吉安煤業(yè)井下地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度評(píng)價(jià)

張 帆

（山西長(zhǎng)治郊區(qū)三元南耀吉安煤業(yè)有限公司，山西 長(zhǎng)治 046031）

吉安煤業(yè)位于山西省長(zhǎng)治市西北約40km處，行政區(qū)劃隸屬山西省長(zhǎng)治市郊區(qū)西白兔鄉(xiāng)管轄。其地理坐標(biāo)為東經(jīng)113°00′48″～113°01′51″，北緯36°24′03″～36°25′18″。井田范圍為一不規(guī)則多邊形，東西長(zhǎng)1.215km，南北寬2.50km，面積為1.9707km2。井田內(nèi)主要含煤地層為二疊系下統(tǒng)山西組，煤層厚度為10.75～12.95m，平均厚11.47m，為本區(qū)的主要含煤地層之一。含煤2～4層，其中3號(hào)煤層全區(qū)可采，其余煤層均不可采。煤礦基建期間，巷道掘進(jìn)過(guò)程中對(duì)首采工作面（3102工作面）的3102運(yùn)輸巷、3102回風(fēng)巷的3號(hào)煤層煤厚進(jìn)行了探測(cè)和編錄，實(shí)測(cè)8個(gè)見(jiàn)煤點(diǎn)，在主、副立井的建設(shè)過(guò)程中也有見(jiàn)煤點(diǎn)。長(zhǎng)治市高原綜合勘探工程有限公司編制的《山西長(zhǎng)治郊區(qū)三元南耀吉安煤業(yè)有限公司煤礦防治水分區(qū)管理論證報(bào)告》（晉能集團(tuán)以晉能煤管函〔2017〕356號(hào)文批復(fù)），將井田3號(hào)煤層劃分為2個(gè)可采區(qū)、4個(gè)緩采區(qū)?？刹?區(qū)位于井田的北部，由15個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)圈定，面積201939.17m2；可采2區(qū)位于井田的中部，由37個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)圈定，面積622770.73m2；緩采1區(qū)位于井田北部，由17個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)圈定，面積60922.24m2；緩采2區(qū)位于井田中部，由13個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)連續(xù)圈定，面積119566.68m2；緩采3區(qū)位于井田中部，由5個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)連續(xù)圈定，面積6586.80m2；緩采4區(qū)為井田南部，由43個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)連續(xù)圈定，面積365656.14m2。

1 開(kāi)采區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造情況

受區(qū)域構(gòu)造的影響，可開(kāi)采3號(hào)煤層內(nèi)構(gòu)造總體為近北東東向的寬緩褶曲，傾角2～3°，局部可達(dá)10°?，F(xiàn)分述如下：

S1背斜：位于井田北部，補(bǔ)5號(hào)鉆孔西、中村東一帶，軸部走向約N45°E，井田內(nèi)延伸長(zhǎng)749.00m。S2向斜：位于井田中部，補(bǔ)3號(hào)鉆孔西、南村西一帶，軸部走向約N50°E，井田內(nèi)延伸長(zhǎng)1036.00m。S3背斜：位于井田中南部，補(bǔ)3號(hào)、補(bǔ)2號(hào)鉆孔一線，軸部走向約N55°E，井田內(nèi)延伸長(zhǎng)937.00m。S4向斜：位于井田南部，28號(hào)鉆孔南、南村南一帶，軸部走向約N80°E，井田內(nèi)延伸長(zhǎng)1137.00m。

另?yè)?jù)基建期間3號(hào)煤層采掘揭露情況，吉安煤礦3號(hào)煤層可采1區(qū)開(kāi)采過(guò)程中揭露小型斷層12條，小斷層走向以NW（315°）和NWW為主，其次為NE（45°）和NEE向。斷層傾向以SW（225°）和SSW（205°）占優(yōu)，其次為NE（55°）和NW（315°），近EW較少。3號(hào)煤層可采1區(qū)范圍內(nèi)走向NW（315°）斷層如圖1所示。

