地质构造对煤层复杂性影响的定量评价方法探析

王爱凤

摘要：介绍了影响煤层复杂性的因素，依次分析了褶皱和断层对煤层复杂性影响的定量评价方法，并建立了合理的评价指标体系和模型，最后结合实例验证了此评价方法的可行性。

关键词：地质构造；煤层复杂性；定量评价；模糊评价模型

中图分类号：P628+.1文献标识码：A 文章编号：2095－6835（2014）09－0157－02

我国煤炭储藏量较为丰富，在长期开采利用中，露天煤矿越来越少，井工煤矿成为今后的主要开采方向。由于井工煤矿开采带有一定的危险性，因此对开采工艺要求更加严格。回采工艺和回采率受赋存状态的影响，赋存状态不同，煤层的复杂程度也不同。因此，要提高煤矿开采水平，就应该加大对煤层复杂性的研究。就目前情况来看，国内对煤层复杂性的定量评价主要采用半定量方法，在量化方面极为欠缺。这是因为量化指标不统一，无法准确把握煤层复杂程度，容易导致设计不合理，甚至影响到最终的开采效果。

1煤层复杂性

煤层分布复杂，受很多因素的影响，其影响因素大致分为可控因素和不可控因素两类。可控因素主要是指一些安全类因素，包括煤层硬度、瓦斯级别、水文环境、自燃性和爆炸性等；不可控因素主要是指地质构造、厚度变化、顶板底板条件、岩溶塌陷、煤层倾角、含夹矸层数、岩浆埋入深度等几何类因素。在这些因素中，地质构造是引起煤层赋存状态复杂的重要因素之一。这是因为煤自身就是植物埋于地下，经长期的物化作用和地质作用形成的，它直接影响着煤层的形态、厚度变化和开采难度。地质构造种类繁多，其规模、形式等都有所差异，对煤层形成环境的影响也不尽相同。煤层复杂度综合反映了各种因素对煤层影响的程度，是为了能够定量表现煤层复杂性而引进的概念，其取值范围在0～100之间。取值越大，表明煤层越复杂，相应的开采难度就越大。

2地质构造对煤层复杂性影响的定量分析

在地壳运动或外力作用下，地壳内部岩层会发生一定程度的变形或移位，从而形成各种形态的地质构造。地质构造包括褶皱、断裂、倾斜构造、水平构造等。以下主要从褶皱和断层两方面分析地质构造对煤层复杂性的影响。

2.1褶皱对煤层复杂性影响的定量分析

煤层倾角变化是分析皱褶对煤层复杂性影响时考虑的重要指标，但很难对其进行明确的分级。煤层倾角具有变动性，很难对其进行准确计算，尤其是在复杂的煤层中，其倾角变化更难把握，因此，一般采用某范围内煤层在倾向或走向上的曲率变化次数和倾角变化处的曲率半径这两个指标分析褶皱对煤层复杂性的影响。此处的曲率是表示曲线弯曲程度的一个量，其倒数就是曲率半径。我国煤炭资源丰富，各个矿区都有其相应的赋存条件。如果赋存较稳定，其倾角所在区域通常较大，比如1 000 m×1 000 m范围；如果赋存较复杂，其倾角所在区域通常较小，比如在100 m×100 m范围内没有明显的变化；如果是400 m×400 m区域，那么变化则很大。在地质条件较为复杂的煤层中，为使其复杂性评价更科学，常以开采单元进行每层的复杂性评价。

2.2断层对煤层复杂性影响的定量分析

在判断断层规模时，常将断层落差作为重要指标。然而，受诸多因素的影响，断层落差并不能全面反映煤层的复杂性。比如倾角较缓和较陡的断层，其落差即便一致，对煤层的破坏程度也有所差别。因此，应将断层倾角也纳入考虑范围，并结合采煤方法、煤层厚度等因素分析煤层的复杂性。比如落差一致的断层，对综采和炮采两个工艺的影响各不相同，对薄煤层和厚煤层的影响也不一样。此外，断层密度、宽度、延展长度和导水性都会影响煤层的复杂性。

