不规则边角煤块段煤层地质条件评价及分类

李智勇 屠世浩 屠洪胜 吴 其 陆阳杰 张能虎，2

（1.中国矿业大学矿业工程学院，江苏省徐州市，221008；2.西山煤电集团有限责任公司，山西省太原市，030053）

不规则边角煤块段煤层地质条件评价及分类

李智勇1屠世浩1屠洪胜1吴 其1陆阳杰1张能虎1，2

（1.中国矿业大学矿业工程学院，江苏省徐州市，221008；2.西山煤电集团有限责任公司，山西省太原市，030053）

针对矿井边角煤的赋存特征，采用模糊综合评价的方法，建立评价因素结构，构造隶属函数，从边角煤块段开采的总体方面对其煤层地质条件进行整体综合评价；根据评价结果对矿井边角煤块段进行地质条件分类，进而为边角煤块段采煤工艺的选择提供理论依据。

边角煤块段 地质条件 模糊综合评价

不规则边角煤块段的形状尺寸不规则，尺寸变化大，煤层厚度变化不稳定，开采条件复杂，使边角煤块段开采工艺合理选择缺乏理论依据。不规则边角煤块段煤层地质条件评价是从边角煤块段开采的总体方面进行综合评价，根据评价结果对边角煤块段进行地质条件分类，进而为采煤工艺方式选择提供理论依据。本文将采用目前应用比较成熟和可操作性较强的模糊综合评价方法进行评价。

1 模型构造

不规则边角煤块段煤层地质条件评价是对地质条件适应程度进行多层次综合评价，将单因素的评价按一定算法映射为一综合评价值，并以此综合评价值的大小来衡量评价样本属性的优劣程度。

设评价样本集X＝｛x1，x2，…，xn｝有m

评价因素，其指标矩阵：

由于每一评价因素构造了评价模糊隶属函数，上述指标值矩阵X可映像为指标隶属度矩阵R：

多重因素权重用W＝｛w1，w2，…，wn｝表示。综合评价模型选用加权平均型，即：

式中：bj——综合评价值。

2 模糊综合评价

2.1 评价的因素结构

不规则边角煤块段煤层地质条件诸因素间存在着或多或少的成因上的关系，但对于评价目的而言，如果同一层次因素不存在重叠、包含或者因果关系，层次间满足相关递进的关系，可以用层次分析法（AHP）建立因素的层次结构，如图1所示，该评价因素结构共包括9个复合因素和17个基因素。

图1 边角煤块段评价因素结构

2.2 评价因素隶属函数的构造

对于边角煤块段煤层地质条件的开采工艺性评价，评价因素的隶属函数是对某一地质因素变化对开采效果影响的模糊关系的定量描述，是模糊综合评价模型的基础。构造隶属函数可综合利用技术总结、科研成果、统计分析和专家经验，可采用统计分析法、待定系数法、多相模糊统计法等恰当的方法。

2.2.1 统计分析法

（1）煤层倾角的隶属函数

式中：αi——第i个见煤钻孔煤层倾角，（°）。

（2）煤层开采厚度H的隶属函数

式中：Hi——第i个见煤钻孔煤层厚度，m。

（3）工作面长度L的隶属函数

（4）工作面推进长度S的隶属函数

式中：Lmax——边角煤工作面的最大长度，m；

Lmin——边角煤工作面的最小长度，m；

S——工作面推进长度，m。

（6）推进转角度ω的隶属函数

（7）老巷覆盖度τ的隶属函数

式中：S″——边角煤块段内老巷覆盖面积，m2；

S′——边角煤块段的面积，m2。

2.2.2 待定系数法

煤层开采性、煤层变异系数、煤层坚硬性等因素与开采工艺指标之间统计关系不明显，选择适当的隶属函数曲线，最后拟合隶属函数的线性或非线性表达式。依次方法构造下列几个基因素的隶属函数。

（1）煤层开采性指数Km的隶属函数

式中：n＇——大于可采厚度的钻孔数，个；

n——全部见煤钻孔数，个。

（2）煤层变异系数γ的隶属函数

H——钻孔煤厚平均值，m；

Hi——钻孔见煤厚度，m。

（3）煤层坚硬性指数RA的隶属函数

式中：Re——夹矸岩石硬度，MPa；

Rc——煤的单项抗压强度，MPa；

G——夹矸系数。

（4）直接顶单向抗压强度的隶属函数

评价直接顶稳定性以直接顶岩层的单向抗压强度σ作为评价指标。

（5）老顶支撑性N的隶属函数

（6）伪顶厚度h0的隶属函数

（7）底板单向抗压强度的隶属函数

评价底板强度取直接底岩层的单向抗压强度RD作为主要评价指标。

（8）夹矸系数G的隶属函数

式中：Gi——第i个钻孔内煤层夹矸厚度，m；

Hi——第i个见煤钻孔煤层厚度，m。

（9）陷落柱强度指数k的隶属函数

式中：si——块段内第i个陷落柱影响面积，km2；

s′——边角煤块段开采面积，km2；

ηi——块段内第i个陷落柱破坏厚度与开采厚度的比值。

2.2.3 多元隶属函数法

依此方法可构造断层影响的多元隶属函数：

式中：q1——断层密度，单位面积内断层的条数，

q2——断层长度指数，是指块段单位面积内断层长度之和

q3——断层落差系数，用煤层开采厚度的对数函数进行修正，

n1——块段内的断层条数，个；

s——块段面积，km2；

li——第i条断层的长度，m；

hi——第i条断层的落差，m；

H——工作面开采厚度，m。

2.3 评价因素权重的确定

确定边角煤块段煤层地质条件评价因素的权重以开采规律为依据，以地质条件与开采工艺的相互适应性为主要内容，充分利用统计数据、研究成果和专家经验。目前最常用的方法有专家评分法和层次分析法等。本评价主要采用层次分析法确定出各平价因素的权重。

