地质构造对煤层复杂性影响的定量评价方法、.pdf
第 40 卷 第 3 期 煤田地质与勘探 Vol. 40 No.3 2012 年 6 月 COAL GEOLOGY coal seam complexity; uation ; quantitative uation 煤层赋存状态对矿井采掘巷道的布置、回采工 艺、工作面的单产与回采率等有重要的影响。不同 赋存状态的煤层具有不同的复杂程度,所以可以通 过研究煤层复杂程度来研究煤层的开采技术。我国 煤层稳定与复杂程度定性分类方法一直采用前苏联 “煤及油页岩勘探规范”的半定量方法,即把煤层分 为稳定型、较稳定型、不稳定型和极不稳定型 4 个 级别,对煤层稳定性只规范了概略性的评价,缺少 量化概念[1-2]。由于没有一个确切的量化指标来评价 煤层的复杂程度,使得在矿井开采设计和采煤方法 的选择上往往多凭经验,有时会导致采煤方法选择 不合理,造成采掘工程量的浪费。 1 煤层复杂度及其影响因素分析 煤层的复杂性受诸多因素的影响和控制,其总 体可分为几何类因素和安全类因素两类,前者属于 不可控因素,后者属于可控因素。几何类因素对煤 层复杂性的影响占主导地位。几何类因素主要包括 煤层赋存的地质构造环境、煤层倾角、煤层厚度变 化、煤层顶底板条件、含夹矸层数及厚度、岩溶塌 陷及岩浆侵入和埋藏深度等;安全类因素主要包括 水文环境、瓦斯等级、煤层自燃发火性、煤尘爆炸 性、煤层硬度和地质力学环境等。地质构造是引起 煤层赋存状态复杂的重要因素之一,其对煤层的形 态、倾角和厚度的变化以及对煤田勘探、煤层开采 的影响均很大。不同的大地构造单元、不同的构造 形式、不同的构造规模及密度,对煤层地质构造环 境、煤层的叠加和改造作用有着不同影响,所以, 这些影响因素对煤层复杂性的影响程度不同[3-5]。 为了定量描述煤层复杂程度,引进煤层复杂度 14 煤田地质与勘探 第 40 卷 的概念。煤层复杂度是综合反映煤层受几何类因素 和安全类因素影响的程度,其取值范围为[0,100]。 复杂度值越大,表明煤层越复杂,开采越困难;复 杂度值越小,表明煤层越简单,开采越容易。 2 地质构造对煤层复杂性影响的定量分析 影响煤层复杂性的因素有很多,其中关键性因 素是地质构造。下面通过地质构造对煤层复杂性影 响的定量分析, 来探讨煤层复杂性定量化评价方法, 从而实现煤层复杂性定量评价。 地质构造对煤层复杂性的影响主要从断层和褶 曲两方面分析。 2.1 断层对煤层复杂性影响的定量分析 断层落差是评价断层规模的基本指标,但是, 研究断层对煤层复杂性的影响不能只考虑断层落 差,例如,缓倾角断层和陡倾角断层,即使两者落 差相同,其对生产的影响和对煤层的破坏程度也不 同。因此,研究断层对煤层复杂性的影响时,除了 考虑断层落差外,还应考虑断层倾角等因素。同时, 还要参照煤层厚度、倾角和采煤方法等,如相同落 差的断层,对厚煤层影响较小,对薄煤层影响较大; 对炮采影响较小,对综采影响较大。断层构造各种 指标对煤层复杂性影响程度的分析见表 1,通过对 反映断层构造的各种指标的多级划分及不同级对煤 层复杂性的影响分析,实现断层指标对煤层复杂性 的定量评价。 2.2 褶曲对煤层复杂性影响的定量分析 褶曲分级指标较难确定,褶曲对煤层的影响主 要体现在煤层沿走向和倾向上倾角的变化,其在顺 层巷道中比较容易追索和查明。所以,褶曲构造对 煤层的影响主要用煤层倾角的变化来表示。为了定 量研究复杂煤层倾角的变化程度,可通过研究煤层 倾角变化处曲率半径的大小和一定范围如被评价 煤层或采区、工作面等开采单元内煤层在走向或倾 向上曲率变化次数这两个指标,来分析褶曲对煤层 复杂性的影响情况表 2。 曲率是表示曲线弯曲程度 的量,曲率越大表示曲线的弯曲程度越大,曲率半 径为曲率的倒数。 通过对我国不同矿区煤层赋存条件调研和分 析,通常赋存较稳定的煤层其倾角在一个较大的区 域,如 1 000 m1 000 m 范围,甚至更大的区域变 化不大, 如神东矿区和南票矿区煤层赋存形态图 1、 图 2。