煤层稳定性评价方法探讨

【摘 要】为了寻求一种有效的，操作简单的煤层稳定程度评价方法，采用数理统计各项特征表征煤层厚度离散程度及可采性，煤层厚度等值线图展现煤层稳定形态及在不同方向的变化特征。以贵州省务川县黄河坝勘查区C1煤层为例，C1煤层平均厚度0.88m，标准差0.43，变异系数49%，稳定程度指数41%，可采系数0.67，可采指数0.75，煤层厚度等值线图形较复杂，呈现不稳定煤层形态，且表明南北向变化幅度较东西向小，北部较南部的稳定。经评价C1属不稳定煤层，评价结果客观地反映煤层厚度的变化特征，评价方法简单，具有可操作性。

【关键词】煤层；稳定性评价；数理统计；煤层厚度等值线

在煤炭地质勘查中，煤层稳定性是布置勘查工程方案合理性的主要决定因素。《煤、泥炭地质勘查规范》中对煤层稳定性的评价，以定性描述为主，定量评价辅之。定性评价大多采用从经验法、类比法，评价结果受到人为因素的影响，随意性较大，缺乏科学性，可能造成勘查工程的浪费或煤层未得到有效控制。定量评价多采用数理统计方法，以平均厚度、标准差、变异系数和可采系数等指标来确定煤层的稳定程度[1]，此类方法具有计算方法简单，容易操作，却没有考虑煤层厚度在空间上变化特征。一些单位和个人利用地质统计学中的半变差函数的参数为指标，建立煤层厚度变化性指数，来定量的表征煤层稳定性[2-3]；也有人采用模糊数学中的模糊综合评判理论，将反映煤层稳定性因素（平均厚度、变异系数、方向变化率、煤层结构复杂程度等）建立模糊综合评判数学—地质模型评价煤层稳定程度[4-6]。这两种方法都充分考虑到了影响煤层稳定性的各项因素，特别是煤层在空间变化特征，弥补了数理统计法的不足。但这两种方法数学理论深奥，且计算过程复杂繁琐，实践工作中应用不多。

作者经长期煤炭勘查实践：认为煤层厚度等值线图能直观地、全面地反映煤层在不同方向的变化特征，加上数理统计中的各项指标来表征煤层厚度的离散程度和可采性，能有效地对煤层稳定程度进行分析和评价，从而指导煤炭勘查工程布置。通过对贵州省务川县黄河坝勘查区C1煤层资料分析，采用数理统计法、煤层厚度等值线图进行煤层稳定性评价，探讨这两种评价结果的有效性和评价方法的可操作性。

1 勘查区地质及煤层概况

贵州省务川县黄河坝勘查区位于贵州省北东部务川县境内，大地构造属扬子准地台黔北台隆、遵义断拱凤冈北北东向构造变形区北部，镇江向斜北段。西翼岩层较缓，倾角10～30°；东翼岩层较陡，倾角15～80°，东翼北段岩层近于直立或倒转。仅在区内北西部发育1条小的北东向张性断裂，对煤层影响不大。区内构造复杂程度中等。

区内含煤岩系为二叠系上统吴家坪组第一段，为潮坪沼泽—浅海相至浅海相含煤沉积地层。由灰岩、含燧石灰岩、粘土岩、粉砂质粘土岩、粉砂岩、细砂岩、黄铁矿粘土岩、铝土质粘土岩、炭质粘土岩及煤层（线）组成，厚26～39m，平均31.73m。含一层可采煤层（即：C1），含煤系数2.9%。

C1煤层产于含煤岩系下部，厚度0.15～1.97m，平均0.88m。含1～3层厚0.02～1.36m，岩性为粘土岩、炭质粘土岩夹矸。为瘦煤，属中灰、高硫、低挥发分、中等固定碳、中热值煤，具有中强粘结性、中度结渣。微观煤岩类型属微硫化物质煤，变质阶段属Ⅳ阶段。

2 C1煤层稳定性评价

煤层稳定性是指煤层厚度在空间上的分布、变化及变化规律。煤层稳定性评价主要针对煤层厚度的变化，通过一些特征值来表征。数理统计方法突出整体煤层的变化性和特征，而未能表征煤层变化在不同方向上的变化特征。而煤层厚度等值线法具有直观性、客观性的特点，有效地展现了煤层在不同方面的变化，能弥补数理统计法评价缺陷。

