煤田地质勘探阶段煤层顶板稳定性评价方法.pdf

第 3 O卷 第 1 3期 4 2 2 0 0 4年 7月 山 西 建 筑 SHANXI ARCHI TECTURE VoI _ 30 No． 1 3 ．1 u 1 ．2 0 0 4 文章 编号 1 0 0 9 ． 6 8 2 5 1 2 0 0 4 1 3 - 0 0 4 2 ． 0 2 煤 田 地 质 勘 探 阶 段 煤 层 顶 板 稳 定 性 评 价 方 法 文红伟 杨晓 东 摘要 分析 了在煤 田地质勘探阶段利用现有勘探成果资料评价煤层顶板稳定性的原理， 介绍 了单 因素分析 、 二级模糊 综合评判的研究方法， 指 出该方法简单、 灵活， 具有较高的实用价值。 关键词 煤 田地质勘探 ， 煤层顶板稳定性， 单因素分析 ， 模糊评判 中图分类号 TU4 1 3 ． 6 2 文献标识码 A 鉴于以往煤田地质勘探阶段煤层顶板稳定性评 价存在 的种 种缺陷 ， 就其通过数 年的现场实践 和科研工作 ， 取得 了大量 的第 一 手资料， 并在前人工作 的基础 上进 行了系统 研究 ， 初步 总结 出 单因素分析 、 综合评判的方法。 1 单 因素分析 所谓单因素分析 ， 是指能独立反应某地 区某层段岩石 体 工 程稳定性的一些独立的因素或变数 ， 在勘探区 井田 第一性单孔 资料的基础上， 进行煤层顶板岩石稳定性 的单 因素评价。然后分 析这些单因素的评 价结果 ， 去粗取精 ， 去伪存真 ， 综合评判， 使单 孔煤层顶板的稳定性得出明确结论。 1 ． 1 岩石单 向抗压 强度 岩石 体 的工程稳定程度往往用抗压强度 、 抗 剪强度 、 抗拉 强度 、 弹性模量等物理力学参数表示。大量的统计表明 ， 岩石的 单 向抗压强度与其他力学参数之间存在着一定的相关关系， 因此 可以用岩石的单向抗压强度表示岩石本身的固有强度。 1 ． 2岩性特征 岩石的力学性质 主要取决 于其物质 成分、 颗粒大小 、 支撑性 质、 沉积构造、 胶结类型等。 1 ． 3 视 电阻率 曲线 利用视 电阻率间接获得岩石抗压强度 ， 其主要原理是 在沉 积岩表面往往吸附离子而形成 “ 电偶层” ， 外层离子在外 电场作 用下形成电流 ， 从而增加 了岩石的导电能力。用视电阻率测井曲 线可以间接测定 获得 岩层 的强度 。 1 ． 4 伽玛伽 玛 曲线 利用伽玛伽玛 曲线亦可间接获得岩 石强度 ， 其主要原理为 在伽玛伽玛测井中， 康普顿吸收系数为 ／ z Z ／ A d N0 ， 由于沉积 岩层主要是由中等原子序数的元素组成 ， Z ／ A．O ． 5 ， N。 为常数 ， 对于能量固定的伽玛射线来说也是常数。 因此， 康普顿系数仅与介质密度有关 ， 伽玛 伽玛射 线强度与 地层 密度之间呈直属函数关 系， 而岩石的抗压强度又与密度之间 存在着 函数关系， 因此， 利用 伽玛伽玛测井曲线 的数值可 以求出 岩石抗压强度的数值。 1 ． 5 岩石 层 的沉积环境 煤层顶板岩石的质量取决 于各种 岩石的内在联 系及各类岩 石在垂向和横向上的组合关系 ， 而各岩类 的内在联系和在空间的 变化是受其原始沉积环境控制的， 很显然煤层顶板岩石的沉积环 境在某种程度上决定了其最初的 受构造运动破坏之前 质量特 征 。 1 ． 6分层 层理 厚度 层理是沉积岩 中独有 的原 生构造 ， 它是 岩石中的物质成分 、 结构或颜色在垂 向上发生变化 造成的 ， 它是 岩性或结 构的 突变 面， 所以， 表现在岩石的力学性质上 为一种弱面 ， 岩石受力时 ， 沿 层理容易离层。当然 ， 层理的类型不 同、 厚度不同， 其离层 的难易 程度也不同。 1 ． 7 构造 裂 隙 构造裂隙是岩石 体 中最常见的薄弱 面， 它们的存在破坏了 岩石的完整性 ， 降低 了岩石的强度 ， 在采煤工作 面常因岩块 沿裂 隙滑落而造成 冒顶事故。 构造裂隙发育程度的影 响因素很多 ， 一般来说褶曲核部或断 层带附近易产生构造裂隙。另外岩性 不同， 构造裂隙的发育程度 也表现出很大的差异性 。 1 ． 8 岩 芯的完整性 岩芯的完整性也是反映岩体稳定性的一项指标 ， 钻探过程中 所取岩芯的完整与否 ， 除有一定技术因素影 响外 ， 主要是 由岩性 和构造裂隙发育程度决定的 ， 另外也与层理厚度等 因素有直接关 系。一般来说 ， 岩体松软 、 性脆 、 裂隙发育 、 层理厚度小的岩层 ， 其 岩芯完整性较差 。 