大同煤田鹅Ⅳ精查勘探区煤层稳定性评价

宋 景，王 璐

(陕西省一九四煤田地质有限公司，陕西 铜川 727000)

0 引言

煤层稳定程度直接影响煤炭勘查工作及矿井建设的规模，其稳定性受控于煤层顶板工程地质特征、水文地质特征，但本质是由煤层形成的沉积环境决定的[1-2]。对于煤层及顶底板稳定程度的研究，已有大量研究成果[3-7]。武洪涛等[8]对我国煤层顶板稳定性评价进行了综述，指出煤层顶板稳定性评价包括3种方法：传统地学分析、工程地质学分类和综合定量评价，建议今后煤层稳定性评价引入大数据与计算技术及人工神经网络技术进行煤层稳定性评价。谷玉明等[9]依据DZ/T 0215—2002《煤、泥炭地质勘查规范》[10]对鄂尔多斯盆地南部杨家坪井田煤层稳定性进行定量与定性评价，对该区后期煤田勘查有一定指导意义。殷广标等[11]根据可采指数、变异系数以及变概比等指标，对安徽淮南新集一矿煤层稳定性进行了评价，得出主采煤层1号煤层为稳定煤层。

前人在煤层稳定性评价方面所取得的认识对指导现今煤矿生产阶段煤层稳定性评价与分析具有指导意义。本文结合生产实践的需要，以大同煤田鹅Ⅳ精查勘探区为研究对象[11-12]，依据2013年12月31日国家安全生产监督管理总局、国家煤矿安全监察局制定的《煤矿地质工作规定》[13]第十二条中，煤层稳定性以煤层变化规律和可采性采用定性和定量结合的方法，来确定研究区主要煤层的稳定性，以便于指导大同煤田其他勘探区煤层稳定性分析。

1 研究区地质概况

大同煤田为一双纪煤田，下部为石炭-二叠纪含煤岩组，上部为侏罗系含煤岩组，大同煤田鹅Ⅳ精查勘探区面积约20.04 km2，位于大同煤田的中部东南边缘，以石炭系含煤岩组为主要目标层，地层属华北地区北部边缘，地层总体向西倾斜，在此基础上发育一系列宽缓的褶曲构造，地层倾角1°～6°，构造中等。区内地层由下至上有奥陶系，石炭系中统本溪组、上统太原组，二叠系下统山西组、下石盒子组、上统上石盒子组以及新生界第四系中、上更新统、全系统。地层分布特征与构造纲要如图1所示。

图1 大同煤田地层分布特征与构造纲要图

本区含煤地层为二叠系下统山西组、石炭系上统太原组、中统本溪组。

山西组含煤4层，该组地层厚度16.07～178.85 m，平均厚度136.10 m，煤层总厚2.64 m，含煤系数1.94%，自上而下编号为山1、山2、山3、山4，其中山1、山2、山3由于其零星分布，仅个别点可采，极不稳定，煤层薄，含煤性差。山4号煤层见煤点55个，其中可采点48个，为大部可采煤层。

太原组为本区的主要含煤地层，共含煤9层，编号为1、2、3、3-5(5)、6、7、8-1、8、9号煤，其中2、3、4(3-4)、5号煤层合称为上煤组，6、7、8、9、10号煤层合称为下煤组。3号煤层在区内中东部与4号煤层合并，西部则与4号煤层分开。2、4(3-4)、5、8号煤层为主要可采煤层，煤层总厚度平均37.62 m，可采煤层总厚平均35.01 m。本组地层厚62.41～170.5 m，平均厚85.74 m，含煤系数43.88%，可采煤层含煤系数40.83%。

本溪组含煤1层，煤厚小于0.50 m，零星分布，无工业价值，含煤性极差。

2 可采煤层稳定性定性评价

2.1 山4 号煤层

山4号煤层位于山西组下部，距山西组底界K3砂岩约9.10 m，距2号煤层平均约15.56 m。见煤点55个，可采点48个。区内大部分分布，煤厚0～3.18 m，平均1.86 m，含1～4层夹矸，一般1～2层；除勘查区东部和南部无煤赋存外，绝大部分范围赋存。结构简单，煤层厚度变化不大，规律明显，为大部可采的较稳定煤层。

2.2 2号煤层

2号煤层位于太原组的顶部，距山西组底部的K3标志层一般0～14.03 m，平均4.93 m。与山4号煤层间距3.00～26.34 m，平均15.56 m；与3号煤层间距0～5.86 m，平均2.86 m。煤层厚度为0～7.91 m，平均2.56 m，由西向东渐薄至尖灭，区内大部分布。含1～12层夹矸，一般为2～3层，结构复杂，煤层厚度变化较大，规律明显，为大部可采的较稳定煤层。

2.3 3号和4(3-4)号煤层

3号煤层位于2号煤层之下0.70～5.86m，平均2.86m，煤层厚0～13.40m，平均5.00m，含1～10层夹矸，一般为3～5层，煤层结构复杂，厚度大，本区24个见煤点，其中可采见煤点21个，面积不足全区的1/3，主要分布在本区西部，东部与4号煤层合并。与4号煤层分岔区间距平均1.71m，属局部可采较稳定煤层。

