煤層穩定性定量評價模型探討

魏迎春，曹代勇，鄧覺梅

(中國礦業大學(北京)煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，北京 100083)

煤層穩定性分類的正確與否，直接關系到地質勘探類型的合理確定和煤炭資源開發利用價值的正確評估，同時，還關系到礦井建設中工作面的布置及開采方式的選擇[1-3]。五十年來，我國一直沿用蘇聯“煤及油頁巖勘探規范”中提出的劃分方案，分為四類型：穩定型、較穩定型、不穩定型、極不穩定型。現行的《煤、泥炭地質勘查規范(DZ/T0215-2002)》采用三軸理論：經濟的、可行的、地質的劃分方案，未對煤層穩定性做出量化的規定[2]，只限于定性的描述。因此，在實際工作中，對于確定不同煤層的穩定性不易掌握，對勘探類型的劃分帶來一定的主觀隨意性。尤其是綜采技術的推廣,對煤層穩定性評價研究提出了更高的要求，使其成為綜采地質條件評價的主要任務[3]。所以，定量研究煤層的穩定性具有重要意義。

1 影響煤層穩定性的主要因素

煤層穩定程度主要是根據勘查區(井田)內煤層厚度、結構、煤質、煤類的變化及其可采性來確定的。一般煤層厚度、結構的變化和可采性直接影響勘查工程基本線距的確定和礦井建設的規模等。煤質煤類的變化往往小于煤厚的變化，所以煤層穩定性評價主要需要考慮煤層厚度、結構的變化，而煤質的變化一般不致影響勘查工程基本線距的確定[2]。

1.1 煤層厚度的變化

由于受煤層形成時基底構造、原始成煤環境、后期沖刷作用和構造作用的影響，造成不同煤田、礦井或同一礦井的不同采區、工作面的煤層厚度不同，或出現增厚、變薄現象。當煤層厚度小于實際開采高度時，在工作面煤壁表現為破頂或破底，給綜采設備維護帶來困難；當煤層厚度大于工作面實際開采高度并放頂煤時，由于煤層松軟，即以造成漏頂，給頂板管理造成困難。因此，開展煤層厚度及其變化研究，對采區的合理布置、采煤方法的正確選擇、儲量的準確計算、煤炭資源的充分回收等具有重要意義[3]。

國內外煤田地質、礦井地質以及數學地質工作者對影響煤厚變化的原因和控制因素進行了長期的研究，將影響到煤層穩定性和厚度變化的地質因素分為原生(包括同生)和后生的兩大類。原生控制因素主要包括成煤(沉積)環境、基底地形和起伏對煤層的控制作用，以及上伏砂巖對煤層的(同生)沖刷作用等因素；后生影響因素則主要包括差異壓實、構造變動、巖漿侵入、塌陷或陷落柱等因素[4]。

1.2 煤層結構的變化

根據煤層中有無其他巖石夾層的存在，煤層可分為兩類結構：不含夾石者稱簡單結構，反之復雜結構。煤層的結構對采煤方法、采掘機械的選擇和原煤質量等都有一定影響。當煤層中含有較厚夾矸時，可實行煤分層與夾石層的分采；當煤層結構復雜難以分采時，夾石將摻入煤中，使原煤質量降低。因此在煤田地質勘探階段，應當查明煤層結構，并做出原煤質量的初步評價。

煤層夾矸的物質來源取決于泥炭沼澤所處的沉積環境。與河流比鄰的泥炭沼澤，夾矸主要是越岸沉積物，有從懸浮物質中沉積下來的黏土、粉砂，具有底負載的砂礫堆積。泥炭沼澤外圍有火山或活動時，火山噴發物可形成煤層的夾矸。濱海泥炭，由于風暴、潮汐作用可能遭受海水內侵，形成碳酸鹽巖或硅質巖夾矸，常沿一定層位呈透鏡狀產出。此外，煤層中的夾矸也有可能是由于殘余礦物質形成的。總之，煤層中夾矸的巖石類型、層數、厚度和側向變化主要取決于沉積構造條件。下文所研究的煤層穩定性定量評價主要針對煤層厚度的變化，關于煤層結構的變化從另一方面考慮。

2 現有的煤層穩定性定量評價模型

煤層穩定性定量評價是在煤層變化規律研究基礎上，選取合適的定量指標，采用恰當的數學模型，以計算機技術為手段，對不同勘查區的煤層穩定性作出定量化的評價，并劃分出相應的煤層穩定性等級。關于煤層穩定性的定量評價研究，國外早在20世紀40年代便開始了，我國在這方面的研究是從20世紀50年代開始的，20世紀70年代以來這方面的討論日益增多，一些單位和個人提出了一些煤層穩定性定量評價的方法[4-14]，如數理統計法、地質統計法、模糊綜合評判等方法。目前，對煤層穩定性的定量研究雖然做了大量工作，但認識還未統一，還沒有形成統一的標準作為煤層穩定性劃分的依據。