3煤层复杂性的定量评价方法

3.1建立合理的评价指标体系

评价指标与评价结果密切相关，为更好地完成对煤层复杂性的分析，将褶皱和断层作为一级评价指标。同时还需考虑断层落差、密度、宽度、导水性、倾角等因素，将这些因素作为定量分析断层对煤层复杂度影响的二级评价指标。在褶皱方面，则主要考虑曲率变化次数和曲率半径，并将其作为定量分析褶皱对煤层复杂度影响的二级评价指标。

3.2指标标准化和模糊评价模型

在以往研究中，对各项评价指标均有分类，但由于级差、量纲的差异，其分类并不科学。有些指标数值较大，所占的比例和所起的作用也大；数值较小的指标，则所占的比例和所起的作用都较小，这样极易造成评价值不准确。因此需要对各项指标进行标准化处理，使其贡献率接近一致，缩小它们之间的差距。

权重系数是反映各个指标对煤层复杂性影响程度的关键，因此，在指标标准化完成后，应及时确定各个指标的权重值，进而展开综合评价。在评价中，可将总分设置为100分，100分表示煤层最复杂、最不稳定，0分表示煤层最简单、最稳定。将煤层按复杂程度分为以下四类：①0～25分，稳定；②25～50分，比较稳定，略带复杂；③50～70分，不稳定，比较复杂；④75～100分，极不稳定，最复杂。综合各种因素，利用模糊数学相关知识，建立评价模型式，以层次分析法确定各指标的权值，可用公式表示为：

F＝ wiFi. （1）

式（1）中：n——评价指标系数；

wi——第i项评价指标的权重值；

Fi——第i项评价指标的评价值。

3.3合理确定评价指标权重

层次分析法集定性、定量分析法于一体，其应用通常有四道程序：建立问题的地阶层次结构模型、构造各层次的所有判断矩阵、层次单排序和一致性检验、层次总排序和一致性检验。按照对煤层复杂性影响的重要程度完成各指标的排序，并建立起比较判断矩阵。一致性检验合格后，通过规范列平均法对矩阵进行归一化处理，并最终求得各个指标的权重值。经计算，断层和褶皱的权重向量依次为：（0.24，0.15，0.09，0.05，0.03，0.44）T、（0.13，0.87）T。

4煤层复杂性的定量评价实例分析

4.1地质构造条件

某煤矿A段，煤层总体走向80°～90°，倾向N350°～360°；采区内没有较大的断层，小断层数量较多，每千米至少有6条断层，且为正断层；断层落差在0.5～2.5 m，宽度小，倾角在60°以上，导水性较好；存在褶曲轴部，平均倾角为18°，采区内的煤层受褶皱影响1次，曲线半径为295 m。

4.2复杂性评价

选取曲率半径、曲率变化次数、断层落差、断层倾角、断层导水性、断层带宽度、断层密度和断层延展长度共8个指标，结合各自的权重向量，最终计算出煤层复杂性评价得分为34.25分。由此可知，该段煤层复杂度属于比较稳定的一类。

5结束语

煤层埋于地下的时间和所受的作用力不同，其形成状态也有很大差别，在开采时需选择相应的开采技术。煤层复杂程度评价值能够科学地指导开采工作，并有助于合理选择采煤方式。因此，可通过对煤层复杂程度的研究，进一步提高煤矿的开采技术水平。建立基于地质构造条件的煤层复杂性模糊综合评价方法，并以褶皱和断层为主要影响因素，建立多级评价指标体系，在煤矿开采中值得推广和应用。

参考文献

［1］霍丙杰，张宏伟，韩军.地质构造对煤层复杂性影响的定量评价方法［J］.煤田地质与勘探，2012，20（3）：132-134.

［2］霍丙杰.复杂难采煤层评价方法与开采技术研究［D］.阜新：辽宁工程技术大学，2010.

［3］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，2007，19（4）：116-118.

〔编辑：刘晓芳〕

About the Impact of Complexity of Coal Seam Geological Structure Analysis of Quantitative Evaluation Method

Wang Aifeng

Abstract: The complexity of factors affecting coal, followed by analysis of the quantitative evaluation method folds and faults affect the complexity of coal, and the establishment of a reasonable evaluation index system and model, and finally with an example to verify the feasibility of this evaluation method.

Key words: geologic formations; seam complexity; quantitative evaluation; fuzzy evaluation model