煤层顶底板稳定性评价系统研究.pdf

Keywords Sedimentary characteristics; Structural characteristics; Fuzzy comprehensive uation; Roof and Floor’s Stability; uation system Thesis Application Research 目录 I 目 录 1 绪论 ........................................................................................................................................................... 1 1.1 选题背景及研究意义 .................................................................................................................... 1 1.1.1 选题背景 ................................................................................................................................... 1 1.1.2 研究意义 ................................................................................................................................... 2 1.2 研究现状及存在的问题 ................................................................................................................ 2 1.2.1 传统地质学分析 ...................................................................................................................... 2 1.2.2 顶底板稳定性的定量分析 .................................................................................................... 3 1.2.3 地球物理探测技术的应用 .................................................................................................... 3 1.3 研究内容、研究方法和技术路线 ............................................................................................. 4 1.3.1 研究内容 ................................................................................................................................... 4 1.3.2 研究方法 ................................................................................................................................... 5 1.3.3 技术路线 .................................................................................................................................... 5 2 煤层顶底板特征研究 ........................................................................................................................... 7 2.1 煤层顶底板的沉积特征 ................................................................................................................ 7 2.1.1 顶底板稳定性的沉积学影响因素 ...................................................................................... 7 2.1.2 顶底板岩性特征 ...................................................................................................................... 8 2.2 煤层顶底板的构造特征 ................................................................................................................ 9 2.2.1 顶底板构造的基本类型 ........................................................................................................ 9 2.2.2 小型构造对顶底板稳定性的影响 .................................................................................... 11 2.3 煤层顶底板岩石力学特性 ......................................................................................................... 13 2.3.1 岩石的物理力学性质 ........................................................................................................... 