不規則邊角煤塊段煤層地質條件評價及分類

李智勇 屠世浩 屠洪勝 吳 其 陸陽杰 張能虎，2

（1.中國礦業大學礦業工程學院，江蘇省徐州市，221008；2.西山煤電集團有限責任公司，山西省太原市，030053）

不規則邊角煤塊段煤層地質條件評價及分類

李智勇1屠世浩1屠洪勝1吳 其1陸陽杰1張能虎1，2

（1.中國礦業大學礦業工程學院，江蘇省徐州市，221008；2.西山煤電集團有限責任公司，山西省太原市，030053）

針對礦井邊角煤的賦存特征，采用模糊綜合評價的方法，建立評價因素結構，構造隸屬函數，從邊角煤塊段開采的總體方面對其煤層地質條件進行整體綜合評價；根據評價結果對礦井邊角煤塊段進行地質條件分類，進而為邊角煤塊段采煤工藝的選擇提供理論依據。

邊角煤塊段 地質條件 模糊綜合評價

不規則邊角煤塊段的形狀尺寸不規則，尺寸變化大，煤層厚度變化不穩定，開采條件復雜，使邊角煤塊段開采工藝合理選擇缺乏理論依據。不規則邊角煤塊段煤層地質條件評價是從邊角煤塊段開采的總體方面進行綜合評價，根據評價結果對邊角煤塊段進行地質條件分類，進而為采煤工藝方式選擇提供理論依據。本文將采用目前應用比較成熟和可操作性較強的模糊綜合評價方法進行評價。

1 模型構造

不規則邊角煤塊段煤層地質條件評價是對地質條件適應程度進行多層次綜合評價，將單因素的評價按一定算法映射為一綜合評價值，并以此綜合評價值的大小來衡量評價樣本屬性的優劣程度。

設評價樣本集X＝｛x1，x2，…，xn｝有m

評價因素，其指標矩陣：

由于每一評價因素構造了評價模糊隸屬函數，上述指標值矩陣X可映像為指標隸屬度矩陣R：

多重因素權重用W＝｛w1，w2，…，wn｝表示。綜合評價模型選用加權平均型，即：

式中：bj——綜合評價值。

2 模糊綜合評價

2.1 評價的因素結構

不規則邊角煤塊段煤層地質條件諸因素間存在著或多或少的成因上的關系，但對于評價目的而言，如果同一層次因素不存在重疊、包含或者因果關系，層次間滿足相關遞進的關系，可以用層次分析法（AHP）建立因素的層次結構，如圖1所示，該評價因素結構共包括9個復合因素和17個基因素。

圖1 邊角煤塊段評價因素結構

2.2 評價因素隸屬函數的構造

對于邊角煤塊段煤層地質條件的開采工藝性評價，評價因素的隸屬函數是對某一地質因素變化對開采效果影響的模糊關系的定量描述，是模糊綜合評價模型的基礎。構造隸屬函數可綜合利用技術總結、科研成果、統計分析和專家經驗，可采用統計分析法、待定系數法、多相模糊統計法等恰當的方法。

2.2.1 統計分析法

（1）煤層傾角的隸屬函數

式中：αi——第i個見煤鉆孔煤層傾角，（°）。

（2）煤層開采厚度H的隸屬函數

式中：Hi——第i個見煤鉆孔煤層厚度，m。

（3）工作面長度L的隸屬函數

（4）工作面推進長度S的隸屬函數

式中：Lmax——邊角煤工作面的最大長度，m；

Lmin——邊角煤工作面的最小長度，m；

S——工作面推進長度，m。

（6）推進轉角度ω的隸屬函數

（7）老巷覆蓋度τ的隸屬函數

式中：S″——邊角煤塊段內老巷覆蓋面積，m2；

S′——邊角煤塊段的面積，m2。

2.2.2 待定系數法

煤層開采性、煤層變異系數、煤層堅硬性等因素與開采工藝指標之間統計關系不明顯，選擇適當的隸屬函數曲線，最后擬合隸屬函數的線性或非線性表達式。依次方法構造下列幾個基因素的隸屬函數。

（1）煤層開采性指數Km的隸屬函數

式中：n＇——大于可采厚度的鉆孔數，個；

n——全部見煤鉆孔數，個。

（2）煤層變異系數γ的隸屬函數

H——鉆孔煤厚平均值，m；

Hi——鉆孔見煤厚度，m。

（3）煤層堅硬性指數RA的隸屬函數

式中：Re——夾矸巖石硬度，MPa；

Rc——煤的單項抗壓強度，MPa；

G——夾矸系數。

（4）直接頂單向抗壓強度的隸屬函數

評價直接頂穩定性以直接頂巖層的單向抗壓強度σ作為評價指標。

（5）老頂支撐性N的隸屬函數

（6）偽頂厚度h0的隸屬函數

（7）底板單向抗壓強度的隸屬函數

評價底板強度取直接底巖層的單向抗壓強度RD作為主要評價指標。

（8）夾矸系數G的隸屬函數

式中：Gi——第i個鉆孔內煤層夾矸厚度，m；

Hi——第i個見煤鉆孔煤層厚度，m。

（9）陷落柱強度指數k的隸屬函數

式中：si——塊段內第i個陷落柱影響面積，km2；

s′——邊角煤塊段開采面積，km2；

ηi——塊段內第i個陷落柱破壞厚度與開采厚度的比值。

2.2.3 多元隸屬函數法

依此方法可構造斷層影響的多元隸屬函數：

式中：q1——斷層密度，單位面積內斷層的條數，

q2——斷層長度指數，是指塊段單位面積內斷層長度之和

q3——斷層落差系數，用煤層開采厚度的對數函數進行修正，

n1——塊段內的斷層條數，個；

s——塊段面積，km2；

li——第i條斷層的長度，m；

hi——第i條斷層的落差，m；

H——工作面開采厚度，m。

2.3 評價因素權重的確定

確定邊角煤塊段煤層地質條件評價因素的權重以開采規律為依據，以地質條件與開采工藝的相互適應性為主要內容，充分利用統計數據、研究成果和專家經驗。目前最常用的方法有專家評分法和層次分析法等。本評價主要采用層次分析法確定出各平價因素的權重。

