地質構造對煤層復雜性影響的定量評價方法探析

王愛鳳

摘要：介紹了影響煤層復雜性的因素，依次分析了褶皺和斷層對煤層復雜性影響的定量評價方法，并建立了合理的評價指標體系和模型，最后結合實例驗證了此評價方法的可行性。

關鍵詞：地質構造；煤層復雜性；定量評價；模糊評價模型

中圖分類號：P628+.1文獻標識碼：A 文章編號：2095－6835（2014）09－0157－02

我國煤炭儲藏量較為豐富，在長期開采利用中，露天煤礦越來越少，井工煤礦成為今后的主要開采方向。由于井工煤礦開采帶有一定的危險性，因此對開采工藝要求更加嚴格。回采工藝和回采率受賦存狀態的影響，賦存狀態不同，煤層的復雜程度也不同。因此，要提高煤礦開采水平，就應該加大對煤層復雜性的研究。就目前情況來看，國內對煤層復雜性的定量評價主要采用半定量方法，在量化方面極為欠缺。這是因為量化指標不統一，無法準確把握煤層復雜程度，容易導致設計不合理，甚至影響到最終的開采效果。

1煤層復雜性

煤層分布復雜，受很多因素的影響，其影響因素大致分為可控因素和不可控因素兩類。可控因素主要是指一些安全類因素，包括煤層硬度、瓦斯級別、水文環境、自燃性和爆炸性等；不可控因素主要是指地質構造、厚度變化、頂板底板條件、巖溶塌陷、煤層傾角、含夾矸層數、巖漿埋入深度等幾何類因素。在這些因素中，地質構造是引起煤層賦存狀態復雜的重要因素之一。這是因為煤自身就是植物埋于地下，經長期的物化作用和地質作用形成的，它直接影響著煤層的形態、厚度變化和開采難度。地質構造種類繁多，其規模、形式等都有所差異，對煤層形成環境的影響也不盡相同。煤層復雜度綜合反映了各種因素對煤層影響的程度，是為了能夠定量表現煤層復雜性而引進的概念，其取值范圍在0～100之間。取值越大，表明煤層越復雜，相應的開采難度就越大。

2地質構造對煤層復雜性影響的定量分析

在地殼運動或外力作用下，地殼內部巖層會發生一定程度的變形或移位，從而形成各種形態的地質構造。地質構造包括褶皺、斷裂、傾斜構造、水平構造等。以下主要從褶皺和斷層兩方面分析地質構造對煤層復雜性的影響。

2.1褶皺對煤層復雜性影響的定量分析

煤層傾角變化是分析皺褶對煤層復雜性影響時考慮的重要指標，但很難對其進行明確的分級。煤層傾角具有變動性，很難對其進行準確計算，尤其是在復雜的煤層中，其傾角變化更難把握，因此，一般采用某范圍內煤層在傾向或走向上的曲率變化次數和傾角變化處的曲率半徑這兩個指標分析褶皺對煤層復雜性的影響。此處的曲率是表示曲線彎曲程度的一個量，其倒數就是曲率半徑。我國煤炭資源豐富，各個礦區都有其相應的賦存條件。如果賦存較穩定，其傾角所在區域通常較大，比如1 000 m×1 000 m范圍；如果賦存較復雜，其傾角所在區域通常較小，比如在100 m×100 m范圍內沒有明顯的變化；如果是400 m×400 m區域，那么變化則很大。在地質條件較為復雜的煤層中，為使其復雜性評價更科學，常以開采單元進行每層的復雜性評價。

2.2斷層對煤層復雜性影響的定量分析

在判斷斷層規模時，常將斷層落差作為重要指標。然而，受諸多因素的影響，斷層落差并不能全面反映煤層的復雜性。比如傾角較緩和較陡的斷層，其落差即便一致，對煤層的破壞程度也有所差別。因此，應將斷層傾角也納入考慮范圍，并結合采煤方法、煤層厚度等因素分析煤層的復雜性。比如落差一致的斷層，對綜采和炮采兩個工藝的影響各不相同，對薄煤層和厚煤層的影響也不一樣。此外，斷層密度、寬度、延展長度和導水性都會影響煤層的復雜性。