复杂煤层其倾角在一个较小的区域,如 100 m100 m 范围变化不大,但是在一个相对较大的区 域内300 m300 m变化很大,如北京大安山矿煤层 赋存形态图 3。对于地质条件复杂的煤层,就 表 1 断层对煤层复杂性的影响程度 Table 1 The impact of faults on coal seam complexity 断层指标 断层指标 评价等级划分 断层对煤层 影响的重要 程度分析 影响程度 30 0.75 0.30 60 00.25 4560 0.250.50 2545 0.500.75 倾角/ 0.75 0.25 20 0.75 0.20 不导水 00.25 差 0.250.50 较好 0.500.75 导水性 好 0.75 0.15 2 000 0.75 0.10 0 00.25 12 0.250.50 25 0.500.75 断层密度 /nkm-1 5 0.75 1 注1. m1煤层厚度; n/km开采单元内煤层沿走向每 km 的断 层个数。 2. 影响程度的大小,表示各指标对煤层复杂性影响的重要程 度,不参与评价计算。 表 2 褶曲煤层倾角变化对煤层复杂度的影响 Table 2 The influence of folds variation of seam dip on coal seam complexity 曲率半径/m 曲率变化 次数 /nkm−1 1 0001 000100 10010 10 0 0.100.100.20 0.200.30 0.300.40 13 0.200.200.30 0.300.40 0.400.50 35 5 0.80 图 1 神东矿区煤层赋存形态 Fig. 1 The occurrence state of coal seam in Shendong mining area 整个煤层来说,有的区域煤层赋存复杂,有的区域 则相对稳定,如在褶曲的轴部等。从大区域来说, 整体是复杂的,但是对于某些开采单元,煤层赋存 第 3 期 霍丙杰等 地质构造对煤层复杂性影响的定量评价方法 15 图 2 南票矿区煤层赋存形态 Fig. 2 The occurrence state of coal seam in Nanpiao mining area 图 3 大安山矿煤层赋存形态 Fig. 3 The occurrence state of coal seam in Da’anshan mining area 条件可能相对简单。所以,以开采单元进行煤层的 复杂性评价是科学而有意义的。 3 地质构造对煤层复杂性影响的定量评价方法 3.1 评价指标体系的建立 评价指标的选择,直接关系到评价结果的准确 程度。通过分析地质构造对煤层复杂性的影响,选 择断层和褶曲为地质构造对煤层复杂性评价的一级 评价指标[6]。进而,选择断层落差、断层倾角、断 层带宽度、断层导水性、断层延展长度和断层密度 作为定量分析断层对煤层复杂度影响的二级评价指 标为了简化评价体系,将断层密度和断层产状的各 指标划为一类指标;选择曲率半径和曲率变化次数 作为定量分析褶曲对煤层复杂度影响的二级评价指 标。各二级指标的三级划分及各级指标的层次关系 见图 4。 图 4 地质构造对煤层复杂性影响评价指标体系 Fig. 4 The uation system of the impact of geological structure on coal seam complexity 3.2 指标的标准化及模糊评价模型的建立 由于各个分类指标类型、量纲不同,同时,指 标间数量级差别较大,为避免因各指标所取数值差 别太大引起评价值不准确即数值较大的指标在分 类时所起的作用大,而数值较小的指标在分类时所 起的作用小,甚至被淹没,使各个指标对分类具有 相同的贡献率,将上述分类指标进行标准化处理, 使各个指标的数值在相同的数量级上[7]。各个指标 在评价中对煤层复杂性影响程度的大小通过指标的 权重系数体现。 指标标准化处理后,通过确定煤层复杂性各项 指标的权重值, 就可以对煤层复杂性进行综合评价。 把煤层复杂性的综合评分满分定为 100 分,100 分 表示煤层最复杂,0 分表示煤层最稳定、最简单; 将煤层按复杂程度划分为 4 类,划分类型及划分标 准见表 3。