地质条件定量分类系统在东滩煤矿中的应用.pdf

第2 9 卷第5 期 2 0 0 0 年1 1 月 中国矿业大学学报 J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g8 1T e c h n o l o g y V 0 1 ．2 9N o ．5 N O V ．2 0 0 0 文章编号1 0 0 01 9 6 4 2 0 0 0 0 6 0 6 1 90 4 地质条件定量分类系统在东滩煤矿中的应用 周荣福1 ，冯恩杰2 ，芮小平1 ，李万忠2 ，张海荣1 ，张新武2 ，刘向阳 1 ．中国矿业大学资源与环境科学学院，江苏徐州2 2 1 0 0 8 ； 2 ．兖矿集团公司东滩煤矿，山东邹城2 7 3 5 0 0 摘要确定了定量评价矿井地质条件的指数，并利用模糊综合评判理论，综合各项指数对矿井地 质条件进行了定量分类．该系统应用于东滩煤矿，提取了该矿的各项指数，综合得出了东滩煤矿 的矿井地质条件分析结果，认为该矿地质构造中等、煤层稳定． 关键词矿井地质条件；定量分类；模糊综合评判；东滩煤矿 中图分类号P6 2文献标识码A 矿井地质条件分类和定量评价是矿井地质工 作中一项极为重要的基础工作，它不但关系到煤矿 的安全和正常生产，而且直接关系到煤矿的生产规 模、生产定额和生产效益．9 0 年代以来，煤炭工业 为加强现代化矿井建设，开展了以“一矿一井一面” 为目标的高效率综采工作面的建设工作．随着矿 井高强度、集中化生产开采技术的不断提高和生产 规模的不断扩大，对煤矿地质保证系统的要求也越 来越越高，原有的对煤矿地质条件分类和定性评价 的方法已不能满足现代化煤矿生产的需要．矿井地 质条件定量分类和评价系统主要包括地质构造 褶皱、断层、岩浆岩及其对煤层的影响等 、煤层 厚度及其变化规律、稳定程度及储量是分布情况 等 和其它开采地质条件 煤层顶底板、煤层倾角、 瓦斯、煤的自然发火、地温和地质等 等的定量评 价．现以东滩煤矿为例论述如下． 1 地质概况 兖州煤田为石炭二叠系全隐蔽式煤田，主要含 煤地层为上石炭统太原群 c 。 和下二叠统下部山 西组 P ；。 ．煤系地层厚度平均3 1 9m 左右，含煤层 数2 7 层，可采1 1 层，含煤系数5 ．8 8 ％．煤系岩性、 岩相沉积稳定，标志层明显．煤系与下伏基底中奥 陶统灰岩呈假整合接触，煤系地层上部在东南半部 遭受不同程度的侵蚀，与上覆盖层上侏罗统红层呈 不整合接触．第四系冲积层，厚5 7 ．2 6 ～2 2 6 ．3 4m ， 平均1 2 4 ．6 1m ，东南薄，西北厚，不整合于上侏罗 统蒙阴组 J 。。 之上． 1 ．1 地质构造 东滩矿井位于兖州向斜的核部和深部，地质构 造以宽缓的褶皱为主，伴有一定数量的断裂构造， 地质构造复杂程度属中等． 1 ．1 ．1 褶皱 地层走向以N E 3 0 ～6 0 。为主，倾向N W 或S E ， 地层产状不论其走向、倾向均有较大变化．井田内 地层平缓，倾角一般为3 ～9 。，平均7 。，最大可达 16 。 断层带除外 ，最小接近水平状态．次一级褶皱 大部属宽缓、短轴、波状褶皱，背斜、向斜相邻相间， 定向排列，轴向总的以北东至北东东向为主． 1 ．1 ．2 断层 根据资源勘探、矿井建设和煤矿生产各阶段发 现和证实的断层共5 2 条，按落差大小统计结果如 下；落差大于等于1 01 T I 的为2 8 条，大于等于1 5I r a 的为2 0 条，大于等于2 0 m 的为1 4 条．落差较大的 断层都分布在井田的东部和北部边缘，构成井田和 煤田的自然边界．断层以高角度的正断层占绝对优 势，按其方向和性质大致分为4 组近南北向至北 东向正断层组1 9 条，占3 7 “；北北西向至北西向 正断层组2 1 条，占4 0 ％；北西西向正断层5 条，占 1 0 ％，逆断层组7 条，占1 3 ％． 1 ．2 煤层 可采煤层计有2 ，3 ，6 ，1 5 t ，1 6 t ，1 7 ，1 8 l 等7 层，而3 煤又在大部分地区分叉为3 ，3 T 煤层，3 T 煤层再分叉为3 T l ，3 T 2 煤层．