吉安煤业井下地质构造复杂程度评价

张 帆

（山西长治郊区三元南耀吉安煤业有限公司，山西 长治 046031）

吉安煤业位于山西省长治市西北约40km处，行政区划隶属山西省长治市郊区西白兔乡管辖。其地理坐标为东经113°00′48″～113°01′51″，北纬36°24′03″～36°25′18″。井田范围为一不规则多边形，东西长1.215km，南北宽2.50km，面积为1.9707km2。井田内主要含煤地层为二叠系下统山西组，煤层厚度为10.75～12.95m，平均厚11.47m，为本区的主要含煤地层之一。含煤2～4层，其中3号煤层全区可采，其余煤层均不可采。煤矿基建期间，巷道掘进过程中对首采工作面（3102工作面）的3102运输巷、3102回风巷的3号煤层煤厚进行了探测和编录，实测8个见煤点，在主、副立井的建设过程中也有见煤点。长治市高原综合勘探工程有限公司编制的《山西长治郊区三元南耀吉安煤业有限公司煤矿防治水分区管理论证报告》（晋能集团以晋能煤管函〔2017〕356号文批复），将井田3号煤层划分为2个可采区、4个缓采区。可采1区位于井田的北部，由15个坐标点圈定，面积201939.17m2；可采2区位于井田的中部，由37个坐标点圈定，面积622770.73m2；缓采1区位于井田北部，由17个坐标点圈定，面积60922.24m2；缓采2区位于井田中部，由13个坐标点连续圈定，面积119566.68m2；缓采3区位于井田中部，由5个坐标点连续圈定，面积6586.80m2；缓采4区为井田南部，由43个坐标点连续圈定，面积365656.14m2。

1 开采区域地质构造情况

受区域构造的影响，可开采3号煤层内构造总体为近北东东向的宽缓褶曲，倾角2～3°，局部可达10°。现分述如下：

S1背斜：位于井田北部，补5号钻孔西、中村东一带，轴部走向约N45°E，井田内延伸长749.00m。S2向斜：位于井田中部，补3号钻孔西、南村西一带，轴部走向约N50°E，井田内延伸长1036.00m。S3背斜：位于井田中南部，补3号、补2号钻孔一线，轴部走向约N55°E，井田内延伸长937.00m。S4向斜：位于井田南部，28号钻孔南、南村南一带，轴部走向约N80°E，井田内延伸长1137.00m。

另据基建期间3号煤层采掘揭露情况，吉安煤矿3号煤层可采1区开采过程中揭露小型断层12条，小断层走向以NW（315°）和NWW为主，其次为NE（45°）和NEE向。断层倾向以SW（225°）和SSW（205°）占优，其次为NE（55°）和NW（315°），近EW较少。3号煤层可采1区范围内走向NW（315°）断层如图1所示。

图1 走向NW（315°）断层示意图

2 地质构造情况以及发育特征

2.1 评判指标类型

根据吉安煤矿3号煤层可采2区范围内井下地质构成状况及采掘方式，创建相应的构造评价指标，以便对可采2区地质情况进行综合评价、预测。本文根据矿井实际情况，创建构造指标和经济指标进行评价。

