采技術(shù)研究［D］.阜新：遼寧工程技術(shù)大學(xué)，2010.

［3］于莉莉，徐會，陳立云.煤層穩(wěn)定性定量評價之研究［J］.中國煤田地質(zhì)，2007，19（4）：116-118.

〔編輯：劉曉芳〕

About the Impact of Complexity of Coal Seam Geological Structure Analysis of Quantitative Evaluation Method

Wang Aifeng

Abstract: The complexity of factors affecting coal, followed by analysis of the quantitative evaluation method folds and faults affect the complexity of coal, and the establishment of a reasonable evaluation index system and model, and finally with an example to verify the feasibility of this evaluation method.

Key words: geologic formations; seam complexity; quantitative evaluation; fuzzy evaluation model