層次分析法的步驟為：構造判斷矩陣，判斷矩陣權重計算，判斷矩陣一致性檢驗。

3 煤層地質條件分類及應用

3.1 煤層地質條件分類

本評價模型應用于不規則邊角煤塊段，根據各邊角煤塊段的綜合評價值可將所評價的邊角煤塊段分成4個等級，見表1。

表1 綜合評價結果分類表

3.2 工程應用

3.2.1 工作面概況

西曲礦邊角煤2.3＃－6塊段工作面位于北五盤區中部，北鄰待采的22504工作面，南鄰已經回采的22502工作面，工作面西北部為小窯破壞區。工作面所采煤層為2.3＃煤層，煤層厚度穩定，煤厚3.85～4.20m，一般厚4.05m；2.3＃煤層普遍含有一層夾矸，工作面直接頂為砂質泥巖，厚0.90m，上履細砂巖厚2.40m，直接底為砂質泥巖厚2.30m。工作面煤層傾角變化較大，煤層整體傾向南西，西南部傾角較大，東北部傾角較小，工作面煤層傾角4～16°，平均8°，該邊角煤塊段開采不受斷層、陷落柱以及空巷的影響，工作面長為150m，推進長度為100m，開采過程中工作面長度不變，不需變向，塊段煤層可采性為1。

表2 邊角煤2.3＃－6塊段評價因素隸屬函數值

3.2.2 隸屬函數值的確定

根據構造的評價因素的隸屬函數，結合該邊角煤塊段的實際情況，計算各因素的隸屬函數值見表2。

3.2.3 評價因素權重確定

經過對專家的咨詢調查，對邊角煤塊段煤層地質條件多因素評價構成的判斷矩陣的結果見表3～表8。

表3 A～B層判斷矩陣

表4 B1～C判斷矩陣

表5 B2～C判斷矩陣

表6 B6～C判斷矩陣

表7 B7～C判斷矩陣

表8 B8～C判斷矩陣

對以上判斷矩陣進行一致性檢驗，當隨機性比值CR＜0.1時，判斷矩陣具有滿意的一致性。檢驗結果見表9。

表9 判斷矩陣CR值計算結果

對于不規則邊角煤塊段煤層地質條件的評價可構造A～B和Bi～C兩層矩陣。

表10 各因素權重計算結果

（1）對于所構造的判斷矩陣，用乘積n次方根法求相對權系數。

對于A～B矩陣：

對于Bi～C矩陣：

（2）C層基因素相對于A層的權系數可用式（23）計算，即：

最終計算出的復合因素及基因素的各權重系數合理，見表10。

3.2.4 綜合評價結果

根據綜合評價模型，計算出不規則邊角煤2.3＃－6塊段的煤層地質條件綜合評價的結果為0.935，該塊段地質開采條件為優，可以采用綜采工藝進行開采。

4 結論

（1）應用邊角煤塊段煤層地質條件綜合評價模型對西曲礦38個邊角煤塊段進行評價，其中地質條件為優的塊段有27個，可采儲量為5.3Mt，占該礦邊角煤總可采儲量的70.18%；地質條件為良的塊段有6個，可采儲量為1.37Mt，占18.12%；地質條件一般的塊段有5個，可采儲量為8.85Mt，占11.7%。

（2）邊角煤2.3＃－6塊段通過煤層地質條件綜合評價結果為0.935，因而可以采用綜采。綜合考慮其現場的實際情況，采用MG250／600－WD型采煤機、ZZ5200／19.5／42型液壓支架以及SGZ－764／630型刮板輸送機配套開采，采出煤量為7.6萬t，塊段采出率為93%，塊段凈收益達4700余萬元。

[1] 劉書民，梁旭.工作面煤層地質條件開采工藝性可拓評價[J].中國煤炭，2011（3）

[2] 張東升，徐金海.礦井高產高效開采模式及新技術[M].徐州：中國礦業大學出版社，2003

[3] 張東升，張吉雄，張先塵.工作面煤層地質條件開采工藝性的模糊綜合評價[J].系統工程學報，2002（6）

[4] 張朋柱，劉軍.選擇煤炭回采工藝方式的遞階結構模型與求解[J].系統工程理論與實踐，1999（8）[5] 張科學，白建彪，郝云新等.煤巷錨桿支護效果的多層次模糊綜合評價[J].煤炭科學技術，2010（8）

[6] 郭德勇，范金志，馬世志等.煤與瓦斯突出預測層次分析－模糊綜合評判方法[J].北京科技大學學報，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，江蘇省沛縣人，中國礦業大學碩士研究生，主要從事采礦方法與礦業系統工程方面的研究。

（責任編輯 張毅玲）