13 2.3.2 岩石的力学性质影响因素 .................................................................................................. 16 3 煤层顶底板稳定性评价理论与方法 .............................................................................................. 21 3.1 顶底板稳定性评价原则 .............................................................................................................. 21 3.2 顶底板稳定性评价指标体系 .................................................................................................... 21 3.3 顶底板稳定性评价评价模型与方法 ....................................................................................... 22 3.3.1 模糊综合评判法 .................................................................................................................... 22 3.3.2 灰色聚类法 ............................................................................................................................. 25 3.3.3 层次分析法 ............................................................................................................................. 27 3.3.4 敏感因子法 ............................................................................................................................. 28 3.3.5 人工神经网络法 .................................................................................................................... 29 3.3.6 各种评价方法的对比 ........................................................................................................... 30 目录 II 4 煤层顶底板稳定性评价系统实现 ................................................................................................... 31 4.1 系统概述 ......................................................................................................................................... 31 4.2 软件开发环境及技术 .................................................................................................................. 31 4.2.1 软件体系结构 ........................................................................................................................ 31 4.2.2 软件开发语言 ........................................................................................................................ 31 4.2.3 数据库管理系统 .................................................................................................................... 32 4.3 数据信息管理 ................................................................................................................................ 32 4.3.1 数据库简介 ............................................................................................................................. 32 4.3.2 MYSQL 简介 .......................................................................................................................... 33 4.3.3 数据库系统设计 .................................................................................................................... 33 4.4 系统功能实现 ................................................................................................................................ 