不規(guī)則邊角煤塊段煤層地質(zhì)條件評價及分類

李智勇 屠世浩 屠洪勝 吳 其 陸陽杰 張能虎，2

（1.中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇省徐州市，221008；2.西山煤電集團有限責(zé)任公司，山西省太原市，030053）

不規(guī)則邊角煤塊段煤層地質(zhì)條件評價及分類

李智勇1屠世浩1屠洪勝1吳 其1陸陽杰1張能虎1，2

（1.中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇省徐州市，221008；2.西山煤電集團有限責(zé)任公司，山西省太原市，030053）

針對礦井邊角煤的賦存特征，采用模糊綜合評價的方法，建立評價因素結(jié)構(gòu)，構(gòu)造隸屬函數(shù)，從邊角煤塊段開采的總體方面對其煤層地質(zhì)條件進行整體綜合評價；根據(jù)評價結(jié)果對礦井邊角煤塊段進行地質(zhì)條件分類，進而為邊角煤塊段采煤工藝的選擇提供理論依據(jù)。

邊角煤塊段 地質(zhì)條件 模糊綜合評價

不規(guī)則邊角煤塊段的形狀尺寸不規(guī)則，尺寸變化大，煤層厚度變化不穩(wěn)定，開采條件復(fù)雜，使邊角煤塊段開采工藝合理選擇缺乏理論依據(jù)。不規(guī)則邊角煤塊段煤層地質(zhì)條件評價是從邊角煤塊段開采的總體方面進行綜合評價，根據(jù)評價結(jié)果對邊角煤塊段進行地質(zhì)條件分類，進而為采煤工藝方式選擇提供理論依據(jù)。本文將采用目前應(yīng)用比較成熟和可操作性較強的模糊綜合評價方法進行評價。

1 模型構(gòu)造

不規(guī)則邊角煤塊段煤層地質(zhì)條件評價是對地質(zhì)條件適應(yīng)程度進行多層次綜合評價，將單因素的評價按一定算法映射為一綜合評價值，并以此綜合評價值的大小來衡量評價樣本屬性的優(yōu)劣程度。

設(shè)評價樣本集X＝｛x1，x2，…，xn｝有m

評價因素，其指標(biāo)矩陣：

由于每一評價因素構(gòu)造了評價模糊隸屬函數(shù)，上述指標(biāo)值矩陣X可映像為指標(biāo)隸屬度矩陣R：

多重因素權(quán)重用W＝｛w1，w2，…，wn｝表示。綜合評價模型選用加權(quán)平均型，即：

式中：bj——綜合評價值。

2 模糊綜合評價

2.1 評價的因素結(jié)構(gòu)

不規(guī)則邊角煤塊段煤層地質(zhì)條件諸因素間存在著或多或少的成因上的關(guān)系，但對于評價目的而言，如果同一層次因素不存在重疊、包含或者因果關(guān)系，層次間滿足相關(guān)遞進的關(guān)系，可以用層次分析法（AHP）建立因素的層次結(jié)構(gòu)，如圖1所示，該評價因素結(jié)構(gòu)共包括9個復(fù)合因素和17個基因素。

圖1 邊角煤塊段評價因素結(jié)構(gòu)

2.2 評價因素隸屬函數(shù)的構(gòu)造

對于邊角煤塊段煤層地質(zhì)條件的開采工藝性評價，評價因素的隸屬函數(shù)是對某一地質(zhì)因素變化對開采效果影響的模糊關(guān)系的定量描述，是模糊綜合評價模型的基礎(chǔ)。構(gòu)造隸屬函數(shù)可綜合利用技術(shù)總結(jié)、科研成果、統(tǒng)計分析和專家經(jīng)驗，可采用統(tǒng)計分析法、待定系數(shù)法、多相模糊統(tǒng)計法等恰當(dāng)?shù)姆椒ā?/p>

2.2.1 統(tǒng)計分析法

（1）煤層傾角的隸屬函數(shù)

式中：αi——第i個見煤鉆孔煤層傾角，（°）。

（2）煤層開采厚度H的隸屬函數(shù)

式中：Hi——第i個見煤鉆孔煤層厚度，m。

（3）工作面長度L的隸屬函數(shù)

（4）工作面推進長度S的隸屬函數(shù)

式中：Lmax——邊角煤工作面的最大長度，m；

Lmin——邊角煤工作面的最小長度，m；

S——工作面推進長度，m。

（6）推進轉(zhuǎn)角度ω的隸屬函數(shù)

（7）老巷覆蓋度τ的隸屬函數(shù)