2.1 數理統計法

在對煤層穩定程度定量化研究中，目前主要采用數理統計方法[5-9]，即應用概率論的基本理論，對煤層厚度進行統計，分析其各種特征數，從中尋求劃分煤層穩定性型別的定量依據。目前，多采用平均厚度、標準差、變異系數和可采系數等特征數來確定煤層的穩定程度。具有代表性的是《礦井地質規程》(1984年5月)中提出的煤層穩定性定量評價方法，其明確指出，在定量評定煤層厚度穩定性時，薄煤層以煤厚可采性指數Km為主要指標，煤厚變異系數Cv為輔助指標；中厚及厚煤層以煤厚變異系數Cv為主要指標，可采性指數為輔助指標[5]。這類方法的評價指標較少，計算方法簡單，容易操作，但沒有考慮煤層的空間分布特征，其評價精度有限。

2.2 地質統計法

彭華闡述地質統計法中半差函數各參數的地質意義，利用地質統計學中的半變差函數的參數為主要指標，建立煤層厚度變化性指數，同時考慮煤層可采率，煤層結構和對比難易程度構造一個煤層穩定性指數來定量表示煤層穩定性[10]。地質統計法針對煤層厚度區域變化的特征建立球狀模型，利用半變差函數分析[11]煤層厚度在橫向和縱向上的變化規律，建立了煤層穩定性指數。地質統計法在定量評價煤層穩定性中，考慮了煤層厚度區域性變化及其空間分布的特點，克服了數理統計法中的不足，但是其計算過程太復雜繁瑣，不便于操作。

2.3 模糊綜合評判法

由于煤層厚度的變化的復雜性和不確定性，煤層穩定性的評價具有“模糊”特征，采用模糊數學構建的評價模型更能客觀地反映地質現象，因此，利用模糊數學中的模糊綜合評判理論，將反映煤層穩定性的多個指數(煤層平均厚度、變異系數(標準差)、方向變化率、煤層結構復雜程度、煤層構造復雜程度、煤層頂底板巖性硬度)和因素有機的結合起來，建立模糊綜合評判數學-地質模型[4,12-13]，從而更全面可靠地確定研究區的煤層穩定性變化情況。但是此方法也存在一定的弊病，公式繁瑣，評價過程復雜，變量不確定。

3 建立煤層穩定性定量評價模型的思路

對于煤層這種三維地質體而言，由于煤層厚度變化具有區域性變化和局部性變化，煤層厚度的區域性變化往往是由區域構造、區域巖相等大區域因素所決定，在一定程度上對開采技術的影響較小，而煤層厚度的局部性變化是由成煤期后的地殼運動、河流沖刷、火山巖侵入等因素所影響，是影響開采技術的主要因素。采用趨勢面分析[15]可將煤層厚度區分為區域性變化分量和局部性變化分量，從而，從空間、三維的角度來研究煤層厚度的空間分布和變化規律。另一方面，煤層穩定性定量評價的數理統計方法是目前最常用的方法，能反映煤層厚度變化的離散程度和可采性，但不能反映煤層厚度的空間分布和空間變化。利用趨勢面分析方法研究煤層厚度的空間分布和變化規律，運用數量統計法研究煤層厚度變化的離散程度。因此，本文將趨勢面分析方法和數理統計方法相結合(即趨勢變異法)對煤層穩定性進行定量評價，就可以將兩種評價方法的優點有機地結合起來, 提高煤層穩定性定量評價的精度。趨勢變異法方法不僅能表現不同煤層厚度變化的離散程度，而且還能反映煤層厚度的空間分布和空間變化。其方法思路如圖1。

4 結 論

煤層穩定性分類的正確與否，不僅關系到勘探工程布設的合理性及勘探效果，同時，還關系到礦井建設中工作面的布置及開采方式的選擇。利用趨勢面分析法與數理統計法相結合的評價模型對煤層穩定性進行定量評價，將使煤層穩定性定量評價更合理準確。同時，利用數量統計法，一方面能反映研究煤層厚度變化的離散程度，另一方面可有效地確定其可采性情況；利用趨勢面分析方法，不僅能反映煤層厚度的空間分布和變化規律，同時還能以圖形的方式顯示其趨勢變化和異常變化。本論文提出了趨勢面分析方法和數理統計方法相結合的方法——趨勢變異法的思路。因此，采用這種趨勢面分析法和數理統計法于一體的評價數學模型的新思路，從該思路出發，可以使評價結果最大限度地接近地質實際。

圖1 趨勢變異法思路圖

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