根据煤层复杂性影响因素特点及评价指 标体系,应用模糊数学建立煤层复杂性评价的模型 式1,应用层次分析法确定各指标的权值。 1 n ii i Fw F ∑ 1 式中 Fi为第 i 项评价指标评价值;wi为第 i 项评价 指标的权重值;n 为评价指标数目。 3.3 评价指标权重的确定 层次分析法是一种定性与定量分析相结合的多 目标决策分析方法[8], 运用层次分析法解决问题分 4 步建立问题的递阶层次结构模型;构造出各层次 16 煤田地质与勘探 第 40 卷 表 3 煤层复杂性分类及划分标准 Table 3 The criterion for coal seam complexity classification 煤层复杂度 类型 稳定 不复杂型 较稳定 稍复杂型 不稳定 较复杂型 极不稳定 特复杂型 复杂度评价值 <25 2550 5075 >75 中的所有判断矩阵;层次单排序及一致性检验;层 次总排序及一致性检验。 一致性检验用于检验判断矩阵的合理性。判断 矩阵的一致性检验方法如下。 a. 计算一致性指标 CI max 1 n CI n λ− − 其中 max λ为判断矩阵的最大特征值, 用 MATLAB 软件的矩阵计算功能求得; n 为判断矩阵的阶数,据 阶数查找相应的平均随机一致性指标 RI 值。 b. 计算一致性比例 CR CI CR RI 当10. 0CR时,认为判断矩阵的一致性可以接受, 否则应对判断矩阵作适当修正。 根据生产实践对影响煤层复杂性的各指标的重 要性进行排序,建立比较判断矩阵,并对其进行一 致性检验,检验合格后,采用规范列平均法对判断 矩阵进行归一化处理,求取各指标的权重。现以曲 率半径为例介绍应用规范列平均法求权重的过程, 其他指标权重的计算过程从略,只写出权重的求解 结果。 曲率半径的判断矩阵 C1 D11 D 12 D 13 D 14 D 11 1 1/3 1/5 1/7 D 12 3 1 1/3 1/5 D 13 5 3 1 1/3 D 14 7 5 3 1 λmax 4.117 0; CI0.039 0; RI0.890 0; CR0.043 8 曲率半径的判断矩阵列求和 C1 D11 D 12 D 13 D 14 D 11 1 1/3 1/5 1/7 D 12 3 1 1/3 1/5 D 13 5 3 1 1/3 D 14 7 5 3 1 列求和 16 28/3 68/15 176/105 求曲率半径的标准判断矩阵,并求标准判断矩 阵的行平均值,即各因子的权重 C1 D 11 D 12 D 13 D 14 行平均值 D 11 0.06 0.04 0.04 0.09 0.06 D 12 0.18 0.11 0.07 0.12 0.12 D 13 0.31 0.32 0.22 0.20 0.26 D 14 0.44 0.54 0.66 0.60 0.56 由行平均值可知,曲率半径 C1的权重向量 1 0.06,0.12,0.26,0.56Tw 用同样的方法,求得其他指标的权重向量如下 曲率变化次数的权重向量 2 0.04,0.14,0.31,0.51Tw ; 断层落差的权重向量 3 0.05,0.14,0.27,0.54Tw ; 断层倾角的权重向量 4 0.04,0.09,0.30,0.57Tw ; 断层导水性的权重向量 5 0.05,0.10,0.25,0.60Tw ; 断层带宽度的权重向量 6 0.04,0.09,0.26,0.61Tw ; 延展长度的权重向量 7 0.05,0.10,0.28,0.57Tw ; 断层密度的权重向量 8 0.04,0.11,0.23,0.62Tw ; 褶曲权重向量 z 0.13,0.87Tw ; 断层权重向量 0.24,0.15,0.09,0.05,0.03,0.44T d w ; 煤层复杂性权重向量 0.58,0.42Tw。 4 北京大安山矿采区煤层复杂性评价实例 4.1 680 m水平西三采区轴9上煤层地质构造条件 北京大安山矿680 m 水平西三采区位于百草 台箱型倒转向斜轴底图 5,煤层总体走向 8090, 倾向 N350360。