東周窯礦5號煤穩(wěn)定性定量評價與開采策略分析

溫連祥，孫殿宇

(大同煤礦集團 同發(fā)東周窯煤業(yè)有限公司，大同　左云　037100)

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·專題綜述·

東周窯礦5號煤穩(wěn)定性定量評價與開采策略分析

溫連祥，孫殿宇

(大同煤礦集團 同發(fā)東周窯煤業(yè)有限公司，大同左云037100)

大同煤田東周窯井田太原組5號煤是主采煤層，但井田內(nèi)煤層厚度、夾矸層數(shù)及厚度變化大，導(dǎo)致煤層穩(wěn)定性復(fù)雜，開采洗耗大，影響著礦井生產(chǎn)能力。本文采用常規(guī)半定量評價法與多層次模糊判別法相結(jié)合，對井田5號煤穩(wěn)定性進行定量評價，且明確了其分級分區(qū)，提出開采建議，為礦井安全高效生產(chǎn)提供可靠地質(zhì)保障。

東周窯井田；5號煤；煤層穩(wěn)定性；定量評價；半定量評價；模糊數(shù)學(xué)綜合判別法

1　井田地質(zhì)概況

東周窯井田位于山西省左云縣城東，東起東周窯村，西至左云縣城東，北起西堡村，南至井兒溝村，東西長約15.8 km，南北寬約14.4 km，井田面積約119 km2. 井田位于大同向斜西北翼，地層總體為寬緩的單斜構(gòu)造，地層走向185°～190°，傾向95°～100°，傾角2°～10°，一般3°～5°，石炭-二疊系成煤后主要經(jīng)歷燕山運動多向伸展-擠壓交替作用和喜山運動右旋剪切作用，形成井田內(nèi)部NW、NNE和近EW向正斷層和小型近NEE向褶皺，斷裂與褶皺組合使井田北部局部構(gòu)造復(fù)雜化，并伴生有陷落柱[1-3]. 井田內(nèi)太原組5號、8號和山西組山4號煤是主采煤層，向北受到不同程度剝蝕，賦存邊界各煤層不盡相同。由于印支期煌斑巖的侵入，5號與山4號煤層遭受不同程度破壞，使煤體結(jié)構(gòu)變的更加復(fù)雜。

煤層穩(wěn)定性直接關(guān)系到地質(zhì)類型的合理劃分和煤炭資源量的精確計算，同時還指導(dǎo)井田巷道布置和開采方式的合理選擇，以確保資源的充分利用。因此，本次研究以井田目前開采的5號煤為例，采用半定量和模糊數(shù)學(xué)綜合判別法對該煤層穩(wěn)定性進行評價。

2　煤層分布特征

5號煤位于太原組頂部，是區(qū)內(nèi)發(fā)育范圍最廣的主力煤層，僅在西北部局部區(qū)域缺失。目前，采用綜采和放頂煤開采工藝。井田內(nèi)鉆孔見煤點238個，可采見煤點227，5號及5下煤(夾矸大于1.7 m的分層統(tǒng)計)厚度分布于0.30～15.18 m，3～8 m為主，平均厚度為5.24 m，標準差較大，為2.982. 煤厚變化具有分帶性，厚煤多被NE-NEE向薄煤帶分割，呈島列片狀分布(煤厚等值線圈閉)，主要分布在西北部、西部和東南部區(qū)域，厚度普遍大于6 m. 薄煤層為窄條帶或雞窩狀，主要分布于井田西部，中部地區(qū)，厚度多小于2 m，多由河道沖刷、分叉所致；印支期煌斑巖的侵入、吞吃，導(dǎo)致北部薄煤層廣泛分布，多為不可采煤層。同時，5號煤發(fā)育0～12層不等厚夾矸，平面上非均質(zhì)性強。夾矸層數(shù)大于5層和單層最大厚度為0.75～1.0 m的煤層主要位于井田中西部，東部局部發(fā)育。

3　5號煤穩(wěn)定性半定量評價

目前，根據(jù)《礦井地質(zhì)規(guī)程》中相關(guān)規(guī)定，煤層穩(wěn)定性研究過程中采用的方法主要是數(shù)理統(tǒng)計法，即運用概率論的基本原理對煤層厚度進行各種特征數(shù)分析，以此獲得煤層穩(wěn)定性類型的定量依據(jù)，其中最常用的特征數(shù)有可采性指數(shù)、平均厚度、標準差、變異系數(shù)等。在評價中還明確規(guī)定，薄煤層采用煤厚可采性指數(shù)(Km)為主要指標，煤厚變異系數(shù)(γ)為次要指標；中厚煤層與厚煤層則相反，以煤厚變異系數(shù)為主要指標，可采性指數(shù)為次要指標，并將煤層穩(wěn)定性劃分為穩(wěn)定型、較穩(wěn)定型、不穩(wěn)定型、極不穩(wěn)定型4類(表1)[4].