其中3 ，3 ，3 T ，1 6 ， 收藕日期z2 0 0 0 0 3 0 3 作者筒介t 周荣福 1 9 6 5 一 ．男，江苏省高淳县人，中国矿业大学讲师．工学硬士，从事数学地质研究． 万方数据 中国矿业大学学报第2 9 卷 1 7 煤层全区可采，属稳定煤层，为主要可采煤层； 3 T 。煤层属较稳定煤层，大部分可采；6 ，1 5 t 煤层属 不稳定煤层，局部可采；2 ，3 T 。，1 8 上2 煤层属极不稳 定煤层，局部可采．以上可采煤层平均总厚 1 2 ．9 0 m ，其中稳定的主要可采煤层平均总厚 1 0 ．5 8m ，占可采煤层总厚的8 2 ％．从煤层厚度级 的划分情况来看，3 煤为特厚煤层，3J 煤为厚煤 层，3 下，3 下1 煤为中厚煤层，2 ，3 V 2 ，6 ，1 5 上，16 上，1 7 ， 1 8 。煤为薄煤层． 1 ．3 煤质 本区煤的成因类型属腐植煤类，其变质程度属 低煤价的烟煤一气煤． 山西组煤层 2 煤、3 煤 煤质优良，为低灰、低 硫、低磷、高发热量、高灰熔点，系良好的动力用煤， 经洗选后可作炼焦配焦用煤．山西组煤层煤质一般 指标能符合低温干馏用煤要求，经进一步半工业性 炼油试验后，可以考虑做炼油用煤．太原群煤层煤 质比山西组略偏肥，因含硫偏高，仅适于电力用煤． 2 矿井地质条件定量分类和评价指标 2 ．1 地质构造复杂程度 地质构造复杂程度的评定。原则上应以断层、 褶皱和岩浆岩侵入等3 个因素中复杂程度最高的 一项为准．东滩煤矿，乃至整个兖州煤田均未发现 岩浆岩．现就断层和褶皱两个因素进行定量评 价[ “． 对断层的定量评价，我们选取了断裂强度系 数 只 、断层密度系数 F d 、断层破坏程度系数 K t 3 项指标0 1 ．根据统计结果，东滩矿井大中型 断层总长度为4 15 1 0m ，矿井面积为5 7 ．6 6k m 2 ． 断裂强度系数为7 19 ，9 ；东滩矿井大、中型断层共 2 8 条，断层密度系数为0 ．4 9 ；东滩矿井断层断距和 为9 0 1m ，断层的延伸长度和为41 5 0m ，矿井面 积为5 7 ．6 6k m 2 ，断裂破坏系数为0 ．6 4 86 ． 对褶皱的定量评价，选取了褶皱指数 K 。 指 标．根据统计结果，东滩矿井大小褶曲共1 5 个，分 别统计出每一个褶曲的褶皱指数，然后取其平均值 为0 ．0 4 19 ． 另外还选用了煤层倾角变化系数 K ，根据东 滩煤矿煤层倾角定量评价成果表，对1 1 层煤计算 统计结果得煤层倾角标准差均值为3 ．7 3 06 ，煤 层倾角变异数均值为4 9 ．6 9 ％，煤层倾角变化系数 为0 ．4 9 69 ． 2 ．2 煤层稳定程度 在煤层稳定程度的定量评价中，将煤层稳定程 度划分为4 类第1 类为稳定煤层；第1 类为较稳 定煤层；第Ⅱ类为不稳定煤层；第1 V 类为极不稳定 煤层．在具体选用定量评价指标时，对薄煤层以可 采性指数 K 。 为主，煤厚变异系数7 为辅；对中厚 煤层、厚煤层和特厚煤层则以变异系数y 为主，可 采性指数 K 。 为辅． 2 ．3 其它指标 2 ．3 ．1 顶底板 根据煤层顶底板岩石物理机械性质，顶底板是 坚硬还是松软，是平整还是凹凸不平，是完整还是 破碎，以及裂隙发育程度等，把顶底板划分为4 类． 东滩煤矿顶底板为I 。类o ] ． 2 ．3 ．2 煤层倾角 根据煤层倾角的大小及其变化情况，把倾角划 分为4 类，东滩煤矿倾角为Ir 类“] ． 2 ．3 ．3 其它特殊地质因素 根据矿井瓦斯、煤的自燃和低温等，把其它特 殊地质因素划分为4 类o ] ．东滩煤矿瓦斯为I 。类， 煤尘为Ⅱ。类，煤的自然发火为Ⅱ。类，地温为Ⅲ。 类，地压为Ⅱ。类．开采技术综合评定类别为Ⅱ。 类． 3 模糊综合评判 3 ．1 模糊评判理论依据 我们引入了模糊综合评判理论[ “，将反映构造 复杂程度的指数和反映煤层稳定程度的指标有机 的结合起来。综合多个指数的信息，来全面地确定 构造复杂程度和煤层稳定程度． 设评语集合 代表等级、分类的集合 为 U 一{ 撕，“2 ，⋯，“。 ， 共m 个等级。