圖1 走向NW（315°）斷層示意圖

2 地質(zhì)構(gòu)造情況以及發(fā)育特征

2.1 評(píng)判指標(biāo)類(lèi)型

根據(jù)吉安煤礦3號(hào)煤層可采2區(qū)范圍內(nèi)井下地質(zhì)構(gòu)成狀況及采掘方式，創(chuàng)建相應(yīng)的構(gòu)造評(píng)價(jià)指標(biāo)，以便對(duì)可采2區(qū)地質(zhì)情況進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)、預(yù)測(cè)。本文根據(jù)礦井實(shí)際情況，創(chuàng)建構(gòu)造指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

（1）構(gòu)造指標(biāo)

①井下斷層的發(fā)育程度可通過(guò)斷層的密度統(tǒng)計(jì)評(píng)價(jià)，其計(jì)算如公式（1）所示：

式中：

M-斷層的密度；

n-斷層的數(shù)量，條；

S-統(tǒng)計(jì)范圍內(nèi)的面積，萬(wàn)m2。

②井下斷層的強(qiáng)度指數(shù)能夠表征斷層發(fā)育的規(guī)模，計(jì)算方法如公式（2）所示：

式中：

F-井下斷層強(qiáng)度指數(shù)；

Hi-斷層落差，m；

Li—斷層走向長(zhǎng)度，m；

S-代表統(tǒng)計(jì)范圍內(nèi)的面積，萬(wàn)m2。

③斷層與煤層夾角即為斷層走向指數(shù)，此角度越小則越會(huì)影響到安全開(kāi)采，其計(jì)算如公式（3）所示：

式中：

Q-斷層走向指數(shù)；

θ-每條斷層和煤層之間的夾角，（°）；

S-統(tǒng)計(jì)范圍內(nèi)的面積，萬(wàn)m2。

④巖層褶皺發(fā)育程度即為巖層褶皺強(qiáng)度指數(shù)，計(jì)算如公式（4）所示：

式中：

D-褶皺強(qiáng)度指數(shù)；

di1-巖層單元體內(nèi)等高線長(zhǎng)度，m；

di0-巖層單元長(zhǎng)度，m。

（2）經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

在煤層開(kāi)采過(guò)程中，由于地質(zhì)構(gòu)造缺陷，會(huì)使得某部分區(qū)域不能被開(kāi)采，通過(guò)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)來(lái)反映地質(zhì)狀況影響程度，其計(jì)算方法如公式（5）所示：

式中：

P-開(kāi)采面積損失系數(shù)；

S1-地質(zhì)情況導(dǎo)致的不能開(kāi)采區(qū)域面積，萬(wàn)m2；

S0-總統(tǒng)計(jì)面積，萬(wàn)m2。

2.2 權(quán)重集

對(duì)于問(wèn)題研究過(guò)程中的參數(shù)影響占比問(wèn)題，常常采用權(quán)重系數(shù)來(lái)表明各項(xiàng)參數(shù)的相互關(guān)系以及對(duì)結(jié)果的重要程度。本文采用灰色關(guān)聯(lián)法來(lái)分析權(quán)重集，將煤礦企業(yè)效益作為評(píng)價(jià)結(jié)果，地質(zhì)情況作為子因素，從而分析得出綜合分析情況下的評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重系數(shù)，計(jì)算如公式（6）所示：

式中：

?-第j個(gè)因素的權(quán)重系數(shù)；

γ(j,0)-第j個(gè)因素與評(píng)定結(jié)果的關(guān)聯(lián)水平，j=1,2,3...m。

2.3 構(gòu)造復(fù)雜程度的灰色預(yù)測(cè)

構(gòu)造復(fù)雜程度的灰色預(yù)測(cè)對(duì)于參數(shù)數(shù)量要求盡可能低，以此有利于快速計(jì)算，但必須保證預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際情況誤差水平。本文以指標(biāo)聯(lián)系為研究，因此采用GM（0，N）灰色預(yù)測(cè)模型，數(shù)學(xué)模型利用零階微分方程來(lái)完成，其模型計(jì)算如公式（7）所示：

式中：

a、bi—常數(shù)；

Xi(1)—第i個(gè)變量數(shù)據(jù)的累計(jì)運(yùn)算，i=1,2,3...n；

灰色預(yù)測(cè)過(guò)程中，首先對(duì)子、母因素進(jìn)行確定，創(chuàng)建數(shù)據(jù)序列，并對(duì)原始參數(shù)累計(jì)計(jì)算；然后采用最小二乘法對(duì)系數(shù)向量進(jìn)行求解；最后檢驗(yàn)精度并作出評(píng)價(jià)指標(biāo)。

