东周窑矿5号煤稳定性定量评价与开采策略分析

温连祥，孙殿宇

(大同煤矿集团 同发东周窑煤业有限公司，大同　左云　037100)



·专题综述·

东周窑矿5号煤稳定性定量评价与开采策略分析

温连祥，孙殿宇

(大同煤矿集团 同发东周窑煤业有限公司，大同左云037100)

大同煤田东周窑井田太原组5号煤是主采煤层，但井田内煤层厚度、夹矸层数及厚度变化大，导致煤层稳定性复杂，开采洗耗大，影响着矿井生产能力。本文采用常规半定量评价法与多层次模糊判别法相结合，对井田5号煤稳定性进行定量评价，且明确了其分级分区，提出开采建议，为矿井安全高效生产提供可靠地质保障。

东周窑井田；5号煤；煤层稳定性；定量评价；半定量评价；模糊数学综合判别法

1　井田地质概况

东周窑井田位于山西省左云县城东，东起东周窑村，西至左云县城东，北起西堡村，南至井儿沟村，东西长约15.8 km，南北宽约14.4 km，井田面积约119 km2. 井田位于大同向斜西北翼，地层总体为宽缓的单斜构造，地层走向185°～190°，倾向95°～100°，倾角2°～10°，一般3°～5°，石炭-二叠系成煤后主要经历燕山运动多向伸展-挤压交替作用和喜山运动右旋剪切作用，形成井田内部NW、NNE和近EW向正断层和小型近NEE向褶皱，断裂与褶皱组合使井田北部局部构造复杂化，并伴生有陷落柱[1-3]. 井田内太原组5号、8号和山西组山4号煤是主采煤层，向北受到不同程度剥蚀，赋存边界各煤层不尽相同。由于印支期煌斑岩的侵入，5号与山4号煤层遭受不同程度破坏，使煤体结构变的更加复杂。

煤层稳定性直接关系到地质类型的合理划分和煤炭资源量的精确计算，同时还指导井田巷道布置和开采方式的合理选择，以确保资源的充分利用。因此，本次研究以井田目前开采的5号煤为例，采用半定量和模糊数学综合判别法对该煤层稳定性进行评价。

2　煤层分布特征

5号煤位于太原组顶部，是区内发育范围最广的主力煤层，仅在西北部局部区域缺失。目前，采用综采和放顶煤开采工艺。井田内钻孔见煤点238个，可采见煤点227，5号及5下煤(夹矸大于1.7 m的分层统计)厚度分布于0.30～15.18 m，3～8 m为主，平均厚度为5.24 m，标准差较大，为2.982. 煤厚变化具有分带性，厚煤多被NE-NEE向薄煤带分割，呈岛列片状分布(煤厚等值线圈闭)，主要分布在西北部、西部和东南部区域，厚度普遍大于6 m. 薄煤层为窄条带或鸡窝状，主要分布于井田西部，中部地区，厚度多小于2 m，多由河道冲刷、分叉所致；印支期煌斑岩的侵入、吞吃，导致北部薄煤层广泛分布，多为不可采煤层。同时，5号煤发育0～12层不等厚夹矸，平面上非均质性强。夹矸层数大于5层和单层最大厚度为0.75～1.0 m的煤层主要位于井田中西部，东部局部发育。

3　5号煤稳定性半定量评价

目前，根据《矿井地质规程》中相关规定，煤层稳定性研究过程中采用的方法主要是数理统计法，即运用概率论的基本原理对煤层厚度进行各种特征数分析，以此获得煤层稳定性类型的定量依据，其中最常用的特征数有可采性指数、平均厚度、标准差、变异系数等。在评价中还明确规定，薄煤层采用煤厚可采性指数(Km)为主要指标，煤厚变异系数(γ)为次要指标；中厚煤层与厚煤层则相反，以煤厚变异系数为主要指标，可采性指数为次要指标，并将煤层稳定性划分为稳定型、较稳定型、不稳定型、极不稳定型4类(表1)[4].

表1　煤层稳定性评价参照表

3.1主要参数计算公式

1) 煤层厚度变异系数(γ)是由标准差除以均值所得的百分数表示，是煤层厚度变化的良好定量指标，可准确地反映一定区域内煤厚的离散程度和整体变化。一般来说，煤厚变异系数越大，说明该地区煤层厚度变化越显著，煤层稳定性就越差。

煤层厚度变异系数：

式中：

Hi—各点测得的实际煤层厚度，m；

n—参与评价的见煤点数；

s—标准差。

2) 煤层可采性指数(Km)主要反映煤层厚度的可采性。通常，可采性指数越小，煤层可采性越差，也是确定煤层稳定性的主要参数。本次研究确定0.7 m为最低可采厚度。

Km=n′/n

式中：

Km—可采性指数；

n′—煤厚大于或等于最低可采厚度的见煤点数；

n—井田内参与煤厚评价的见煤点总数。

3.2稳定性半定量评价结果

本次研究选用煤厚变异系数和可采性指数作为主要指标，均值和标准差作为辅助指标，对井田内分布的280个钻孔进行整理和数理统计，评价结果见表2. 从表2可知，5号煤变异系数57%，可采指数95%，标准差2.98，整体属于不稳定煤层。但在不同采区，煤层稳定性有一定差异，可采性指数均在90%以上，变异系数变化大，为40%～67%，综合评价认为1、4采区为较稳定煤层；2、5、6采区为不稳定煤层；3采区为极不稳定煤层。

表2　5号煤及各采区稳定性评价表

4　5号煤综合定量判别

4.1模糊数学综合判别

由于煤层厚度变化的复杂性和不确定性，煤层稳定性的评价具有“模糊”特征，采用模糊数学构建的评价模型更能客观地反映地质现象[5-7]. 在煤层厚度、夹矸特征以及煤层形态定性分析的基础上，认为沉积作用、岩浆岩和构造是影响煤层稳定的三大地质因素，并结合井田采煤工艺，确定煤厚变异系数、夹矸层数、夹矸单层最大厚度和夹矸总厚度为主要影响因子，是三大地质因素的具体体现，进而建立5号煤稳定性综合评价模型(图1)，并确定各因子隶属度函数和权重(表3).