2.1 数理统计法

在煤层稳定程度定量评价中，目前主要采用数理统计方法[1]，应用概率论的基本理论，对煤层厚度进行统计，分析计算其各种特征值来表征煤层厚度的离散程度及可采性，进而寻求划分煤层稳定程度类型的定量依据[7]。现多采用平均厚度、标准差、变异系数和可采系数等特征值来定量评价煤层稳定程度。在《矿井地质规程》中提出的煤层稳定性定量评价方法，并明确指出，在定量评价煤层厚度稳定性时，薄煤层以可采系数Km为主要指标，变异系数Cv为辅助指标；而中厚及厚煤层以变异系数Cv为主要指标，可采系数为辅助指标。

2.2 煤层厚度等值线法

煤层厚度等值线法是各见煤点的煤层厚度按实际位置展示于平面图上，而绘制的出的等值线图，并在此基础上进行的煤层稳定程度评价[8]。它展现了各见煤点的平面位置与相对距离。对于不同的稳定程度煤层，其等值线形态表现出不同的形态，如：稳定煤层等值线图通常具有平直、宽缓、连续，图形简单，线间距大致相等，煤层厚度变化具有明显的方向性且辐度不大；较稳定煤层虽也连续、图形较简单，但其线间距呈现有规律性变化，煤层厚度变化方向性不甚明显且变化辐度较大；不稳定煤层则等值线较紧密，图形较复杂，线间距变化且无规律，出现明显的高（低）峰值点；而极不稳定煤层图形复杂，等值线紧密，一般不连续，变化无规律性可言，有多个明显的高（低）峰值点。

从图2中，我们不难看出区内C1煤层厚度等值线图形较复杂，具有一定连续性，但等值线较紧密，且间距变化较大，变化无规律性，明显出现3个高峰值点和2个低峰值点。从西向东呈现厚度增大趋势，但变化幅度较大，在中部出现1个明显的凹陷地段。从南向北具有波浪式变化形态，等值线间距较大，呈现不甚明显的向北变厚的趋势。总体来看：区内C1煤层为不稳定煤层，南北向变化幅度较东西向小，北部较南部的稳定。

2.3 讨论

数理统计方法是目前煤层稳定性定量评价最常用的方法，其各项特征值很好地反映了煤层厚度变化的离散程度和可采性。这种计算方法简单，容易操作，但的评价指标较少，未能表征煤层厚度的空间分布、空间变化特征，其评价精度有限。

煤层厚度等值线图是常作的综合研究图件之一。它以图式的方式客观地、全面地反映煤层厚度在空间分布、空间变化特征和趋势，具有直观性、客观性、一致性等特点。虽然可以计算不同区段的变化斜度[8]来量化煤层厚度的稳定性，但它仍是一种定性评价方法。

这两种方法都存在各自不同的优、缺点，我们可以这两种方法优点有机地结合起来，相互弥补了各自的不足之处，提高煤层稳定性评价的精度。数理统计法表现煤层厚度变化的离散程度，煤层厚度等值线法反映了煤层厚度的空间分布和空间变化。评价结果客观地反映了煤层厚度的变化特征，评价方法简单，具有可操作性。

3 结论

（1）煤层平均厚度0.88m，标准差0.43，变异系数49%，稳定程度指数41%，可采系数0.67，可采指数0.75，C1煤层厚度等值线图形较复杂，呈现不稳定煤层形态，且表明南北向变化幅度较东西向小，北部较南部的稳定。经综合评价：C1煤层为不稳定煤层，南北向变化幅度较东西向小，北部较南部的稳定。

（2）将数理统计法与煤层厚度等值法优点有机地结合起来，提高煤层稳定性评价的精度。数理统计法表现煤层厚度变化的离散程度及可采性，煤层厚度等值线法反映了煤层厚度的空间分布和空间变化。评价结果客观地反映了煤层厚度的变化特征，评价方法简单，具有可操作性。

参考文献

[1]煤炭工业部.矿井地质规程[M].北京：煤炭工业出版社，1984.

[2]彭华.地质统计法在煤层稳定性定量评价中应用[J].山西煤炭，2002，22（2）.

[3]崔洪庆，张振文，张平安.煤厚半变差函数的结构分析[J].辽宁工程技术大学学报，2003，22（3）.

[4]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）.

[5]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）.

[6]王猛，题正义.模糊综合评判在深部煤层稳定性评价中的作用[J].矿业安全与环保，2006，33（4）.

[7]魏迎春，曹代勇，邓觉梅.煤层稳定性定量评价模型探讨[J].中国矿业，2010，19（9）.

[8]李传铭.运用等值线图法评价煤层稳定程度之研究[J].中国煤炭地质，2008，20（7）.