式中：S″——邊角煤塊段內(nèi)老巷覆蓋面積，m2；

S′——邊角煤塊段的面積，m2。

2.2.2 待定系數(shù)法

煤層開采性、煤層變異系數(shù)、煤層堅硬性等因素與開采工藝指標(biāo)之間統(tǒng)計關(guān)系不明顯，選擇適當(dāng)?shù)碾`屬函數(shù)曲線，最后擬合隸屬函數(shù)的線性或非線性表達式。依次方法構(gòu)造下列幾個基因素的隸屬函數(shù)。

（1）煤層開采性指數(shù)Km的隸屬函數(shù)

式中：n＇——大于可采厚度的鉆孔數(shù)，個；

n——全部見煤鉆孔數(shù)，個。

（2）煤層變異系數(shù)γ的隸屬函數(shù)

H——鉆孔煤厚平均值，m；

Hi——鉆孔見煤厚度，m。

（3）煤層堅硬性指數(shù)RA的隸屬函數(shù)

式中：Re——夾矸巖石硬度，MPa；

Rc——煤的單項抗壓強度，MPa；

G——夾矸系數(shù)。

（4）直接頂單向抗壓強度的隸屬函數(shù)

評價直接頂穩(wěn)定性以直接頂巖層的單向抗壓強度σ作為評價指標(biāo)。

（5）老頂支撐性N的隸屬函數(shù)

（6）偽頂厚度h0的隸屬函數(shù)

（7）底板單向抗壓強度的隸屬函數(shù)

評價底板強度取直接底巖層的單向抗壓強度RD作為主要評價指標(biāo)。

（8）夾矸系數(shù)G的隸屬函數(shù)

式中：Gi——第i個鉆孔內(nèi)煤層夾矸厚度，m；

Hi——第i個見煤鉆孔煤層厚度，m。

（9）陷落柱強度指數(shù)k的隸屬函數(shù)

式中：si——塊段內(nèi)第i個陷落柱影響面積，km2；

s′——邊角煤塊段開采面積，km2；

ηi——塊段內(nèi)第i個陷落柱破壞厚度與開采厚度的比值。

2.2.3 多元隸屬函數(shù)法

依此方法可構(gòu)造斷層影響的多元隸屬函數(shù)：

式中：q1——斷層密度，單位面積內(nèi)斷層的條數(shù)，

q2——斷層長度指數(shù)，是指塊段單位面積內(nèi)斷層長度之和

q3——斷層落差系數(shù)，用煤層開采厚度的對數(shù)函數(shù)進行修正，

n1——塊段內(nèi)的斷層條數(shù)，個；

s——塊段面積，km2；

li——第i條斷層的長度，m；

hi——第i條斷層的落差，m；

H——工作面開采厚度，m。

2.3 評價因素權(quán)重的確定

確定邊角煤塊段煤層地質(zhì)條件評價因素的權(quán)重以開采規(guī)律為依據(jù)，以地質(zhì)條件與開采工藝的相互適應(yīng)性為主要內(nèi)容，充分利用統(tǒng)計數(shù)據(jù)、研究成果和專家經(jīng)驗。目前最常用的方法有專家評分法和層次分析法等。本評價主要采用層次分析法確定出各平價因素的權(quán)重。

層次分析法的步驟為：構(gòu)造判斷矩陣，判斷矩陣權(quán)重計算，判斷矩陣一致性檢驗。

3 煤層地質(zhì)條件分類及應(yīng)用

3.1 煤層地質(zhì)條件分類

本評價模型應(yīng)用于不規(guī)則邊角煤塊段，根據(jù)各邊角煤塊段的綜合評價值可將所評價的邊角煤塊段分成4個等級，見表1。

表1 綜合評價結(jié)果分類表

3.2 工程應(yīng)用

3.2.1 工作面概況

西曲礦邊角煤2.3＃－6塊段工作面位于北五盤區(qū)中部，北鄰待采的22504工作面，南鄰已經(jīng)回采的22502工作面，工作面西北部為小窯破壞區(qū)。工作面所采煤層為2.3＃煤層，煤層厚度穩(wěn)定，煤厚3.85～4.20m，一般厚4.05m；2.3＃煤層普遍含有一層夾矸，工作面直接頂為砂質(zhì)泥巖，厚0.90m，上履細(xì)砂巖厚2.40m，直接底為砂質(zhì)泥巖厚2.30m。工作面煤層傾角變化較大，煤層整體傾向南西，西南部傾角較大，東北部傾角較小，工作面煤層傾角4～16°，平均8°，該邊角煤塊段開采不受斷層、陷落柱以及空巷的影響，工作面長為150m，推進長度為100m，開采過程中工作面長度不變，不需變向，塊段煤層可采性為1。

