大同煤田鵝Ⅳ精查勘探區煤層穩定性評價

宋 景，王 璐

(陜西省一九四煤田地質有限公司，陜西 銅川 727000)

0 引言

煤層穩定程度直接影響煤炭勘查工作及礦井建設的規模，其穩定性受控于煤層頂板工程地質特征、水文地質特征，但本質是由煤層形成的沉積環境決定的[1-2]。對于煤層及頂底板穩定程度的研究，已有大量研究成果[3-7]。武洪濤等[8]對我國煤層頂板穩定性評價進行了綜述，指出煤層頂板穩定性評價包括3種方法：傳統地學分析、工程地質學分類和綜合定量評價，建議今后煤層穩定性評價引入大數據與計算技術及人工神經網絡技術進行煤層穩定性評價。谷玉明等[9]依據DZ/T 0215—2002《煤、泥炭地質勘查規范》[10]對鄂爾多斯盆地南部楊家坪井田煤層穩定性進行定量與定性評價，對該區后期煤田勘查有一定指導意義。殷廣標等[11]根據可采指數、變異系數以及變概比等指標，對安徽淮南新集一礦煤層穩定性進行了評價，得出主采煤層1號煤層為穩定煤層。

前人在煤層穩定性評價方面所取得的認識對指導現今煤礦生產階段煤層穩定性評價與分析具有指導意義。本文結合生產實踐的需要，以大同煤田鵝Ⅳ精查勘探區為研究對象[11-12]，依據2013年12月31日國家安全生產監督管理總局、國家煤礦安全監察局制定的《煤礦地質工作規定》[13]第十二條中，煤層穩定性以煤層變化規律和可采性采用定性和定量結合的方法，來確定研究區主要煤層的穩定性，以便于指導大同煤田其他勘探區煤層穩定性分析。

1 研究區地質概況

大同煤田為一雙紀煤田，下部為石炭-二疊紀含煤巖組，上部為侏羅系含煤巖組，大同煤田鵝Ⅳ精查勘探區面積約20.04 km2，位于大同煤田的中部東南邊緣，以石炭系含煤巖組為主要目標層，地層屬華北地區北部邊緣，地層總體向西傾斜，在此基礎上發育一系列寬緩的褶曲構造，地層傾角1°～6°，構造中等。區內地層由下至上有奧陶系，石炭系中統本溪組、上統太原組，二疊系下統山西組、下石盒子組、上統上石盒子組以及新生界第四系中、上更新統、全系統。地層分布特征與構造綱要如圖1所示。

圖1 大同煤田地層分布特征與構造綱要圖

本區含煤地層為二疊系下統山西組、石炭系上統太原組、中統本溪組。

山西組含煤4層，該組地層厚度16.07～178.85 m，平均厚度136.10 m，煤層總厚2.64 m，含煤系數1.94%，自上而下編號為山1、山2、山3、山4，其中山1、山2、山3由于其零星分布，僅個別點可采，極不穩定，煤層薄，含煤性差。山4號煤層見煤點55個，其中可采點48個，為大部可采煤層。

太原組為本區的主要含煤地層，共含煤9層，編號為1、2、3、3-5(5)、6、7、8-1、8、9號煤，其中2、3、4(3-4)、5號煤層合稱為上煤組，6、7、8、9、10號煤層合稱為下煤組。3號煤層在區內中東部與4號煤層合并，西部則與4號煤層分開。2、4(3-4)、5、8號煤層為主要可采煤層，煤層總厚度平均37.62 m，可采煤層總厚平均35.01 m。本組地層厚62.41～170.5 m，平均厚85.74 m，含煤系數43.88%，可采煤層含煤系數40.83%。

本溪組含煤1層，煤厚小于0.50 m，零星分布，無工業價值，含煤性極差。

2 可采煤層穩定性定性評價

2.1 山4 號煤層

山4號煤層位于山西組下部，距山西組底界K3砂巖約9.10 m，距2號煤層平均約15.56 m。見煤點55個，可采點48個。區內大部分分布，煤厚0～3.18 m，平均1.86 m，含1～4層夾矸，一般1～2層；除勘查區東部和南部無煤賦存外，絕大部分范圍賦存。結構簡單，煤層厚度變化不大，規律明顯，為大部可采的較穩定煤層。

2.2 2號煤層

2號煤層位于太原組的頂部，距山西組底部的K3標志層一般0～14.03 m，平均4.93 m。與山4號煤層間距3.00～26.34 m，平均15.56 m；與3號煤層間距0～5.86 m，平均2.86 m。煤層厚度為0～7.91 m，平均2.56 m，由西向東漸薄至尖滅，區內大部分布。含1～12層夾矸，一般為2～3層，結構復雜，煤層厚度變化較大，規律明顯，為大部可采的較穩定煤層。

2.3 3號和4(3-4)號煤層

3號煤層位于2號煤層之下0.70～5.86m，平均2.86m，煤層厚0～13.40m，平均5.00m，含1～10層夾矸，一般為3～5層，煤層結構復雜，厚度大，本區24個見煤點，其中可采見煤點21個，面積不足全區的1/3，主要分布在本區西部，東部與4號煤層合并。與4號煤層分岔區間距平均1.71m，屬局部可采較穩定煤層。