3 未采區(qū)構(gòu)造復(fù)雜程度的評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)結(jié)果分析

通過(guò)統(tǒng)計(jì)整合鉆孔資料，對(duì)3號(hào)煤層可采1區(qū)范圍內(nèi)的地質(zhì)構(gòu)造狀況進(jìn)行分析，進(jìn)而建立評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)3號(hào)煤層可采2區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)。

將3號(hào)煤層可采1區(qū)內(nèi)底板等高線以110×110m2的規(guī)格劃分成50個(gè)單元。從而根據(jù)各個(gè)指標(biāo)的數(shù)學(xué)模型統(tǒng)計(jì)各個(gè)單元節(jié)點(diǎn)的取值。

在3號(hào)煤層可采1區(qū)內(nèi)底板等高線以110×110m2的規(guī)格進(jìn)行劃分后，通過(guò)GM(0，N)模型可創(chuàng)建各個(gè)指標(biāo)的預(yù)測(cè)模型：

（1）斷層強(qiáng)度指數(shù)（F）=119.71+1.49X+22.18?；

（2）斷層密度指數(shù)（M）=1.19-0.02X-0.08?；

（3）斷層走向指數(shù)（Q）=46.68+0.98X+22.98?；

（4）褶皺強(qiáng)度指數(shù)（D）=0.13+0.01X+0.47?。

把未開(kāi)采區(qū)域各指標(biāo)參數(shù)代入預(yù)測(cè)模型，可計(jì)算得出評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)值，匯總后部分結(jié)果如表1所示。

根據(jù)《吉安煤業(yè)3號(hào)煤層地質(zhì)構(gòu)造工作規(guī)定》中4類(lèi)劃分法，將吉安煤業(yè)3號(hào)煤層可采2區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度劃分為4個(gè)等級(jí)，其中I為簡(jiǎn)單構(gòu)造區(qū)域，Ⅱ相對(duì)復(fù)雜構(gòu)造區(qū)域，Ⅲ較復(fù)雜構(gòu)造區(qū)域，Ⅳ復(fù)雜構(gòu)造區(qū)域。結(jié)合吉安煤業(yè)井下地質(zhì)構(gòu)造特點(diǎn)，得到各構(gòu)造等級(jí)所對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)的取值范圍，如表2所示。

根據(jù)以上評(píng)價(jià)指標(biāo)和吉安煤業(yè)3號(hào)煤層地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度劃分，通過(guò)灰色預(yù)測(cè)法計(jì)算得出吉安煤業(yè)3號(hào)煤層可采2區(qū)內(nèi)的評(píng)價(jià)結(jié)果如表3所示。

表1 評(píng)價(jià)指標(biāo)預(yù)測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

表2 吉安煤業(yè)地質(zhì)構(gòu)造評(píng)價(jià)指標(biāo)的取值

表3 未開(kāi)采區(qū)綜合評(píng)定結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

在表3中，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ分別代表簡(jiǎn)單區(qū)域、相對(duì)復(fù)雜區(qū)域、較復(fù)雜區(qū)域和復(fù)雜區(qū)域。簡(jiǎn)單區(qū)域開(kāi)采安全，相對(duì)復(fù)雜區(qū)域需控制圍巖可靠性后可開(kāi)采，較復(fù)雜區(qū)域不適宜開(kāi)采，復(fù)雜區(qū)域不能開(kāi)采。

4 結(jié) 論

本文在對(duì)煤礦井下地質(zhì)構(gòu)造研究的基礎(chǔ)上，整合開(kāi)采資料以及構(gòu)造復(fù)雜模型方案，對(duì)礦區(qū)未開(kāi)采區(qū)域作出了復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造評(píng)定，通過(guò)模型預(yù)測(cè)計(jì)算后得出此未開(kāi)采區(qū)域內(nèi)的適宜開(kāi)采區(qū)域比例達(dá)到64%，通過(guò)控制圍巖穩(wěn)定的可開(kāi)采區(qū)域比例為28%，并且此開(kāi)采區(qū)域不存在不可開(kāi)采的復(fù)雜區(qū)域，綜合評(píng)定吉安煤業(yè)3號(hào)煤層可采2區(qū)范圍內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度為簡(jiǎn)單類(lèi)型。