表1　煤層穩(wěn)定性評價參照表

3.1主要參數(shù)計算公式

1) 煤層厚度變異系數(shù)(γ)是由標準差除以均值所得的百分數(shù)表示，是煤層厚度變化的良好定量指標，可準確地反映一定區(qū)域內(nèi)煤厚的離散程度和整體變化。一般來說，煤厚變異系數(shù)越大，說明該地區(qū)煤層厚度變化越顯著，煤層穩(wěn)定性就越差。

煤層厚度變異系數(shù)：

式中：

Hi—各點測得的實際煤層厚度，m；

n—參與評價的見煤點數(shù)；

s—標準差。

2) 煤層可采性指數(shù)(Km)主要反映煤層厚度的可采性。通常，可采性指數(shù)越小，煤層可采性越差，也是確定煤層穩(wěn)定性的主要參數(shù)。本次研究確定0.7 m為最低可采厚度。

Km=n′/n

式中：

Km—可采性指數(shù)；

n′—煤厚大于或等于最低可采厚度的見煤點數(shù)；

n—井田內(nèi)參與煤厚評價的見煤點總數(shù)。

3.2穩(wěn)定性半定量評價結(jié)果

本次研究選用煤厚變異系數(shù)和可采性指數(shù)作為主要指標，均值和標準差作為輔助指標，對井田內(nèi)分布的280個鉆孔進行整理和數(shù)理統(tǒng)計，評價結(jié)果見表2. 從表2可知，5號煤變異系數(shù)57%，可采指數(shù)95%，標準差2.98，整體屬于不穩(wěn)定煤層。但在不同采區(qū)，煤層穩(wěn)定性有一定差異，可采性指數(shù)均在90%以上，變異系數(shù)變化大，為40%～67%，綜合評價認為1、4采區(qū)為較穩(wěn)定煤層；2、5、6采區(qū)為不穩(wěn)定煤層；3采區(qū)為極不穩(wěn)定煤層。

表2　5號煤及各采區(qū)穩(wěn)定性評價表

4　5號煤綜合定量判別

4.1模糊數(shù)學(xué)綜合判別

由于煤層厚度變化的復(fù)雜性和不確定性，煤層穩(wěn)定性的評價具有“模糊”特征，采用模糊數(shù)學(xué)構(gòu)建的評價模型更能客觀地反映地質(zhì)現(xiàn)象[5-7]. 在煤層厚度、夾矸特征以及煤層形態(tài)定性分析的基礎(chǔ)上，認為沉積作用、巖漿巖和構(gòu)造是影響煤層穩(wěn)定的三大地質(zhì)因素，并結(jié)合井田采煤工藝，確定煤厚變異系數(shù)、夾矸層數(shù)、夾矸單層最大厚度和夾矸總厚度為主要影響因子，是三大地質(zhì)因素的具體體現(xiàn)，進而建立5號煤穩(wěn)定性綜合評價模型(圖1)，并確定各因子隸屬度函數(shù)和權(quán)重(表3).

圖1　5號煤穩(wěn)定性模糊數(shù)學(xué)綜合評價模型圖

表3　煤層穩(wěn)定性模糊判別模型影響因子隸屬度函數(shù)與權(quán)重表

對井田內(nèi)280個鉆孔5號煤層各影響因子進行數(shù)理統(tǒng)計、歸一化處理，經(jīng)模糊數(shù)學(xué)綜合評價模型分析，得出評價結(jié)果，見圖2，其比定性-半定量評價范圍更精確，可滿足煤礦生產(chǎn)，具體表現(xiàn)為：煤層不穩(wěn)定區(qū)和極不穩(wěn)定區(qū)主要分布于2采區(qū)中部，3、4采區(qū)西部和6采區(qū)中部；不可采區(qū)分布在6采區(qū)以及3采區(qū)中部局部區(qū)域；1和5采區(qū)是煤層穩(wěn)定區(qū)域。煤層穩(wěn)定性的主要控制因素是聚煤期沉積作用差異和晚期煌斑巖的侵入，前者使煤厚變異系數(shù)和夾矸發(fā)育程度存在較大的平面非均質(zhì)性；后者雜亂的侵入，將煤層吞吃、變薄，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，規(guī)律性不明。后期斷裂和褶皺構(gòu)造對穩(wěn)定性影響次之，可使局部煤層缺失、變薄或加厚，在本次研究中，由斷裂導(dǎo)致煤層缺失(煤厚等于0)的鉆孔沒參與數(shù)理統(tǒng)計，其不具有代表性。