3煤層復雜性的定量評價方法

3.1建立合理的評價指標體系

評價指標與評價結果密切相關，為更好地完成對煤層復雜性的分析，將褶皺和斷層作為一級評價指標。同時還需考慮斷層落差、密度、寬度、導水性、傾角等因素，將這些因素作為定量分析斷層對煤層復雜度影響的二級評價指標。在褶皺方面，則主要考慮曲率變化次數和曲率半徑，并將其作為定量分析褶皺對煤層復雜度影響的二級評價指標。

3.2指標標準化和模糊評價模型

在以往研究中，對各項評價指標均有分類，但由于級差、量綱的差異，其分類并不科學。有些指標數值較大，所占的比例和所起的作用也大；數值較小的指標，則所占的比例和所起的作用都較小，這樣極易造成評價值不準確。因此需要對各項指標進行標準化處理，使其貢獻率接近一致，縮小它們之間的差距。

權重系數是反映各個指標對煤層復雜性影響程度的關鍵，因此，在指標標準化完成后，應及時確定各個指標的權重值，進而展開綜合評價。在評價中，可將總分設置為100分，100分表示煤層最復雜、最不穩定，0分表示煤層最簡單、最穩定。將煤層按復雜程度分為以下四類：①0～25分，穩定；②25～50分，比較穩定，略帶復雜；③50～70分，不穩定，比較復雜；④75～100分，極不穩定，最復雜。綜合各種因素，利用模糊數學相關知識，建立評價模型式，以層次分析法確定各指標的權值，可用公式表示為：

F＝ wiFi. （1）

式（1）中：n——評價指標系數；

wi——第i項評價指標的權重值；

Fi——第i項評價指標的評價值。

3.3合理確定評價指標權重

層次分析法集定性、定量分析法于一體，其應用通常有四道程序：建立問題的地階層次結構模型、構造各層次的所有判斷矩陣、層次單排序和一致性檢驗、層次總排序和一致性檢驗。按照對煤層復雜性影響的重要程度完成各指標的排序，并建立起比較判斷矩陣。一致性檢驗合格后，通過規范列平均法對矩陣進行歸一化處理，并最終求得各個指標的權重值。經計算，斷層和褶皺的權重向量依次為：（0.24，0.15，0.09，0.05，0.03，0.44）T、（0.13，0.87）T。

4煤層復雜性的定量評價實例分析

4.1地質構造條件

某煤礦A段，煤層總體走向80°～90°，傾向N350°～360°；采區內沒有較大的斷層，小斷層數量較多，每千米至少有6條斷層，且為正斷層；斷層落差在0.5～2.5 m，寬度小，傾角在60°以上，導水性較好；存在褶曲軸部，平均傾角為18°，采區內的煤層受褶皺影響1次，曲線半徑為295 m。

4.2復雜性評價

選取曲率半徑、曲率變化次數、斷層落差、斷層傾角、斷層導水性、斷層帶寬度、斷層密度和斷層延展長度共8個指標，結合各自的權重向量，最終計算出煤層復雜性評價得分為34.25分。由此可知，該段煤層復雜度屬于比較穩定的一類。

5結束語

煤層埋于地下的時間和所受的作用力不同，其形成狀態也有很大差別，在開采時需選擇相應的開采技術。煤層復雜程度評價值能夠科學地指導開采工作，并有助于合理選擇采煤方式。因此，可通過對煤層復雜程度的研究，進一步提高煤礦的開采技術水平。建立基于地質構造條件的煤層復雜性模糊綜合評價方法，并以褶皺和斷層為主要影響因素，建立多級評價指標體系，在煤礦開采中值得推廣和應用。

參考文獻

［1］霍丙杰，張宏偉，韓軍.地質構造對煤層復雜性影響的定量評價方法［J］.煤田地質與勘探，2012，20（3）：132-134.

［2］霍丙杰.復雜難采煤層評價方法與開采技術研究［D］.阜新：遼寧工程技術大學，2010.

［3］于莉莉，徐會，陳立云.煤層穩定性定量評價之研究［J］.中國煤田地質，2007，19（4）：116-118.

〔編輯：劉曉芳〕

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