因素集为V 一{ w 。，v ，⋯，“ ，共n 个因素，设第i 个因素的单因子评判为R 一 ，， r i 2 ，⋯，‰ ，它可以看作是u 上的一个模糊子集． 其中，r m 表示第i 个因素的评判对于第k 个等级的 隶属度．n 个因素的总的评判距阵为 R 在进行综合评判时，必须要考虑各个因素对评 判等级所起作用的大小，这种评判作用就形成了因 素集合上的模糊子集A A 一 4 1 ，a 2 ，⋯，a 。 ， 其中a t 为n 对A 的隶属度，它就是单独考虑因 素n 对评判等级所起作用大小的度量，代表了根 ‰‰； 万方数据 第6 期 周荣福等地质条件定量分类系统在东滩煤矿中的应用6 2 1 据单因素评判等级的能力．其数值只有根据经验判 断给出． 给定A ，R 后，即可进行综合评判，这种运算一 般写为如下形式 B A 。R ． A 。R 采用肘 ，o 运算模型． 每个矿区每个指数的实测值虽然有一定的范 围，但不同矿区不同数值是分散的，因此不妨假定 所有物理量对同一构造类别的隶属度为正态的，即 户 z 一e x p j f 兰_ 二型 ‘} ， L 、f， J 其中m ，c 为常数． 显然当z m 时，∥ z 一1 ，7 7 5 为均值，两个构 造点的分界指数值，由于各指数范围边界值，介于 两个相邻类别之间，因此它对于这两种相邻构造类 别的隶属度相同，令其值为0 ．5 ，对于上式即有 m 一e x p 『～f 竖型门一 z T 生丑 唧[ ～ 气产 2 ] 0 ．5 式中z t ，z f 为某级别中某指数上下限．利用这个 公式可求出每个指数的每级别段的。，值．进而求出 模糊关系矩阵R 的各个元素“ ～ 研 一e x p [ 一f 坠二弛H ． 。 ＼f “，J 综合评判的结果得到一个等级模糊子集 B 一6 l ／u l 十6 2 ／u 2 十⋯ 6 。／“。， 式中6 J 为等级嘶对B 的隶属度 j 1 ．2 ，⋯， m ，有几种利用这个子集的方法．这里采用的是最 大隶属度判别准则． 最大隶属度判别准则，即取6 ， j 一1 ，2 ，⋯， m 中的最大者，其所对应的级别 构造类别或煤层 型别 为最终确定的类型． 3 ．2 构造类别评判 选取了断层强度系数、断层密度系数、断层破 坏程度系数和褶皱指数、地层倾角变异系数共5 个 指数来综合确定构造类别． 构造类别共分为4 类，第1 类简单构造、第Ⅱ 类中等构造、第1 T 类复杂构造、第Ⅳ类极复杂构造． 单构造指数的定量指标见表1 ． 统计出的东滩煤矿构造单指数值见表2 ． 表1 单构造指数的定量指标 T a b l e1 Q u a n t i t a t i v ec l a s s i f i c a t i o ns c h e m e f o rs t r u c t u r a li n d e x e s 表2 东滩煤矿构造单指数值 T a b l e2V a l u eo fs t r u c t u r a li n d e x e si nD o n g t a nC o a lM i n e 指教F t凡 K fK 。 Y ； 数值7 19 ．904 90 ．6 4 8600 4 19 0 ．4 9 69 评判集A 一 o ．3 ，0 ．2 ，0 ．2 ，0 ．2 ，0 ．1 利用上面所述计算步骤，计算得东滩煤矿构造 等级模糊子集 B 一 0 ．4 1 ，0 ．6 8 ，0 ．0 9 ，0 ．0 0 05 7 ． 可见6 z 最大，得到东滩煤矿构造类别是Ⅱ类，略偏 向I 类． 3 ．3 煤层稳定程度评价 判定煤层稳定程度的指数有煤层可采性指数 』L 和煤层厚度变异系数7 ，煤层稳定程度分4 类， 第1 类为稳定煤层、第1 类为较稳定煤层、第Ⅲ类 为不稳定煤层、第Ⅳ类为极不稳定煤层．单煤层稳 定性定量指标见表3 ． 表3 煤层单指数定量指标 T a b l e3Q u a n t i t a t l v ec l a s s i f i c a t i o ns c h e m e f o ri n d e x e so f c o a Is 曲m 评判集A o ．