煤 炭 改 性 優 化 的 開 采 條 件

吳 潘

(四川大學 化學工程學院,成都 610065)

0 引 言

目前,我國的主要能源為煤炭，而煤炭這一能源在短期內是不可再生的，我國的煤炭資源較豐富，所擁有煤炭資源的礦區達6 000多個，煤炭資源儲量為10 201億t，可謂資源巨大，粗略計算,煤炭資源不僅能滿足當代人的需要，還可以滿足子孫后代的使用[1-2]。因而我國的煤炭資源不僅用于我國企業生產，和百姓的日常生活中，還用于出口[3-5]。隨著煤炭資源不斷用于工業生產及日常生活，其開采量也不斷上升，但對煤炭近些年開采時要考慮許多因素。本文主要就煤層地質賦存狀態對煤層開采的情況進行綜合評價[6-8]。對于煤層資源開采條件進行綜合評價便于對開采區進行整體規劃，從而提高煤炭開采的工作效率，有助于增加生產效益[9-11]。研究使用GIS技術進行空間信息的定量提取，并對可采煤層的最大采煤量進行定量分析，除此以外,還使用了三維可視化技術對煤層分布和影響開采的各種因素進行顯示[12-14]。本文基于這一背景，采用GIS技術實現了井田煤層三維地質模型的設計，為指導采礦工程的布置和設計提供了可信的借鑒方法。

1 綜合評價變量分析和地質信息定量提取

1.1 煤層開采條件的變量選擇

評價的煤層為筆者參與研究的某地的8和10煤層(10號和8號煤屬于地層年代：上古生界、二疊系的煤層。兩套煤層都在上二疊系，8號煤層在上部，10號煤層在下部)。考慮到實際情況,所需用的評價模式為“總—分—總”，在煤層開采的過程中還要考慮所要開采區域的地質特點，主要參考斷層及頂板，不過在開采過程中還要掌握埋藏深度以便于做好進一步準備工作。除了了解上述煤層開采的條件因素外，對于煤層的煤質特征也要有一定的了解，以便確定煤的利用價值。在考慮許多地質因素的基礎上，為了方便使用,應參考數據進行定量表達，還有一些參數需要利用空間插值進行表面擬合，如圖1所示。

圖1 煤層開采條件綜合評價要素選擇

針對10煤層而言，因為其主要受到后期河道砂體侵蝕的影響較大，使得煤層局部變薄不易開采，在開采的過程中要時刻留意其空間分布的連續性，從地層分布來看，10層煤一般情況下只有一層不可開采。

1.2 煤材料的選取與制作

本文主要針對煤材料的膠結進行采樣與實驗，過程如下：

(1) 按質量百分比稱取砂、瀝青、橡膠粉及鐵粉。

(2) 將以上材料放入烘箱中單獨預熱至170 ℃。

(3) 瀝青在常溫下一般呈固態，在制作試樣時，首先將瀝青放在加熱容器中融化。本試驗是將瀝青放在烘箱中放置30 min，溫度為170 ℃，然后取出放在四連電爐上保溫，再將按配比混合均勻的充填劑倒入融化的瀝青中，邊加熱邊攪拌。

(4) 試模準備。用沾有少許甲基硅油和滑石粉的混合物(作為脫模劑)均勻地涂在試模內壁上，用于脫模。模具采用自行設計的尺寸為φ50 mm×100 mm的圓柱對開模。

(5) 將攪拌均勻的瀝青混合料倒入試模，待混合料的溫度達到130 ℃左右時,采用機械擊實混合物[4-5]。同一配比的試樣做3個。

(6)貼上標簽，將試件放到實驗溫度下(20 ℃)養護4 d。

(7)脫模，取出試樣。

2 煤層開采條件多變量綜合評價

2.1 煤層可采性評價指標的量綱統一與變量關系分析

對于煤層開采的影響因素較多，其中各個因素、評價指標因其量綱不同對于評價結果的影響也不相同，因而為了便于進行評價，并保證評價結果的正確性，各個評價指標的量綱進行統一，此次使用極差方式對數據水平進行統一：