图1　5号煤稳定性模糊数学综合评价模型图

表3　煤层稳定性模糊判别模型影响因子隶属度函数与权重表

对井田内280个钻孔5号煤层各影响因子进行数理统计、归一化处理，经模糊数学综合评价模型分析，得出评价结果，见图2，其比定性-半定量评价范围更精确，可满足煤矿生产，具体表现为：煤层不稳定区和极不稳定区主要分布于2采区中部，3、4采区西部和6采区中部；不可采区分布在6采区以及3采区中部局部区域；1和5采区是煤层稳定区域。煤层稳定性的主要控制因素是聚煤期沉积作用差异和晚期煌斑岩的侵入，前者使煤厚变异系数和夹矸发育程度存在较大的平面非均质性；后者杂乱的侵入，将煤层吞吃、变薄，结构复杂，规律性不明。后期断裂和褶皱构造对稳定性影响次之，可使局部煤层缺失、变薄或加厚，在本次研究中，由断裂导致煤层缺失(煤厚等于0)的钻孔没参与数理统计，其不具有代表性。

图2　5煤层稳定性综合评价结果图

4.2开采对策

通过对5号煤层稳定性半定量-定量评价，可以更精确、实用地指导不同采区开采方向和产量预算，如井田东及南部1、5采区煤层较稳定-稳定型，结合煤底板等值线图，工作面应沿NNW向部署，煤层产出率高及洗耗低，是井田最佳赋煤区。在中西部2、3、4采区，煤层稳定性多为不稳定型，煤厚变化大及夹矸含量高导致煤产出率低、洗耗高和成本高，需结合煤底板等值线图、最大单层夹矸厚度底面构造图以及二者的间距综合优选巷道掘进或工作面回采底面高程，进而最大程度地提高资源利用率和产出率。在北东部6采区和1采区北部，由于煌斑岩的侵入，煤层变薄且结构复杂，多为不可采区，建议将采区西部可采区规划到2采区，减少不必要的投入。

5　结　论

1) 通过常规半定量与模糊数学综合判别法相结合的研究，明确了东周窑井田5号煤层稳定性平面分级分区，与矿井实际生产揭露煤层赋存状况吻合率高，进一步证实了本次方法的正确性与实用性。

2) 研究认为沉积作用和煌斑岩侵入是该井田煤层稳定性的主控因素，并应用结合评价结果，对采区边界调整、生产巷道部署、不同工作面煤炭储量、产出率和洗耗等方面的预测有一定的指导意义。

[1]李彩峰.大同煤田东周窑井田石炭二叠系煤炭资源评价[J].华北国土资源,2009(4):7-9.

[2]李祝平,李志君,王紫艳.山西省大同煤田左云县同发东周窑井田补充勘探报告[R].太原：山西省地质勘查局，2010:96-97.

[3]孙殿宇，张彦宏.大同东周窑井田构造演化与控煤作用研究[J].煤，2015(4):26-29.

[4]曹代勇.煤炭地质勘查与评价[M].北京：中国矿业大学出版社，2007:131-135.

[5]魏迎春，曹代勇，邓觉梅.煤层稳定性定量评价模型探讨[J].中国矿业,2010,19(9):89-92.

[6]乐志军，叶建，陈良立，等.多种方法评价龙氏煤矿二1煤层稳定性[J].山西焦煤科技,2014(5):43-46.

[7]刘衡秋，刘钦甫，孟召平.模糊综合评判在煤层顶板稳定性评价中的应用[J].煤田地质与勘探,2002,30(4):18-20.

Stability Quantitative Evaluation and Mining Strategy Analysis of No.5 Coal Seam in Dongzhouyao Coal Mine

Wen Lianxiang, Sun Dianyu

The No.5 coal seam of Datong coal field Dongzhouyao coal mine Taiyuan formation is mineable coal seams. Because of the large difference of coal thickness, number and thickness of rock parting, the coal seam shows complex stability, which influences mining wash consumption and production ability. The conventional semi-quantitative evaluation method combined with multilevel fuzzy discrimination method is adopted to quantitative evaluate No.5 coal seam stability. Classification and partition is determined. And puts forward suggestions, it provides reliable geological guarantee for mine safety and efficient production.

Dongzhouyao coal mine; No.5 coal seam; Coal seam stability; Quantitative evaluation; Semi-quantitative evaluation; Fuzzy mathematics synthetic discriminance method

2016-05-10

温连祥(1987—)，男，辽宁绥中人，2010年毕业于辽宁工程技术大学，助理工程师，主要从事煤田采矿与地质评价工作

(E-mail)359957622@qq.com

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1672-0652(2016)06-0053-04