36 4.4.1 系统功能模块介绍 ............................................................................................................... 36 4.4.2 系统界面 ................................................................................................................................. 36 4.4.3 数据管理功能 .............................................................................................................................. 37 4.4.4 柱状图自动绘制功能 ................................................................................................................ 38 4.4.5 顶底板稳定性评价功能 ........................................................................................................... 39 5 基于金华山煤矿的实例应用 .......................................................................................................... 42 5.1 金华山煤矿概况 ................................................................................................................................. 42 5.1.1 地理位置 ....................................................................................................................................... 42 5.1.2 地形地貌 ....................................................................................................................................... 43 5.1.3 气象水文 ....................................................................................................................................... 43 5.2 金华山煤矿工程地质条件 ....................................................................................................................... 43 5.2.1 地层特征 ....................................................................................................................................... 43 5.2.2 构造特征 ....................................................................................................................................... 44 5.2.3 地震 ................................................................................................................................................. 51 5.3 金华山煤矿 5煤层顶底板稳定性评价 .................................................................................... 51 6 结论与展望 ......................................................................................................................................... 57 6.1 结论 ........................................................................................................................................................ 57 6.2 展望 ........................................................................................................................................................ 57 致 谢 ........................................................................................................................................................ 59 参考文献 ................................................................................................................................................. 60 攻读硕士学位期间取得的学术成果 ................................................................................................. 