煤层稳定性定量评价

殷广标，陈 萍

（安徽理工大学 地球与环境学院，安徽 淮南232001）

1 前言

煤层稳定性分析，要从三方面考虑：煤层厚度、结构变化的幅度和范围；煤层厚度值的变化范围；煤层厚度、结构变化的性质。关于煤层稳定性的研究，有些研究者提出过一些评价方法，如：曹代勇等于1998年提出利用趋势面分析揭示井田煤厚变化的主体特征，再采用方向梯度和滑动窗口变异系数作为煤厚变异性定量描述的参数〔1〕；又于2000年建立煤层稳定性评价信息系统〔2〕；刘建华等（1998）提出煤层稳定性的灰色评价方法〔3〕。这些评价煤层稳定性的方法虽有其优越性，尚未被推广应用。本文主要以《矿井地质规程》第7条规定的方法，利用煤层可采性指数和煤层变异系数两参数评定煤层稳定性〔4〕结合赵铁同志提出的变概比〔5〕综合分析评价淮南新集一矿5个主采煤层的稳定性。

2 煤层稳定性评定方法

2.1 煤层稳定性评价指标

《矿井地质规程》规定：薄煤层以可采性指数（Km）为主，煤厚变异系数（γ）为辅；中厚及中厚以上的煤层以煤厚变异系数为主，可采性指数为辅（见表1）。

表1 评价煤层稳定性的主、辅指标

可概比（CPR）：煤层变异指数与可采概率的百分比；其具体意思是单位厚度变化在可采范围内占有的比率大小。变概比大且占有的比率大，说明煤层不稳定或极不稳定。变概比小且占有的比率小，说明煤层稳定。变概比大而所占的比率小或变概比小而所占的比率大，说明煤层较稳定。参照指标见表2。

表2 煤层稳定性可概比划分指标

2.2 煤层稳定性计算公式

1）煤层的可采性指数：

式中：n为井田内参与煤厚评价的见煤点总数（要求分布均一，有代表性）；n′为其中煤厚大于或等于可采厚度的见煤点数。

2）煤层厚度变异系数

式中：H1为见煤点实测厚度为见煤点平均煤厚；n为见煤点数；S为标准差。

3）变概比

3 新集一矿煤层稳定性评价

含煤地层为石炭二叠系，评价煤层为1、1上、13－1、13－1推覆体、20等5个煤层，其可采指数、变异系数、可概比计算结果见表3。对1上、13－1、13－1推覆体、20等4个煤层的数据分析，可以清晰地看出两种评价方法的计算结果基本保持一致，但是1煤层由于北厚南薄，且厚度跳跃性比较大，计算结果与实际生产单位反映的稳定系数有出入，经分析，1煤层的厚度变化有规律可循，有明显的区域性变化，因此，对1煤层做分区讨论，讨论结果见表3。由表3可见，煤层稳定性依次为13－1、1、8、13－1推覆体、20。

经过钻孔数据计算，其结果与煤矿地质报告大致相符，出入部分为最近打钻揭露的数据，煤层稳定性的评价标准，经过两种方法的计算对比，明显适用于本次矿区评价。

表3 各煤层信息统计

4 新集一矿13－1煤层厚度差异性分析

4.1 煤层厚度变化分析

影响煤层厚度变化因素可分为原生变化和后生变化。

原生变化：又称同生变化，是指泥炭堆积过程中，煤层顶板覆盖之前，由于地质因素的影响造成煤层厚度和形态的变化。

后生变化：是指沉积覆盖之后，由于河流冲刷、构造变动、岩浆侵入等后期地质作用造成煤层厚度和形态的变化。

原生变化与后生变化分为以下几个方面：

4.2 井田13－1煤层构造概况

新集一矿位于谢桥向斜南翼，颖凤阜凤推覆构造的中段，阜凤逆冲断层将外来系统由南向北推覆在原地系统之上，由于受由南向北强大的压应力影响，阜凤推覆构造以上形成迭瓦扇构造组合。

外来系统又称推覆体或外来体，构造比原地系统复杂。主要由下元古界片麻岩及古生界寒武系灰岩组成。地层走向近东西，总体倾向北，倾角变化大，构造复杂。

原地系统指推覆构造的下伏盘，相对来说没有大的移动，因此组成和结构同推覆体有根本的区别。原地系统由石炭系、二叠系及其下伏地层组成，构造线方向与外来系统大体一致，走向东西－北西西，倾向北。

原地系统13－1煤层厚度（见图1）与同一层段潘一井田（见图3）对比，煤层厚度大体一致，因此判断原地系统与推覆体煤层厚度差异性变化，并非原生变化造成。揭露推覆体煤层的22个钻孔显示，没有发现岩浆侵入；两系统顶板岩性一致，沉积后期没有经历过差异性冲刷；推覆体煤层厚度（图2）与原地系统对比较薄，因此可以推断出，差异性压实对于本煤层并不存在多大的影响。

综合分析得出，推覆体煤层厚度较原地系统变薄的原因只有构造形变因素；推覆体由于外力推动而覆于原地系统之上，推动过程中地层受到严重的挤压变形甚至错断。煤层本身质地松软，在构造应力影响下，容易发生塑性流动和变形，因而导致煤层产生局部加厚、变薄甚至尖灭等变化。在不同的构造变化中，煤层厚度变化有以下两方面：

（1）褶皱：水平挤压力作用力下，煤层形成褶皱，褶曲两翼受力大于轴部，煤由压力大的地方流向压力小的地方，造成向、背斜两翼煤层变薄，轴部煤层变厚；垂直压力作用力下，褶曲轴部压力大于两翼压力，造成轴部煤层厚度变薄，两翼增厚。

（2）断裂构造：断裂构造对煤层厚度的影响只在断层面附近，由牵引作用使煤层局部加厚或者变薄，沿断层形成煤层迭覆带或断层无煤带，以及断层两侧煤层厚度变化。

图1 新集一矿13－1原地系统煤层等值线

图2 新集一矿13－1外来系统（推覆体）煤层等值线

图3 潘一矿13－1煤层厚度等值线

5 结语

在进行煤层稳定性评价时，要充分分析，采区的地质构造和沉积环境概况，尽可能多地利用钻孔数据，两者结合起来分析煤层稳定性。

煤层稳定性，主要由方差决定，当煤层厚度值跳跃性较大时，评价往往为不稳定或极不稳定；在评价完毕后，要结合煤层厚度等值线图，了解厚度变化是否具备区域分布特征，如果具有，评价时应该分区讨论。

〔1〕曹代勇，刘钦甫，彭苏萍，等.超化井田二1煤层厚度变化规律定量研究〔J〕.煤田地质与勘探.1998，26（5）：28—32.

〔2〕曹代勇，傅正辉，周云霞.现代化矿井的煤层稳定性评价信息系统〔J〕.煤炭科学技术，2000，28（7）：1—4.

〔3〕刘建华，汪大发.煤层稳定性的灰色评价之研究〔J〕.煤炭学报，1998，23（4）：406—411.

〔4〕煤炭工业部.矿井地质规程〔S〕.北京：煤炭工业出版社，1984.

〔5〕于莉莉，徐 会，陈立云.煤层稳定性定量评价之研究〔J〕.中国煤田地质，2007，19（4）.