（1）构造指标

①井下断层的发育程度可通过断层的密度统计评价，其计算如公式（1）所示：

式中：

M-断层的密度；

n-断层的数量，条；

S-统计范围内的面积，万m2。

②井下断层的强度指数能够表征断层发育的规模，计算方法如公式（2）所示：

式中：

F-井下断层强度指数；

Hi-断层落差，m；

Li—断层走向长度，m；

S-代表统计范围内的面积，万m2。

③断层与煤层夹角即为断层走向指数，此角度越小则越会影响到安全开采，其计算如公式（3）所示：

式中：

Q-断层走向指数；

θ-每条断层和煤层之间的夹角，（°）；

S-统计范围内的面积，万m2。

④岩层褶皱发育程度即为岩层褶皱强度指数，计算如公式（4）所示：

式中：

D-褶皱强度指数；

di1-岩层单元体内等高线长度，m；

di0-岩层单元长度，m。

（2）经济指标

在煤层开采过程中，由于地质构造缺陷，会使得某部分区域不能被开采，通过经济指标来反映地质状况影响程度，其计算方法如公式（5）所示：

式中：

P-开采面积损失系数；

S1-地质情况导致的不能开采区域面积，万m2；

S0-总统计面积，万m2。

2.2 权重集

对于问题研究过程中的参数影响占比问题，常常采用权重系数来表明各项参数的相互关系以及对结果的重要程度。本文采用灰色关联法来分析权重集，将煤矿企业效益作为评价结果，地质情况作为子因素，从而分析得出综合分析情况下的评价指标权重系数，计算如公式（6）所示：

式中：

∂-第j个因素的权重系数；

γ(j,0)-第j个因素与评定结果的关联水平，j=1,2,3...m。

2.3 构造复杂程度的灰色预测

构造复杂程度的灰色预测对于参数数量要求尽可能低，以此有利于快速计算，但必须保证预测结果与实际情况误差水平。本文以指标联系为研究，因此采用GM（0，N）灰色预测模型，数学模型利用零阶微分方程来完成，其模型计算如公式（7）所示：

式中：

a、bi—常数；

Xi(1)—第i个变量数据的累计运算，i=1,2,3...n；

灰色预测过程中，首先对子、母因素进行确定，创建数据序列，并对原始参数累计计算；然后采用最小二乘法对系数向量进行求解；最后检验精度并作出评价指标。

3 未采区构造复杂程度的评价和预测结果分析

通过统计整合钻孔资料，对3号煤层可采1区范围内的地质构造状况进行分析，进而建立评价指标对3号煤层可采2区内地质构造进行评价和预测。

将3号煤层可采1区内底板等高线以110×110m2的规格划分成50个单元。从而根据各个指标的数学模型统计各个单元节点的取值。

在3号煤层可采1区内底板等高线以110×110m2的规格进行划分后，通过GM(0，N)模型可创建各个指标的预测模型：

（1）断层强度指数（F）=119.71+1.49X+22.18∂；

（2）断层密度指数（M）=1.19-0.02X-0.08∂；

（3）断层走向指数（Q）=46.68+0.98X+22.98∂；

（4）褶皱强度指数（D）=0.13+0.01X+0.47∂。

把未开采区域各指标参数代入预测模型，可计算得出评价预测值，汇总后部分结果如表1所示。

根据《吉安煤业3号煤层地质构造工作规定》中4类划分法，将吉安煤业3号煤层可采2区内地质构造复杂程度划分为4个等级，其中I为简单构造区域，Ⅱ相对复杂构造区域，Ⅲ较复杂构造区域，Ⅳ复杂构造区域。结合吉安煤业井下地质构造特点，得到各构造等级所对应的评价指标的取值范围，如表2所示。

根据以上评价指标和吉安煤业3号煤层地质构造复杂程度划分，通过灰色预测法计算得出吉安煤业3号煤层可采2区内的评价结果如表3所示。

表1 评价指标预测结果统计表

表2 吉安煤业地质构造评价指标的取值

表3 未开采区综合评定结果统计表

在表3中，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ分别代表简单区域、相对复杂区域、较复杂区域和复杂区域。简单区域开采安全，相对复杂区域需控制围岩可靠性后可开采，较复杂区域不适宜开采，复杂区域不能开采。

4 结 论

本文在对煤矿井下地质构造研究的基础上，整合开采资料以及构造复杂模型方案，对矿区未开采区域作出了复杂地质构造评定，通过模型预测计算后得出此未开采区域内的适宜开采区域比例达到64%，通过控制围岩稳定的可开采区域比例为28%，并且此开采区域不存在不可开采的复杂区域，综合评定吉安煤业3号煤层可采2区范围内地质构造复杂程度为简单类型。