式中:v表示標準差;xmin是最小值;xmax是最大值;x表示相應的數據。采用該方法即可實現將評價指標的不同類型的數據統一到一個基準上。這些預測變量可能有一些聯系，不過當所選用的模型對于變量獨立并無相關要求，則對于評價結果而言無實際意義上的影響，此次除了研究煤層可采厚度這一決定性指標外，還對其他指標進行相關研究，但它們對煤層的可開采性沒有決定性的影響。

2.2 數學模型

在對煤層資源進行綜合評價時，綜合分析其所提供的已知單元，可知其不適用于有模型評價方法，因而選用無模型的評價方法，即根據數據本身進行評價。通過綜合分析變量關系，選用下面給出的模型對煤層進行綜合評價：

Iind=I1(I2+I3+I4+…+IK)

其中:Iind為綜合評價結果;I1，I2,…,IK為各個評價變量的值。

3 煤層三維地質模型的設計

3.1 DSI插值三維地質模型建立

采用GOCAD軟件所創建的DSI插值建立三維地質模型。8煤層評價變量為:煤層可采厚度,煤層埋深,煤質,煤的發熱量,斷裂影響,頂板穩定性,天然焦和巖漿夾層數,可采煤厚度占煤層厚度百分比,煤層傾角,煤層空間分布連續性。10煤層評價變量為:煤層可采厚度,煤層埋深,煤質,煤的發熱量,斷裂影響,頂板穩定性,煤層中不可采層數,煤層傾角,煤層空間分布連續性。

3.1.110煤層三維模型建立

10煤層三維地質模型及綜合評價的煤層可采厚度見圖2。圖中依據縱向厚度將煤層分成多層區，顏色深度表述了可采區的厚度，越淺表明不可采。從煤層地質賦存狀態來評價影響煤層開采的綜合條件。煤層資源開采條件的綜合評價有利于從總體來設計開采區，合理布置采礦工程，提高煤炭的開采回收率，提高生產效益。借助GIS技術分別對上述因素進行空間信息的定量提取，對各個可采煤層進行綜合定量評價，利用三維可視化技術對煤層分布和影響開采的各種因素進行顯示。可以合理指導煤炭的有序生產，保障煤礦生產安全。圖2所示為10號地區煤層可采厚度和綜合評價三維圖。

(a)

(b)

3.1.28煤層三維地質模型

8煤層三維地質模型及綜合評價的煤層可采厚度見圖3。圖中依據縱向厚度將煤層分成多層區，顏色深度表述了可采區的厚度，越淺表明可能不可采。

3.2 三維建模結果分析

分析8煤層的可采煤層厚度分布，可知其中厚煤層(3～5 m)是影響開采的主要因素，而傾角則屬于次要因素。夾層較大部分主要分布于F11和F13(F11，F13厚度為0.45～4 m，平均厚度2 m，可采厚度在2 m煤層結構簡單，與地面間距達225 m左右)斷裂兩側。通過分析8煤層可知沉積環境的砂泥比也決定了燕山期巖漿侵入的強度分布。8煤層頂板的穩定性同巖漿侵入程度有關。 煤層可采厚度，穩定性高的區域主要分布于F3(厚度0.1～0.6 m，平均厚度1.5 m，與地面間距達225 m左右)和F13構成的地塹內部和兩側，主要同沉積環境及頂板砂泥比有一定的聯系。 通過上述綜合分析，可知F13 和F3構成的地塹中部為易于開采的區域，除此以外,F3斷裂以北中部條帶也可較易進行開采工作。

(a)

(b)

10煤層最佳可采厚度主要集中于研究區的東北-東南之間，10煤層的夾層數目不多，因而對開采并不會產生較大的影響。上覆后期砂體的分布厚度直接影響著10煤層開采。 煤層厚度較好的條帶，其空間穩定性較低，這將導致10煤層的開采條件總體偏低。

4 結 語

本文在GIS的基礎上，主要針對煤層可開采條件進行綜合評價，并就所要評價的地質因素進行了總結及研究，并就如何提取煤層評價變量信息進行了介紹和分析。就8煤層、10煤層這兩個煤層各自的特點及開采條件進行研究，通過對比分析給出了兩個煤層的綜合評價圖，在評價圖中標出了較易進行煤層開采的地區分布。利用GOCAD重建了花溝西地層的三維立體分布，為指導采礦工程的布置和設計提供了可信的數據基礎。

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