1 ． 9 岩 芯的采取率 岩芯采取率与岩芯完整性 的意义基本相 同。在 技术条件不 变的情况下 ， 岩石 层 的强度愈高 、 层理愈厚 、 构造 裂隙愈少 ， 则 岩芯采取率愈高 ， 反之亦然。所 以， 它也是反 映岩石 体 工程稳 定性 的一个重要参数。 纵观上述单因素 ， 不难发 现它们能够反映岩石的强度 、 岩石 的完整性和岩石的连续界面状态。但是 ， 单因素分析难以排 除 自 然的和技术上的影响。 综合模糊二级评判将有效地削弱或 肖 除各种技 术因素影响 、 自然因素影响和人为 因素的影响， 从而使最终分析结果能反 映顶 板岩石工程稳定性 的实际情况。 2 研 究实例 2 ， 1 研 究 区地质概 况 研究区为山西省沁水盆地某勘探 区， 面积约 9 0 l ， 可利用 钻孔资料 1 2 5个。含煤地层为太原组 ， 地质构造简单。现选定 1 5 号煤层为研究对象。该煤层厚 平均 4 ． 2 m， 全 区稳定可采 ， 上覆 地层厚度 3 0 0余 IT I 。 收稿 日期 2 0 0 4 ． 0 4 ． 0 7 作者简介 文红伟 1 9 6 6 ． ， 男 ， 1 9 8 7 年毕业于北京煤炭工业学校煤田地质与勘探专业， 1 程师， 山西煤田地质综合普查队， 山西 晋中0 3 0 6 0 0 杨晓东 1 9 7 4 ． ， 男 ， 1 9 9 9年毕业于中国矿业大学地球物理勘探专业 ， 助工 ， 山西煤田地质综合普查队， 山西 晋中0 3 0 6 0 0 维普资讯 第 3 O卷 第 1 3期 2 0 0 4年 7月 文红伟等 煤 田地质勘探阶段煤层顶板稳定性评价方法 4 3 按照常规 ， 研究煤层顶板的范 围大致相 当于 4倍 ～5 倍 的采 高 ， 即煤层顶部以上 2 0 m左右。 1 5号煤层顶板岩石的沉积环境为上三角洲平原和下三角洲 平原的过渡带 ， 主要沉积相有 分 流河道 、 分流间湾 、 河漫湖泊、 沼 泽 、 决 口扇和天然堤等。 2 ． 2 评价 步骤 按上述评价方法， 将评 价煤层 顶板稳定性的要素定为 岩石 强度 、 裂隙发育程度和层理厚度三类 ， 每类作为一个因素子集 U U 1 ， U 2 ， U 3 式中 “ 岩石强度 。包 括单 向抗 压强 度 、 岩性 、 视电阻 率 曲 线 、 伽玛伽玛 曲线 、 沉积环境等五个因子 ； “ 2 裂隙发育程度。包括裂隙条数 、 岩芯完整性 、 岩芯采 取率等三个因子； “ 层理 分层 厚度 。包括钻探判层厚度等两个因子 。 2． 2． 1 制定评价标准 煤层顶板工程稳 定性本身是一个模糊概念 ， 因此 ， 作为工程 稳定性分级标准也应具有模糊特征。 ‘ 参照国家各类岩体工程稳定性分级标准 ， 结合研究 区相邻矿 区回采工作面顶板分类方案和钻孔原始地质资料 ， 拟定评判等级 标准见表 1 ～表 4所示 。 表 l 综合 煤层 顶板 稳定 性分级 I 级 别 稳 定 较 稳 定 不 稳 定 极 不 稳 定 Vl v2 v3 V4 1 分数 l o o 7 0 5 0 2 0 表 2 岩 石强 度分级 评 价标 准 ～、 ＼ 级 别 稳定 较稳定 不稳定 极不稳定 项目、、 Vl v2 v3 V4 单向抗压强度／ MP a 8 0 7 0 5 0 4 0 岩 性 粗砂岩 细砂岩 泥岩 根土岩 视 电阻率 ／ n m 7 5 6 5 4 5 3 5 伽玛伽玛 1 0 脉冲／ rai n 4 ． 2 4 ． 5 5 ． 0 5 ． 2 沉积环境 分流河道 分流问湾 决 口扇 天然堤 表 3 构 造裂 隙发 育程 度评 价标 准 ＼级 别 稳定 较稳定 不稳定 极不稳定 项目 ＼ Vl v 2 v 3 V 4 裂隙率 条／ m 2 4 7 2 0 岩芯采取率／ ％ 9 0 8 0 6 0 5 0 岩芯 完整 性／ o n 2 0 l 5 l 0 5 2． 2． 2综合评判化 根据上述的公式进行 运算 ， 具体过程为 确定隶 属函数一 一 级综合评判一二级综合 评判一 计算最终得分一划分 顶板稳 定性 级 别 。 表 4 分层 厚 度评 价标 准 ～～ ＼ 级 别 稳定 较稳定 不稳定 极不稳定 项目、、＼ Vl v2 v3 V4 钻探分 层 ／ o n 5 0 4 0 2 0 l 0 测井分层 ／ o n 5 0 4 0 2 0 l 0 通过对研究区 1 5号煤层顶板 1 2 5个可利用钻孔 的综合评判 得出如下结果 见表 5 。 