63 1 绪论 1 1 绪论 1.1 选题背景及研究意义 1.1.1 选题背景 煤炭是我国的一种重要的化石能源，在国民经济中占有重要地位。我国煤炭资源丰 富、地理分布广泛，生产量和消费量均位居世界前列。从表 1.1 中可以看出，从 2013 年到 2015 年，我国的煤炭产量大约占到世界总产量的一半。根据中国产业信息网的报 道得知， 我国 2013 年煤炭消费总量为 36.1 亿吨； 2014 年煤炭消费总量为 35.1 亿吨； 2015 年煤炭消费总量为 33.8 亿吨。 尽管最近几年煤炭产能与消费量较以往有所下降， 但是煤 炭在我国能源结构中的主体地位很长一段时间不会发生改变。 表表 1.1 2013 年至年至 2015 年中国原煤产量与世界原煤年中国原煤产量与世界原煤产量对比产量对比 单位（亿吨）单位（亿吨） 年份 产量 2013 2014 215 中国 39.74 38.74 37.58 世界 82.31 81.65 78.61 2014 年 2015 年 图 1.1 我国煤矿安全事故比例 2014 年 2015 年 图 1.2 我国煤矿事故死亡人数比例 西安科技大学全日制工程硕士学位论文 2 随着大规模的煤炭生产， 生产中的安全事故也越来越频繁。 煤矿生产中的安全事故， 不仅给企业造成了大量的经济损失、破坏环境，而且常常威胁井下一线生产人员的生命 安全。从图 1.1、图 1.2 中可知顶板事故是我国当前的主要煤矿安全事故。此外，巷道底 鼓也是煤炭开采中常见的一个难题，因此研究煤层顶底板的性质具有十分重要的意义。 近年来，随着浅层煤炭资源接近枯竭，人们开始开采一些深部的矿产资源。由于深 部煤炭资源的地质条件复杂等原因，开采难度加大，同时由于压力的增大，煤层顶底板 事故更加频发，因此，煤层顶底板稳定性的研究是生产中急需解决的重要问题。 现在，计算机技术发展迅速，在地质领域得到了广泛应用。地球物理探测技术等在 煤矿开采中的应用，为煤层顶底板稳定性评价提供了数据支持。地理信息系统（GIS） 可生成各种地质图件。同时，人们把数学方法与计算机编程语言的结合起来，建立数学 模型及开发独立的系统来实现完成特定的功能，这成为当前研究的热点问题。因此，本 文利用计算机技术构建一个应用系统来实现煤层顶底板稳定性的定量化评价。 1.1.2 研究意义 本文通过研究煤层顶底板的地质特性来预测煤层顶底板的稳定性， 预防煤矿顶底板 事故的发生，对于稳定性差的煤层顶底板在生产前可以采取相应的防治措施。通过研究 煤层顶底板稳定性的影响因素及选择科学的评价方法搭建评价系统， 实现对煤层顶底板 稳定性的自动分区，这样可以使得相关灾害的预防具有针对性，减少冗余的预防措施。 这对于煤矿安全生产具有重大意义，首先它可以确保煤矿的可持续发展，减少不必要的 矿灾的发生，减少了灾害发生对煤矿造成的经济损失及人员伤亡。其次，这会提高人们 的安全意识，对加强煤矿规范化管理具有重要意义。 1.2 研究现状及存在的问题 自从人类对煤矿进行开采后，人们就开始研究煤层顶底板对煤矿安全的影响。多年 来，国内学者对煤层顶底板特性进行了不懈的研究，获得了众多的研究成果。随着数学 地质的发展，其中的“块体理论” 、 “模糊评判法” 、 “灰色理论法” 、 “层次分析法” 、 “人 工神经网络法”等多种方法，从不同角度分析顶底板的稳定性，对煤矿安全生产起了重 要作用。 1.2.1 传统地质学分析 国内一些科研工作者通过研究含煤地层的沉积环境，分析煤层及其顶板的沉积条 件，根据沉积模式的差异建立了区域性沉降模式与顶板稳定性关系，评价顶底板的稳定 性程度。葛道凯[1]、孟召平[2]等通过实验研究了沉积层序和顶板砂体厚度变化等因素对 顶板冒落的影响，指出煤层顶板性质基本取决于沉积建造亚相特征，顶板原始沉积环境 的空间分布控制了采场顶板整体质量， 并且结合岩石力学和采矿工程学等方法深入研究 煤层顶板稳定性。曹胜根[3]等应用数值分析方法研究支架工作阻力、端面距与综放开采 端面顶板稳定性的关系，得出端面顶板冒落情况与支架工作阻力及支护角度密切相关。 一些学者应用工程地质分析方法研究了煤层顶底板的稳定性。于双忠、彭尚峰[4]提 出了一种评价煤矿巷道围岩稳定性的方法首先指出岩石强度、结构面、水对岩体的影 响、原岩地应力状态为影响巷道围岩稳定性最主要的因素，然后把四项指标在一张图表 1 绪论 3 中反映出来，最后根据指标与稳定类型的关系把围岩体划分为五种类型。丁述理[5]等提 出利用钻孔资料，采用单因素分析法预测煤层顶板稳定性分析岩石的单向抗压强度、 沉积环境、分层厚度、构造裂隙、岩芯完整性、岩芯采取率、水文地质条件、地应力等 单因素对煤层顶板稳定性的影响。 孟召平 [6] [7]等通过现场测量以及数值模拟计算分析了 围岩侧压系数、断裂结构面与分别回采工作面顶底板稳定性之间的关系。柴敬[8]等分析 了顶板构造特征、基岩结构、煤层顶板岩性等因素对煤层上覆岩层的稳定性的影响。贺 珅[9]等从岩石的抗压强度、岩性厚度、岩性横向对比三个方面评价煤层顶板稳定性。邵 洪文[10]提出以岩石强度、岩体完整程度、结构面状态、地下水、主要结构面产状五个因 素的评分来划分煤层顶板的稳定性类别。 修国林[11]、赵铁林[12]等采用块体理论研究矿体顶板的稳定性，运用赤平极射投影、 动力学法等分析了危岩体的破坏形式及稳定性程度。 1.2.2 顶底板稳定性的定量分析 20 世纪 80 年代起，我国的一些专家学者开始通过岩体工程力学分析与计算机数值 模拟运算相结合的方法来定量评价和预测煤层顶底板的稳定性。 涂敏[13]基于直接顶的初 次垮落步距、直接顶破碎度、直接顶厚度与采高比值、老顶初次垮落步距、煤层倾角这 五个指标参数运用模糊聚类法对煤层顶板稳定性进行分类。 杨双锁[14]等利用有限单元法 分析了强度、分层厚度、埋藏深度等主要因素对采场顶板稳定性的影响规律，提出了采 场顶板稳定性定量分析指标及分类方案。 张树光[15]等运用离散单元法建立二维岩体模型 分析水平层状、正交节理型顶板，得出顶板的变形特征及破坏机理。曹庆奎、蔡振禹[16] 等利用主观赋权法和客观赋权法相结合灰色加权关联度综合评价法分析煤层顶板稳定 性，得出此方法可以客观地反映出煤层顶板地质条件的灰色性特征。刘钦甫[17]等运用模 糊综合评判法定量分析钻孔资料来确定煤层顶板稳定性。 朱宝龙[18]， 李增学[19]等提出运 用 BP 人工神经网络定量评价顶板稳定性，通过构造网络拓扑结构，对样本进行学习训 练，得到评价模型，然后进行计算和预测，最后评价结果被证实是合理、可信的。刘海 燕[20]等从沉积条件、构造发育特点和岩石力学特征三方面出发，提出使用层次分析法确 定影响因素权重后再进行二级模糊综合评价来预测煤层顶板稳定性。 徐冬[21]提出运用灰 色聚类方法评价顶板稳定性，建立了灰色系统数学模型。聂明军[22]等用实例验证了综合 指数法评价煤层顶板稳定性是可靠的。 