5 ，0 ．5 对东滩煤矿1 1 层可采煤层，利用上面所述计 算步骤，分层统计出了各单项指数值，分层进行了 模糊综合评判，计算得东滩各煤层稳定性等级模糊 子集B 如下 2 煤占一 3 ．0 1 2 1 0 一‘，5 ．6 1 0 4 ，9 ．2x 1 0 ，0 ．7 3 82 极不稳定} 3 煤B 一 O ．7 4 7 ，7 ．4 9 l O ～，9 ．7 6 1 0 ～， 1 ．7 0X1 0 1 稳定； 3 t 煤B 一 o ．7 2 9 ，8 ．7 9x1 0 ～，9 ．7 5 1 0 ～，2 ．1 5 1 0 _ 4 稳定； 3 T 煤B 一 O ．5 4 3 ，0 ．2 6 0 ，9 ．7 9X 1 0 ～，3 ．7 8 i 0 1 稳定i 3 T 1 煤B o ．3 0 5 ，0 ．5 4 1 ，2 ．8 9 X i 0 一。9 ．4 7 万方数据 6 2 2 中国矿业大学学报第2 9 卷 1 0 - 2 较稳定； 3 f 2 煤B 一 2 ．6 4 1 0 ，7 ．4 9 1 0 ～，9 ．2 2 x1 0 ，0 ．4 9 5 极不稳定； 6 煤B 4 ．1 5 6x1 0 ～，0 ．2 3 4 ，0 ．4 3 4 ， 1 0 ～，5 ．8 0 1 0 _ 9 稳定； 1 7 煤B 一 o ．2 7 7 ．0 ．2 0 7 ，2 ．5 6 1 0 一，2 ．5 3 1 0 。稳定； 1 8 2 煤B 1 ．5 7x1 0 ～，0 ．0 4 7 ，0 ．1 8 2 ， 0 ．3 2 0 不稳定；0．354极不稳定． 1 5 煤B 一2 ．4 5 1 0 ，0 ．3 7 5 ，0 ．5 6 0 ， 分层统计出的各单项指数值及稳定程度评价 o ．4 5 5 不稳定； 结果见表4 ． 1 6 t 煤B 一 0 ．4 0 4 ，6 ．0 9 1 0 ～，6 ．7 0 “ 表4 东滩煤矿煤层定量评价成果 T a b l e4T h er e s u J to fq u a n t i t a t i v ee v a l u a t i o no fc o a ls c B mI nD o n g t a nC o a lM i n e 摸层塑主L 一 ”“～ 煤厚等级 平均厚度／m K 。 - ／ 保有储量／万t稳定程度 2 煤薄煤层 o5 4 札4 6 o9 4 7 9 4 ．4极不稳定 3 煤特厚煤层8 ．5 31 ．0 0 01 1 77 2 7 ，7稳定 3 煤厚煤层 5 ．3 9 1 ．0 0 0 ．1 5 96 9 0 ．1 稳定 3 T 煤中厚煤层3 ．2 310 00 ，2 352 4 7 ．8稳定 3 T l 煤中厚煤层l _ 6 0 1 ．0 0 0 ．3 510 7 9 ．3较稳定 3 T 2 煤薄煤层0 ．7 8 04 6 0 ．9 53 7 9 ．7极不稳定 6 煤薄煤层0 ．6 30 ．4 20 ．3 612 7 2 ．4不稳定 1 5 煤薄煤层0 ．6 90 ，5 30 ．4 7 22 4 4 ．2不稳定 i 煤薄煤层 o ．9 3o9 50 ．1 933 9 07 稳定 1 7 煤薄煤层0 ．9 8 0 ．9 60 ．2 436 6 8 ．5 稳定 1 8 t 2 煤薄煤层0 4 60 ．1 00 ．5 1 1 5 5 ．5极不稳定 计算出的模糊综合评判结果如下 3 ，3 ，3 T ，16 和17 煤属稳定煤层} 3 T l 煤属较 稳定煤层；6 ，1 5 t 煤为不稳定煤层；2 ，3 T ，1 8 上2 煤 为极不稳定煤层．东滩煤矿保有储量3 56 5 0 ．3 0 万 t ，稳定和较稳定煤层的储量为3 08 0 4 ．1 0 万t ，占 8 6 ．4 1 ％，其中稳定煤层储量为2 97 2 4 ．8 0 万t ，占 8 3 ．3 8 ％．东滩煤矿煤层稳定程度定性、定量综合评 定类别为Ia 类． 4 结论 综上所述，东滩煤矿构造综合评定类别为Ⅱ。 因稳定和较稳定煤层的储量占总储量的8 6 ．4 1 ％ 其中稳定煤层储量占8 3 ．3 8 ％，故煤层综合评定类 别为Ia ．