通过与沉积环境对比发现 ， 1 5号煤层顶板稳定性分区呈现以 下规律 稳定区主要与分流河道砂岩分布 的范围相 当， 较稳 定区 主要与分流间湾的分布范围一致 ， 而不稳定 区主要是决 口扇 、 河 漫湖泊和沼泽发育的地方 ， 极不稳定 区则主要是天然堤或有断层 通过 的地方 。 表 5 l 5号煤层 顶 板综 合评 判结 果 稳定 较稳 定 不稳 定 极 不稳 定 Vl v2 v3 V4 钻孔数 2 6 7 3 l 8 8 所 占 比例 ／ ％ 2 0 ． 8 5 8 ， 4 l 4 ． 4 6 ． 4 由此看来 ， 构造运动破坏较轻微 的地 区， 煤层顶 板的稳 定性 主要是 由当时的沉积环境所决定的。 3 结语 综合以上分析 ， 合理选 择能反 映煤层顶稳 定性单项 地质 因 素 ， 应用模糊综合二级评判 ， 可 以极大程度地利用现 有勘探 成果 资料， 合理地考虑各种 因素来评判顶板的综合质量。该评判方法 简单 、 灵活， 评判结果较为准确 。 需要指出的是 ， 在评判标准中 ， 评判单因素的选取还存在 着 许 多需要完善的地方， 如水文地质条件和地应力状况是影响岩体 石 工程稳定性的主要因素之一， 但 由于可利用 的资料太少而无 法参加评判等等。 同时， 以往煤 田地质勘探的钻孔资料 中一些 能反映岩层 石 工程稳定性的描述和记 录往往不 太完整 ， 造成 了地质信 息 的浪 费， 所以， 要切实搞好煤 田地质勘探 阶段 或矿井补充勘探 阶段 的 煤层顶板稳定性研究 ， 必须 加强 质量管理 ， 使原始钻孔 地质资料 的记录与描述程序化 、 标准化 ， 测井等测试工作也要刻度化 ， 同时 对工作条件等因素也应有所记录。 参考文献 [ 1 ] 毕照华等． 煤矿顶板事故的防治[ M] ． 北京 煤炭工业 出版社 ， 1 991． [ 2 ] 贺仲雄 ． 模糊数 学及应用[ M] ． 天津 天津科学出版社 ， 1 9 8 3 ． Ev a l u a t i o n s me t h o d f o r c o a l s e a m- r o o f s t a b i l i t y i n g e o l o g i c a l s u r v e y s t a g e W EN Ho n g - we i YANG Xi a o - d o n g S h a n xi S y n t h e t i c a l P r o s p e c t i n g T e a m o fC o a l Ge o l o g y， J i n z h o n g 0 3 0 6 0 0，C h i n a A b s t r a c t Th e p r i n c i p l e u t i l i z i n g e x i s t i n g e x p l o r a t i o n d a t a t o e v a l u a t e t h e s t a b i l i t y o f c o a l s e a m- r o o f i s i n t r o d u c e d ．S i ngl e f a c t o r a n a l y s i s a n d s e c o n d a r y f u z z y s y n t h e s i s e v a l u a t i o n me t h o d a r e p r e s e n t ed ．Ap p l i c a t i o n s h o w t h i s me t h o d h a s s u c h a d v a n t a g e s a S s i mp l e an d fl e x i b l e wi t h h i g h p r a c t i cab l e v a l u e ． Ke y wo r d sc o a l g e o l o g i cal e x p l o r a t io n，c o a l s e a m r o o f s t a b i l i t y，s i n g l e f a c t o r a n a l ysi s ，f u z z y e v a l u a t io n 维普资讯