表2 邊角煤2.3＃－6塊段評價因素隸屬函數(shù)值

3.2.2 隸屬函數(shù)值的確定

根據(jù)構(gòu)造的評價因素的隸屬函數(shù)，結(jié)合該邊角煤塊段的實際情況，計算各因素的隸屬函數(shù)值見表2。

3.2.3 評價因素權(quán)重確定

經(jīng)過對專家的咨詢調(diào)查，對邊角煤塊段煤層地質(zhì)條件多因素評價構(gòu)成的判斷矩陣的結(jié)果見表3～表8。

表3 A～B層判斷矩陣

表4 B1～C判斷矩陣

表5 B2～C判斷矩陣

表6 B6～C判斷矩陣

表7 B7～C判斷矩陣

表8 B8～C判斷矩陣

對以上判斷矩陣進行一致性檢驗，當(dāng)隨機性比值CR＜0.1時，判斷矩陣具有滿意的一致性。檢驗結(jié)果見表9。

表9 判斷矩陣CR值計算結(jié)果

對于不規(guī)則邊角煤塊段煤層地質(zhì)條件的評價可構(gòu)造A～B和Bi～C兩層矩陣。

表10 各因素權(quán)重計算結(jié)果

（1）對于所構(gòu)造的判斷矩陣，用乘積n次方根法求相對權(quán)系數(shù)。

對于A～B矩陣：

對于Bi～C矩陣：

（2）C層基因素相對于A層的權(quán)系數(shù)可用式（23）計算，即：

最終計算出的復(fù)合因素及基因素的各權(quán)重系數(shù)合理，見表10。

3.2.4 綜合評價結(jié)果

根據(jù)綜合評價模型，計算出不規(guī)則邊角煤2.3＃－6塊段的煤層地質(zhì)條件綜合評價的結(jié)果為0.935，該塊段地質(zhì)開采條件為優(yōu)，可以采用綜采工藝進行開采。

4 結(jié)論

（1）應(yīng)用邊角煤塊段煤層地質(zhì)條件綜合評價模型對西曲礦38個邊角煤塊段進行評價，其中地質(zhì)條件為優(yōu)的塊段有27個，可采儲量為5.3Mt，占該礦邊角煤總可采儲量的70.18%；地質(zhì)條件為良的塊段有6個，可采儲量為1.37Mt，占18.12%；地質(zhì)條件一般的塊段有5個，可采儲量為8.85Mt，占11.7%。

（2）邊角煤2.3＃－6塊段通過煤層地質(zhì)條件綜合評價結(jié)果為0.935，因而可以采用綜采。綜合考慮其現(xiàn)場的實際情況，采用MG250／600－WD型采煤機、ZZ5200／19.5／42型液壓支架以及SGZ－764／630型刮板輸送機配套開采，采出煤量為7.6萬t，塊段采出率為93%，塊段凈收益達4700余萬元。

[1] 劉書民，梁旭.工作面煤層地質(zhì)條件開采工藝性可拓評價[J].中國煤炭，2011（3）

[2] 張東升，徐金海.礦井高產(chǎn)高效開采模式及新技術(shù)[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2003

[3] 張東升，張吉雄，張先塵.工作面煤層地質(zhì)條件開采工藝性的模糊綜合評價[J].系統(tǒng)工程學(xué)報，2002（6）

[4] 張朋柱，劉軍.選擇煤炭回采工藝方式的遞階結(jié)構(gòu)模型與求解[J].系統(tǒng)工程理論與實踐，1999（8）[5] 張科學(xué)，白建彪，郝云新等.煤巷錨桿支護效果的多層次模糊綜合評價[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2010（8）

[6] 郭德勇，范金志，馬世志等.煤與瓦斯突出預(yù)測層次分析－模糊綜合評判方法[J].北京科技大學(xué)學(xué)報，2007（7）

Evaluation and classification of coal geology of mine irregular leftover coal

Li Zhiyong1，Tu Shihao1，Tu Hongsheng1，Wu Qi1，Lu Yangjie1，Zhang Nenghu1，2

（1.School of Mines，China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221008，China；2.Xishan Coal Electricity Group Co.Ltd.，Taiyuan，Shanxi 030053，China）

For the features of mine leftover coal，by using the fuzzy comprehensive evaluation method，establishing the evaluation of the factor structure and constructing the membership functions，the overall evaluation of the geological conditions of its coal seam from overall aspects of mine leftover coal were conducted.According to evaluation results，the classification of geological conditions for mine leftover coal were carried out，then the theoretical basis for mining technology to select mine leftover coal were provided.

mine leftover coal，geological conditions，fuzzy comprehensive evaluation

TD823.88

A

李智勇（1986－），男，江蘇省沛縣人，中國礦業(yè)大學(xué)碩士研究生，主要從事采礦方法與礦業(yè)系統(tǒng)工程方面的研究。

（責(zé)任編輯 張毅玲）