4(3-4)号煤层为本区主要可采煤层之一。位于K3砂岩之下约8m，分叉区内与3号煤层间距为0.70～4.19m，平均1.71m，煤层厚1.16～17.96m，平均厚7.11m，含1～13层夹矸，一般为3～5层，东部与5号煤层合并。结构较复杂，煤厚变化较大，为大部可采的较稳定煤层。

2.4 5号煤层

5号煤层的见煤点有68个，均可采。位于4号煤层之下0.7～28.23 m，平均间距5.54 m，与4(3-4)号煤层间距由东向西逐渐变大，煤层厚3.04～30.88 m，平均厚14.51 m，东部与4(3-4)号煤层合并，合并区内煤层最厚30.88 m(钻孔为鹅318)，平均24.64 m。含0～11层夹矸，一般为4～7层，煤层结构极复杂，煤层厚度变化较大，变化规律明显，属于全区可采的较稳定煤层。

2.5 8号煤层

8号煤层上距5号煤层16.06～51.0 m，平均30.02 m，煤层厚1.12～10.26 m，平均厚度为6.45 m，煤层由2～5个(一般2～3个)煤分层组成，含1～15层夹矸，一般为1～3层，结构复杂，煤层厚度有一定变化，但变化规律明显，为全区可采的较稳定煤层。

3 可采煤层稳定性定量评价

煤层厚度和可采范围是评价煤层稳定程度的两个主要方面。通过施工钻孔获得煤层厚度，借助钻孔基础数据报表，计算煤层可采性指数(Km)、煤厚变异系数(γ)等参数。

煤层可采性指数(Km)

Km=n′/n

(1)

式中：n′—煤层厚度大于或等于可采厚度的见煤点数；n—参与煤层厚度评价的见煤点总数。

煤厚变异系数(γ)

(2)

(3)

根据国家安全生产监督管理总局、国家煤矿安全监察局《煤矿地质工作规定》第十二条中煤层稳定性定量评定，薄煤层(厚度0.50～1.30 m)以煤层可采性指数为主，煤厚变异系数为辅，中厚煤层(厚度1.30～3.50 m)及厚煤层(厚度3.50～8.00 m)以煤厚变异系数为主，可采性指数为辅(表1)，采用“就高不就低”的原则。

表1 煤层稳定性评价指标

鹅Ⅳ精查勘探区20世纪50年代施工钻孔较多，因条件限制，未能利用物探测井手段配合验证，但由于执行严格的技术管理制度，钻探施工质量较高，经周边小煤矿多年的探采证明，其钻孔勘探成果是可靠的。

本次以20世纪50年代施工的49个钻孔、最近几年施工的19个钻孔，共68个钻孔资料为基础，对各钻孔揭露的煤层资料进行整理与统计，利用式(1)、式(2)得出煤层变异系数(γ)、煤层可采性指数(Km)。结果见表2。

可采性指数(Km)是确定煤层稳定程度的主要参数，可采性指数越小，煤层可采性越差。煤层变异系数(γ)反映煤层厚度及变化规律，其数值越大，表明煤层厚度变化较大。

从表2可以看出，鹅Ⅳ精查勘探区内山西组主要可采煤层山4号煤层平均煤厚1.86 m，属于中厚煤层；太原组2、3、4(3-4)、5、8号煤层属中厚-厚煤层。煤层稳定性定量评价以变异系数为主，可采性指数为辅，用表1的评价指标和标准，并采用“就高不就低”的原则，确定不稳定煤层为3号煤层；较稳定煤层为山4、2、4(3-4)、5号煤层；稳定煤层为8号煤层。

表2 各煤层稳定程度定量划分参数运算结果

需要说明的是，个别煤层因为分叉合并、岩浆岩侵入等因素影响定量及定性评价结果，遵循“就高不就低”的原则，确定煤层稳定程度。其中，3号煤层定性评价为局部可采的较稳定煤层，定量评价为不稳定煤层，最终确定为较稳定煤层；8号煤层定性评价为全区可采的较稳定煤层，定量评价为稳定煤层，最终确定为稳定煤层。

4 结论

(1)大同煤田鹅Ⅳ精查勘探区内可采煤层层数多，主要有山西组山4号煤层，太原组2、3、4(3-4)、5、8号煤层，结构复杂-极复杂。

(2)采用煤层可采性指数、煤层变异系数两个指标，并遵循“就高不就低”的原则，对山4、2、3、4(3-4)、5、8号可采煤层稳定性进行定量评价。评价结果显示，8号煤层为稳定煤层；山4、2、3、4(3-4)、5号煤层为较稳定煤层。定量评价及常规定性评价结果基本一致。

(3)采用定性描述、定量评价(煤层可采性指数与煤层变异系数为指标)相结合的方法对煤层稳定程度进行科学合理的评价，对今后该区煤矿生产有实际指导意义。