4(3-4)號煤層為本區主要可采煤層之一。位于K3砂巖之下約8m，分叉區內與3號煤層間距為0.70～4.19m，平均1.71m，煤層厚1.16～17.96m，平均厚7.11m，含1～13層夾矸，一般為3～5層，東部與5號煤層合并。結構較復雜，煤厚變化較大，為大部可采的較穩定煤層。

2.4 5號煤層

5號煤層的見煤點有68個，均可采。位于4號煤層之下0.7～28.23 m，平均間距5.54 m，與4(3-4)號煤層間距由東向西逐漸變大，煤層厚3.04～30.88 m，平均厚14.51 m，東部與4(3-4)號煤層合并，合并區內煤層最厚30.88 m(鉆孔為鵝318)，平均24.64 m。含0～11層夾矸，一般為4～7層，煤層結構極復雜，煤層厚度變化較大，變化規律明顯，屬于全區可采的較穩定煤層。

2.5 8號煤層

8號煤層上距5號煤層16.06～51.0 m，平均30.02 m，煤層厚1.12～10.26 m，平均厚度為6.45 m，煤層由2～5個(一般2～3個)煤分層組成，含1～15層夾矸，一般為1～3層，結構復雜，煤層厚度有一定變化，但變化規律明顯，為全區可采的較穩定煤層。

3 可采煤層穩定性定量評價

煤層厚度和可采范圍是評價煤層穩定程度的兩個主要方面。通過施工鉆孔獲得煤層厚度，借助鉆孔基礎數據報表，計算煤層可采性指數(Km)、煤厚變異系數(γ)等參數。

煤層可采性指數(Km)

Km=n′/n

(1)

式中：n′—煤層厚度大于或等于可采厚度的見煤點數；n—參與煤層厚度評價的見煤點總數。

煤厚變異系數(γ)

(2)

(3)

根據國家安全生產監督管理總局、國家煤礦安全監察局《煤礦地質工作規定》第十二條中煤層穩定性定量評定，薄煤層(厚度0.50～1.30 m)以煤層可采性指數為主，煤厚變異系數為輔，中厚煤層(厚度1.30～3.50 m)及厚煤層(厚度3.50～8.00 m)以煤厚變異系數為主，可采性指數為輔(表1)，采用“就高不就低”的原則。

表1 煤層穩定性評價指標

鵝Ⅳ精查勘探區20世紀50年代施工鉆孔較多，因條件限制，未能利用物探測井手段配合驗證，但由于執行嚴格的技術管理制度，鉆探施工質量較高，經周邊小煤礦多年的探采證明，其鉆孔勘探成果是可靠的。

本次以20世紀50年代施工的49個鉆孔、最近幾年施工的19個鉆孔，共68個鉆孔資料為基礎，對各鉆孔揭露的煤層資料進行整理與統計，利用式(1)、式(2)得出煤層變異系數(γ)、煤層可采性指數(Km)。結果見表2。

可采性指數(Km)是確定煤層穩定程度的主要參數，可采性指數越小，煤層可采性越差。煤層變異系數(γ)反映煤層厚度及變化規律，其數值越大，表明煤層厚度變化較大。

從表2可以看出，鵝Ⅳ精查勘探區內山西組主要可采煤層山4號煤層平均煤厚1.86 m，屬于中厚煤層；太原組2、3、4(3-4)、5、8號煤層屬中厚-厚煤層。煤層穩定性定量評價以變異系數為主，可采性指數為輔，用表1的評價指標和標準，并采用“就高不就低”的原則，確定不穩定煤層為3號煤層；較穩定煤層為山4、2、4(3-4)、5號煤層；穩定煤層為8號煤層。

表2 各煤層穩定程度定量劃分參數運算結果

需要說明的是，個別煤層因為分叉合并、巖漿巖侵入等因素影響定量及定性評價結果，遵循“就高不就低”的原則，確定煤層穩定程度。其中，3號煤層定性評價為局部可采的較穩定煤層，定量評價為不穩定煤層，最終確定為較穩定煤層；8號煤層定性評價為全區可采的較穩定煤層，定量評價為穩定煤層，最終確定為穩定煤層。

4 結論

(1)大同煤田鵝Ⅳ精查勘探區內可采煤層層數多，主要有山西組山4號煤層，太原組2、3、4(3-4)、5、8號煤層，結構復雜-極復雜。

(2)采用煤層可采性指數、煤層變異系數兩個指標，并遵循“就高不就低”的原則，對山4、2、3、4(3-4)、5、8號可采煤層穩定性進行定量評價。評價結果顯示，8號煤層為穩定煤層；山4、2、3、4(3-4)、5號煤層為較穩定煤層。定量評價及常規定性評價結果基本一致。

(3)采用定性描述、定量評價(煤層可采性指數與煤層變異系數為指標)相結合的方法對煤層穩定程度進行科學合理的評價，對今后該區煤礦生產有實際指導意義。