圖2　5煤層穩(wěn)定性綜合評價結(jié)果圖

4.2開采對策

通過對5號煤層穩(wěn)定性半定量-定量評價，可以更精確、實用地指導(dǎo)不同采區(qū)開采方向和產(chǎn)量預(yù)算，如井田東及南部1、5采區(qū)煤層較穩(wěn)定-穩(wěn)定型，結(jié)合煤底板等值線圖，工作面應(yīng)沿NNW向部署，煤層產(chǎn)出率高及洗耗低，是井田最佳賦煤區(qū)。在中西部2、3、4采區(qū)，煤層穩(wěn)定性多為不穩(wěn)定型，煤厚變化大及夾矸含量高導(dǎo)致煤產(chǎn)出率低、洗耗高和成本高，需結(jié)合煤底板等值線圖、最大單層夾矸厚度底面構(gòu)造圖以及二者的間距綜合優(yōu)選巷道掘進或工作面回采底面高程，進而最大程度地提高資源利用率和產(chǎn)出率。在北東部6采區(qū)和1采區(qū)北部，由于煌斑巖的侵入，煤層變薄且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，多為不可采區(qū)，建議將采區(qū)西部可采區(qū)規(guī)劃到2采區(qū)，減少不必要的投入。

5　結(jié)　論

1) 通過常規(guī)半定量與模糊數(shù)學(xué)綜合判別法相結(jié)合的研究，明確了東周窯井田5號煤層穩(wěn)定性平面分級分區(qū)，與礦井實際生產(chǎn)揭露煤層賦存狀況吻合率高，進一步證實了本次方法的正確性與實用性。

2) 研究認為沉積作用和煌斑巖侵入是該井田煤層穩(wěn)定性的主控因素，并應(yīng)用結(jié)合評價結(jié)果，對采區(qū)邊界調(diào)整、生產(chǎn)巷道部署、不同工作面煤炭儲量、產(chǎn)出率和洗耗等方面的預(yù)測有一定的指導(dǎo)意義。

[1]李彩峰.大同煤田東周窯井田石炭二疊系煤炭資源評價[J].華北國土資源,2009(4):7-9.

[2]李祝平,李志君,王紫艷.山西省大同煤田左云縣同發(fā)東周窯井田補充勘探報告[R].太原：山西省地質(zhì)勘查局，2010:96-97.

[3]孫殿宇，張彥宏.大同東周窯井田構(gòu)造演化與控煤作用研究[J].煤，2015(4):26-29.

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[7]劉衡秋，劉欽甫，孟召平.模糊綜合評判在煤層頂板穩(wěn)定性評價中的應(yīng)用[J].煤田地質(zhì)與勘探,2002,30(4):18-20.

Stability Quantitative Evaluation and Mining Strategy Analysis of No.5 Coal Seam in Dongzhouyao Coal Mine

Wen Lianxiang, Sun Dianyu

The No.5 coal seam of Datong coal field Dongzhouyao coal mine Taiyuan formation is mineable coal seams. Because of the large difference of coal thickness, number and thickness of rock parting, the coal seam shows complex stability, which influences mining wash consumption and production ability. The conventional semi-quantitative evaluation method combined with multilevel fuzzy discrimination method is adopted to quantitative evaluate No.5 coal seam stability. Classification and partition is determined. And puts forward suggestions, it provides reliable geological guarantee for mine safety and efficient production.

Dongzhouyao coal mine; No.5 coal seam; Coal seam stability; Quantitative evaluation; Semi-quantitative evaluation; Fuzzy mathematics synthetic discriminance method

2016-05-10

溫連祥(1987—)，男，遼寧綏中人，2010年畢業(yè)于遼寧工程技術(shù)大學(xué)，助理工程師，主要從事煤田采礦與地質(zhì)評價工作

(E-mail)359957622@qq.com

TD163

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1672-0652(2016)06-0053-04