采区煤层赋存在褶曲轴部,采区 内煤层受褶曲影响 1 次,煤层倾角变化在 1526, 平均倾角 17,由几何关系分析得,褶曲处曲线半 径约为 297.9 m。 采区内没有较大断层,但小断层发育,断层密 度较大,断层数大于 5 条/km;断层性质大部分为正 断层; 断层落差在 0.502.50 m;据巷道和工作面揭 露观测,断层倾角均在 60以上;断层带宽度较小, 均小于 5 m;断层延展长度较小,为 20500 m;因 断层大部分为张性断层正断层,因而具有较好的 导水性。 4.2 680 m水平西三采区轴9上煤层复杂性评价 4.2.1 680 m水平西三采区轴 9上煤层复杂性评价 指标判别 据680 m水平西三采区轴 9 上煤层地质构造条 件分析,其煤层复杂性评价指标判别结果见表 4。 第 3 期 霍丙杰等 地质构造对煤层复杂性影响的定量评价方法 17 图 5 大安山矿680 m 水平西三采区轴 9 上煤层底板等高线 Fig. 5 Contour line of 9 coal seam floor of the west 3th mining area in 680 m 表 4 大安山矿680 m 水平西三采区轴 9 上煤层复杂性评价指标判别表 Table 4 The coal seam complexity uation index of the upper coal seam at axis 9 in west 3td mining area at 680 m level 曲率半径 C1 曲率变化次数 C2 断层落差 C3 断层倾角 C4 指标 D11 D 12 D 13 D 14 D 21 D 22 D 23D 24D 31 D 32D 33D 34D 41 D 42 D 43D 44 判别 1 1 0 0 1 1 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 断层导水性 C5 断层带宽度 C6 断层延展长度 C7 断层密度 C8 指标 D 51 D 52 D 53 D 54 D 61 D 62 D 63D 64D 71 D 72D 73D 74D 81 D 82 D 83D 84 判别 1 1 1 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 1 1 1 注 判别结果 1 指被评价煤层的特征符合复杂性评价指标所描述的情况; 判别结果 0 指被评价煤层的特征不符合复杂性评价指标所描述 的情况。 4.2.2 680 m 水平西三采区轴 9 上煤层复杂性评价 结果 由680 m水平西三采区轴 9 上煤层各评价指标 的识别结果及各级评价指标权重向量,计算出煤层 复杂性评价得分为 33.70。 由煤层复杂度分类及划分 标准可知,680 m 水平西三采区轴 9 上煤层复杂度 属于Ⅱ类-较稳定稍复杂型。 5 结 语 a. 煤层经过原生沉积因素和后生改造因素的 影响,煤层赋存形态差异很大,而不同赋存状态的 煤层需要不同的开采技术。研究煤层复杂性评价方 法,可以将不同赋存形态煤层的复杂性定量化,从 而建立“煤层复杂度”与采煤方法之间的对应关系, 为煤矿开采设计中采煤方法的选择提供依据。 b. 提出了“煤层复杂度”概念,并用该概念对煤 层进行了定量分类。煤层复杂度评价值可用于指导 煤矿采区或工作面采煤方法的选择,实现采煤方法 选择的科学化。 c. 建立了基于地质构造条件的煤层复杂性模 糊综合评价方法。确定了以断层和褶曲为影响因素 的多级评价指标体系,基于模糊数学建立了评价模 型,应用层次分析法确定了各级评价指标的权重向 量。并应用该方法评价了北京大安山煤矿680 m 水 平西三采区轴 9 上煤层的复杂性。 参考文献 [1] 于莉莉,徐会,陈立云. 煤层稳定性定量评价之研究[J]. 中国 煤田地质,2007,19416−24. 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