其它开采技术条件复杂程度顶底板为 I 。，倾角为Ir ；其它特殊地质因素，瓦斯为I 。，煤 尘为Ⅱ；，煤的自然发火为Ⅱ。，地温为Ⅲ。，地压为 Ⅱ。．开采技术条件综合评定类别为I 。． 参考文献 [ 1 ] 许友志，毛善君．王景华．等．定量煤田勘探学附计算 机地质绘图[ M ] ．徐州中国矿业大学出版社，1 9 9 4 ． [ 2 ] 煤炭工业部地质测量处．矿井地质规程[ M ] ．北京 煤炭工业出版社，1 9 8 4 ．1 - 3 3 ． [ 3 ] 邹其开．模糊数学方法[ M ] ．大连大连海运学院出 版社，1 9 9 7 ． A p p l i c a t i o no fQ u a n t i t a t i v eC l a s s i f i c a t i o nS y s t e m f o rG e o l o g i c a lC o n d i t i o ni nD o n g t a nC o a lM i n e Z H O UR o n g f u l ，F E N GE n j i e 2 ，R U IX i a o p i n 9 1 ．I AW a n z h o n 9 2 。 Z H A N GH a i r o n 9 1 ．Z H A N GX i n w u 2 ，L I UX i a n g y a n 9 1 1 ．C o l l e g eo fM i n e r a lR e s o u r c ea n dE n v i r o n m e n tS c i e n c e s ，C U M T ，X u z h o u ，J i a n g s u2 2 1 0 0 8 ，C h i n a ‘ 2 D o n g t a n l C o a lM i n e o fY a n z h o uM i n i n gG r o u pC o L t d Z h o u c h e n g ，S h a n d o n g2 7 3 5 0 0 C h i n a A b s t r a c t T h eq u a n t i t a t i v ec l a s s i f i c a t i o ns y s t e mf o rg e o l o g i c a lc o n d i t i o no fc o a lm i n e sw a se s t a b l i s h e d ．S o m e i n d e x e so fg e o l o g i c a lc o n d i t i o n sw e r ed e t e r m i n e da n du s e dt oq u a n t i t a t i v e l yc l a s s i f yt h eg e o l o g i c a lc o n d i t i o n s b a s e do nf u z z yc o m p r e h e n s i v ej u d g e m e n tt h e o r y ．T h ea p p l i c a t i o no ft h i ss y s t e mi nD o n g t a nC o a lM i n ei n d i c a t e st h a ti t sg e o l o g i c a lc o n d i t i o ni ss i m p l ea n dt h ec o a ls e a mt h i c k n e s si ss t a b l e ． K e yw o r d s g e o l o g i c a lc o n d i t i o n ；q u a n t i t a t i v ec l a s s i f i c a t i o n ；f u z z yc o m p r e h e n s i v ej u d g e m e n tt h e o r ysD o n g t a n C o a lM i n e 万方数据