CN108595834B - 一种基于多地质因素的煤层顶底板动力分区评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多地质因素的煤层顶底板动力分区评价方法，包含以下具体步骤：第一步：确定影响煤层顶底板动力分区的因素并将各个影响因素细划分为不同类型，影响因素包括：煤层顶板岩石组合、煤层底板岩石组合、煤层埋深、构造复杂程度、顶板垂向压强、岩层抗压强度；第二步：矿区动力区块的划分；第三步：影响因素及其类型的赋值；第四步：权重计算；第五步：分别绘制矿区的顶板动力分区图和底板动力分区图；第六步：绘制顶底板动力分区综合分布图。本方法考虑了多种地质因素对煤层顶底板动力影响，可准确地预测煤层顶底板动力分区，能够大大减少了煤层顶底板安全事故，为实现矿山安全生产提供了有利的保障。

Description

一种基于多地质因素的煤层顶底板动力分区评价方法

技术领域

本发明涉及一种煤层顶底板动力分区评价方法，尤其是一种基于多地质因素条件下的煤层顶底板动力分区评价方法，属于地质勘探和矿井安全开采技术领域。

背景技术

冲击地压是煤岩体的突然破坏现象，如同装在煤岩体中的大量炸药一样，煤和岩石突然被抛出，导致支架折损、片帮冒顶、巷道堵塞、伤及人员，并伴有巨大声响和岩体震动，形成大量煤尘和强烈的冲击波。因此，如何解决煤层顶底板冲击地压危险型的预测问题，对于减缓或杜绝煤矿安全生产的冲击危险性具有极其重要的理论指导意义和实用价值。

冲击地压对煤矿安全开采影响很大，但是以往对于冲击地压的研究主要是集中在已采区的预测和治理，而对于未采区尤其是深部开采的煤层顶底板动力分区和冲击地压倾向性预测则一直没有开展预测和研究。新时代的煤矿安全开采则要求超前预测和探测，尤其是对于未采区顶底板动力分区能够做到有效预测则成为现在煤矿开采的重点。

本发明开展的煤层顶底板动力分区评价，在分析动力分区影响因素的基础上，建立煤层顶底板动力分区评价模型，并利用评价模型对煤层顶底板动力分区进行评价。通过动力分区评价，在得出冲击危险程度的同时，划分了冲击危险区域，能够为深部开采煤层顶底板冲击地压倾向性提供依据。

发明内容

本发明的目的在于，为了克服以往评价方法的不足，针对未开采区尤其是深部开采的矿井煤层顶底板动力分区的划分问题，通过研究采区的开采深度、地质构造、煤岩结构及力学性能等动力分区影响因素，提供了一种基于多地质因素的煤层顶底板动力分区评价方法，应用多因素控制下的评价方法进行动力分区评价，能够较准确的预测冲击地压危险性，并划分了冲击危险区域。

为了解决背景技术所存在的问题，本发明的一种基于多地质因素的煤层顶底板动力分区评价方法，步骤如下：

第一步：确定煤层顶底板动力分区的影响因素并将各个影响因素细划分为不同类型。采用沉积—构造分析方法，研究煤层顶底板沉积环境，利用分形理论展开地质构造复杂程度评价确定影层顶底板动力分区的影响因素。

影响因素包括：煤层顶板岩石组合、煤层底板岩石组合、煤层埋深、构造复杂程度、顶板垂向压强、岩层抗压强度，分别用YZ₁、YZ₂、MS、GZ、LJ、KY表示；其中煤层顶板的影响因素有：YZ₁、MS、GZ、LJ和KY，煤层底板的影响因素有：YZ₂、MS、GZ和KY。

各个影响因素的详细类型：

(1)将岩性组合划分为4个类型：岩石颗粒向上变细层序—下硬上软型、岩石颗粒向上变粗层序—下软上硬型、岩石颗粒粗细相间层序—复杂型、岩石颗粒以泥岩和粉砂岩为主—泥岩型；对于顶板、底板的岩石组合类型分别用A_i、B_i表示，i依次取1、2、3、4；如果矿区岩性组合只有其中几种类型只需要选用对应符号依次表示表示即可。

(2)将煤层埋深范围详细划分为不同类型：结合矿区钻孔资料，确定煤层埋深范围，将煤层埋深按照100米一段划分为不同的阈值区间，依次用C_i表示(i取值为1、2……n)，阈值取整百的数字，最小阈值以下为一个分段，最大阈值以上为一个分段。