1.2.3 地球物理探测技术的应用 使用地球物理探测技术可以获取某一地区的地质条件，现在得到了广泛应用。地球 物理勘探方法和地震信息解释技术是当前国内学者研究的热点， 主要用于岩体特性方面 的研究。 地球物理勘探方法众多，其中声波测试仪由于高灵敏度、大的信息存储量等优点得 到重视。徐东强等[23]运用超声波方法确定了金厂峪金矿难采矿体中的顶板松动圈的厚 度、 破碎带的范围及厚度， 并且提出在回采过程中， 用岩石声发射仪监测顶板的稳定性。 王辉、黄鼎成[24]根据岩体结构理论和地震波在软弱结构面传播性质上的差异，运用地震 层析成像技术研究岩体内部软弱结构面的空间分布。程武伟、沈方铝[25]通过分析声波测 试方法获取的洞壁岩体声波速度分布特征及变化趋势，确定洞壁的松弛厚度和围岩特 性，为围岩质量评价、岩体稳定和喷锚设计等工程技术提供重要依据。熊健、胡树林等 西安科技大学全日制工程硕士学位论文 4 [26]采用钻孔电视和声波测试对地下深部岩体进行了综合测试， 运用改进的地下水封洞库 岩体质量分级体系 UWCQ 对钻孔深部岩体质量进行了初步评价，并实例验证评价结 果是可行的。黄略[27]提出了一种确定灰岩风化程度及破碎程度的方法运用单孔声波测 试技术获得测试波速，采用经验系数调整测试波速，最后用调整后的波速判定岩体的破 坏程度。 相干体技术起步较晚，是一种描述断层和地层特征的解释性处理技术。佘德平、曹 辉等[28]介绍了用多道相关技术制作三维相干数据体的方法， 应用三维相干数据体时间切 片解释某个地区的断层和岩性变化带情况并通过实验证明相干体技术具有速度快、 误差 小等优点。杜文凤[29]指出在解释落差 3m 左右的小断层、分析断层的平面分布、加快大 断层的解释速度、探测巷道、圈定采空区边界等方面，相干体技术比起常规解释方法更 加直观、快速。王怀洪[30]、蔺国华[31]等利用相干体技术探获得煤矿中小断层、陷落柱、 较大断层附近的微小构造等的几何形体和空间展布规律，证明该方法具有解释精度高、 解释速度快等特点。 方差体技术是新近发展起来的地震解释技术，主要用于识别断层、裂隙等构造及岩 性信息。赵牧华、杨文强等[32]应用三维方差体技术解释了山东某采区三维地震资料，结 果表明该技术能够准确地展示出断层分布形态、延伸长度以及裂隙发育带的影响范围。 林建东、王磊[33]通过在煤田三维地震资料解释中使用方差体技术得出，方差体技术可以 清晰地反映断层与岩性的边界，同时可探明倾角变化很小的地质异常体。 地震属性技术近年来受到广泛关注， 是获取采区地质构造信息的有效手段。 郭彦省、 孟召平[34]、崔丽玲等[35]提出应用地震属性技术和 BP 神经网络模式识别方法预测煤层顶 板岩性，实现了对某矿区煤层顶板岩性的预测，取得了较好的应用效果。崔若飞、李晋 平等[36]利用地震属性技术识别断层，解释凹陷构造，并结合其他技术预测煤层厚度变化 及灰岩岩溶裂隙发育情况，取得了良好的效果。孟召平、郭彦省等[37]提出了应用地震属 性分析方法和 BP 人工神经网络岩性预测方法预测煤层顶板泥岩百分比含量首先确定 预测顶板岩性所需的基本参数，然后结合钻孔资料建立神经网络预测模型，最后用训练 好的网络进行预测分析。徐换霞、韩军锋[38]，常益行[39]等利用地震属性技术在小断层解 释方面取得理想效果，准确解释了矿区中小断层的构造形态。 存在的问题 （1）现在的煤层顶底板稳定性分析方法众多，但是没有一个是完全有 效的方法。 （2）现在对煤层顶底板的研究，只能适用于某一地区的煤矿。 （3）单因素研 究比较多，多因素的研究少。 1.3 研究内容、研究方法和技术路线 1.3.1 研究内容 本课题主要研究目的是基于钻孔资料建立煤层顶底板稳定性评价系统，为煤矿建 设、安全生产提供指导性的建议，减少煤矿灾害的发生。本文的主要研究内容如下 （1）煤层顶底板特征的研究 研究煤层顶底板的沉积特征、构造特征、岩石物理力学特征，并确定它们与煤层顶 底板稳定性的关系。其中，煤层顶底板的沉积特征包括沉积相研究、岩性特征、岩性组 合等；煤层顶底板的构造特征包括研究煤层顶底板中发育的断层、裂隙、褶皱等；煤层 顶底板的物理力学特征研究煤层顶底板岩石的物理性质及力学性质。 1 绪论 5 （2）煤层顶底板评价方法的研究 基于科学的评价原则，从煤层顶底板的沉积条件、构造展布、岩性力学性质三个方 面分析确定影响煤层顶底板稳定性的指标体系，分析对比当前流行的数学评价方法，确 定模糊综合评判法为本系统的评价方法。 （3）煤层顶底板稳定性评价系统的研究 利用 Java 语言MySQL 数据库技术建立煤层顶底板稳定性评价系统，包括 MySQL 建立系统的数据模型和 Java 实现系统功能两部分的研究， 其中系统功能实现又分为钻孔 信息的管理、顶底板岩柱的绘制、顶底板稳定性评价三部分。 （4）实例应用的研究 以金华山煤矿为例， 利用煤层顶底板稳定性评价系统研究 5煤层顶底板的稳定性程 度，验证系统的实用性、可靠性。 1.3.2 研究方法 （1）收集相关的资料，确定影响煤层顶底板稳定性的地质因素。 （2） 采用层次分析法确定各个主要指标因素在影响煤层顶底板稳定性等中的权重； 采用模糊综合评判法分析建立煤层顶底板稳定性评价模型。 （3）采用数据库技术及编程语言等计算机技术构建煤层顶底板稳定性评价系统， 实现顶底板岩柱的绘制及煤层顶底板稳定性的自动划分。 1.3.3 技术路线 西安科技大学全日制工程硕士学位论文 6 图 1.3 技术路线图 2 煤层顶底板特征研究 7 2 煤层顶底板特征研究 煤层顶底板稳定性的影响因素众多，但是最重要的因素是煤层顶底板的特征。深入 地研究煤层顶底板的特征，可以使得煤层顶底板稳定性评价结果与实际情况更为接近。 本章从沉积特征、岩性特征、构造特征及岩石力学性质四个方面详细地研究了煤层顶底 板的特征。 2.1 煤层顶底板的沉积特征 2.1.1 顶底板稳定性的沉积学影响因素 结合前人对某些地区煤炭的沉积环境和沉积相的研究分析， 可以得出影响煤层顶底 板稳定性的核心因素为顶底板岩性差异、胶结类型、岩层组合方式、古河流的冲刷侵蚀 作用五个方面。 （1）岩性差异。不同的岩性有不同的强度，而岩石的强度直接决定煤层顶底板的 稳定性。由于煤层是沉积作用形成的，所以煤层顶底板的岩石以沉积岩为主，其中大部 分为砂岩和泥岩。砂岩属于硬岩，其强度大，不易发生变形和破坏，故由砂岩组成的岩 层相对比较稳定，但是在载荷加大到一定程度时容易发生断裂。泥岩属于软岩，在力的 作用下容易发生变形甚至破碎，因此由泥岩组成的岩层稳定性差。 （2）胶结类型。胶结类型分为基底式胶结、孔隙式胶结、接触式胶结和镶嵌式胶 结。其中，基底式胶结的坚固性最好，镶嵌式胶结的坚固性次之，孔隙式胶结和接触式 胶结的坚固性差。从胶结物成分角度出发，胶结类型分为硅质胶结、泥质胶结、铁质胶 结、钙质胶结、粘土质胶结等。硅质胶结、铁质胶结的碎屑岩强度最高，很难被水溶解。 钙质胶结的碎屑岩强度较高，但是抗水性差，易于溶解。泥质、粘土质胶结的碎屑岩强 度最低，在水的作用下容易发生泥化及软化。顶底板岩层主要