层次分析法的步骤为：构造判断矩阵，判断矩阵权重计算，判断矩阵一致性检验。

3 煤层地质条件分类及应用

3.1 煤层地质条件分类

本评价模型应用于不规则边角煤块段，根据各边角煤块段的综合评价值可将所评价的边角煤块段分成4个等级，见表1。

表1 综合评价结果分类表

3.2 工程应用

3.2.1 工作面概况

西曲矿边角煤2.3＃－6块段工作面位于北五盘区中部，北邻待采的22504工作面，南邻已经回采的22502工作面，工作面西北部为小窑破坏区。工作面所采煤层为2.3＃煤层，煤层厚度稳定，煤厚3.85～4.20m，一般厚4.05m；2.3＃煤层普遍含有一层夹矸，工作面直接顶为砂质泥岩，厚0.90m，上履细砂岩厚2.40m，直接底为砂质泥岩厚2.30m。工作面煤层倾角变化较大，煤层整体倾向南西，西南部倾角较大，东北部倾角较小，工作面煤层倾角4～16°，平均8°，该边角煤块段开采不受断层、陷落柱以及空巷的影响，工作面长为150m，推进长度为100m，开采过程中工作面长度不变，不需变向，块段煤层可采性为1。

表2 边角煤2.3＃－6块段评价因素隶属函数值

3.2.2 隶属函数值的确定

根据构造的评价因素的隶属函数，结合该边角煤块段的实际情况，计算各因素的隶属函数值见表2。

3.2.3 评价因素权重确定

经过对专家的咨询调查，对边角煤块段煤层地质条件多因素评价构成的判断矩阵的结果见表3～表8。

表3 A～B层判断矩阵

表4 B1～C判断矩阵

表5 B2～C判断矩阵

表6 B6～C判断矩阵

表7 B7～C判断矩阵

表8 B8～C判断矩阵

对以上判断矩阵进行一致性检验，当随机性比值CR＜0.1时，判断矩阵具有满意的一致性。检验结果见表9。

表9 判断矩阵CR值计算结果

对于不规则边角煤块段煤层地质条件的评价可构造A～B和Bi～C两层矩阵。

表10 各因素权重计算结果

（1）对于所构造的判断矩阵，用乘积n次方根法求相对权系数。

对于A～B矩阵：

对于Bi～C矩阵：

（2）C层基因素相对于A层的权系数可用式（23）计算，即：

最终计算出的复合因素及基因素的各权重系数合理，见表10。

3.2.4 综合评价结果

根据综合评价模型，计算出不规则边角煤2.3＃－6块段的煤层地质条件综合评价的结果为0.935，该块段地质开采条件为优，可以采用综采工艺进行开采。

4 结论

（1）应用边角煤块段煤层地质条件综合评价模型对西曲矿38个边角煤块段进行评价，其中地质条件为优的块段有27个，可采储量为5.3Mt，占该矿边角煤总可采储量的70.18%；地质条件为良的块段有6个，可采储量为1.37Mt，占18.12%；地质条件一般的块段有5个，可采储量为8.85Mt，占11.7%。

（2）边角煤2.3＃－6块段通过煤层地质条件综合评价结果为0.935，因而可以采用综采。综合考虑其现场的实际情况，采用MG250／600－WD型采煤机、ZZ5200／19.5／42型液压支架以及SGZ－764／630型刮板输送机配套开采，采出煤量为7.6万t，块段采出率为93%，块段净收益达4700余万元。

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[2] 张东升，徐金海.矿井高产高效开采模式及新技术[M].徐州：中国矿业大学出版社，2003

[3] 张东升，张吉雄，张先尘.工作面煤层地质条件开采工艺性的模糊综合评价[J].系统工程学报，2002（6）

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[6] 郭德勇，范金志，马世志等.煤与瓦斯突出预测层次分析－模糊综合评判方法[J].北京科技大学学报，2007（7）

Evaluation and classification of coal geology of mine irregular leftover coal

Li Zhiyong1，Tu Shihao1，Tu Hongsheng1，Wu Qi1，Lu Yangjie1，Zhang Nenghu1，2

（1.School of Mines，China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221008，China；2.Xishan Coal Electricity Group Co.Ltd.，Taiyuan，Shanxi 030053，China）

For the features of mine leftover coal，by using the fuzzy comprehensive evaluation method，establishing the evaluation of the factor structure and constructing the membership functions，the overall evaluation of the geological conditions of its coal seam from overall aspects of mine leftover coal were conducted.According to evaluation results，the classification of geological conditions for mine leftover coal were carried out，then the theoretical basis for mining technology to select mine leftover coal were provided.

mine leftover coal，geological conditions，fuzzy comprehensive evaluation

TD823.88

A

李智勇（1986－），男，江苏省沛县人，中国矿业大学硕士研究生，主要从事采矿方法与矿业系统工程方面的研究。

（责任编辑 张毅玲）