(3)将煤层顶底板构造复杂程度详细划分为不同类型：利用分形理论中相似维值Ds的大小对矿区构造复杂程度进行评价，结合Ds的范围合理地将矿区构造复杂程度划分出5类型：Ds＜1.0—简单、1.0≤Ds＜1.1—较简单、1.1≤Ds＜1.2—中等、1.2≤Ds＜1.3—较复杂和1.3≤Ds—复杂，用D_i表示，i取值为1、2、3、4、5。

(4)将煤层顶板垂向压强详细划分为不同类型：根据钻孔资料，计算各个岩心厚度H、钻孔面积S通过查找岩性密度资料得出顶板各个岩心的密度ρ。根据公式：P＝ρ·g·H，其中g为重力加速度，得到煤层顶板垂向压强P/pa。将煤层顶板垂向压强按照10000pa一段划分为不同的阈值区间，依次用E_i表示，其中i取值为1、2……n，阈值取整万的数字，最小阈值以下为一个分段，最大阈值以上为一个分段。

(5)将岩石抗压强度详细划分为不同类型：依据典型钻孔岩样的力学测试分析结果，得到岩石抗压强度，跟岩石抗压强度值的大小确定抗压强度分布范围。结合矿区的顶底板岩层抗压强度等值线图，找出抗压强度Kg/cm²的最大值和最小值，按照5Kg/cm²一段划分为不同的阈值区间，依次用F_i表示，其中i取值为1、2……n，阈值取5的倍数的数字，最小阈值以下为一个分段，最大阈值以上为一个分段。

第二步：矿区动力区块的划分

依据矿井地质图，按照经纬度的分布特点，尽量保证区块不穿越太多的断层或者主要的地质断块，对整个矿区进行了区块划分，依据矿区大小而定，保证区块数不少于30个，不完整区块忽略不计，对每个区块进行标号，并且记录中心点坐标。

第三步：影响因素及其类型的赋值

结合第一步和第二步的结果确定各区块中影响煤层顶底板动力分区的各个单因素的具体类型，根据“征集专家评分”的方法，首先分别对煤层顶板、底板动力分区的影响因素进行赋值，煤层顶板的影响因素的权重YZ₁+MS+GZ+LJ+KY＝1，煤层底板的影响因素的权重YZ₂+MS+GZ+KY＝1；其次对各个影响因素的不同类型进行赋值，顶板岩性组合不同类型的权重∑A_i＝1，底板岩性组合不同类型的权重∑B_i＝1，煤层埋深不同类型的权重∑C_i＝1，构造复杂程度的权重∑D_i＝1，顶板垂向压强∑E_i＝1，岩层抗压强度∑F_i＝1，其中i取值为1、2……n。

第四步：权重计算。根据第三步的赋值结果，依据公式，计算每个区块内的不同因素中各类型的综合权重，顶、底板综合权重分别用X_n、X’_n表示，其中n指区块标号；

顶板的综合权重计算公式：X_n＝YZ₁·A_i+MS·C_i+GZ·D_i+LJ·E_i+KY·F_i(1)，底板的综合权重计算公式：X’_n＝YZ₂·B_i+MS·C_i+GZ·D_i+KY·F_i(2)；

第五步：分别绘制矿区的顶板动力分区图和底板动力分区图

分析第四步的中各个区块的综合权重的计算结果，确定权重范围，按着一定的阈值区间，将顶板、底板动力分区划分为较强动力区、中等动力区、弱动力区3个等级，分别绘制顶板、底板动力分区图；

顶板阈值区间：X₁＞0.3为较强动力区、0.26≤X₁≤0.3为中等动力区、X₁＜0.26为弱动力区。

底板阈值区间：X₂＞0.29为较强动力区、0.21≤X₂≤0.29为中等动力区、X₂＜0.21为弱动力区。

第六步：绘制顶底板动力分区综合分布图。首先将顶板与底板动力区划结果进行比对，按照就高不就低的原则确定每个区块的动力强弱，然后用平滑的曲线将每个区块的中心点连接，对于不完整的区块取图形的中心点，最终得出顶底板动力分区综合分布图。

本发明的有益效果是：

(1)首次将沉积学分析应用于煤层顶底板动力区划预测之中，综合多种影响因素构建的评价模型，考虑了多种地质因素对煤层顶底板动力影响，大大提高了煤层顶底板动力区划预测精度。

(2)利用地质因素分析未采区尤其是深部开采的煤层顶底板动力分区，为煤矿超前开采时顶底板冲击地压的预测提供了一定的基础，能够大大减少了煤层顶底板安全事故，为实现矿山安全生产提供了有利的保障。

(3)弥补了目前研究中没有完整的评价方法的空缺，本发明提供了一个比较科学的动力分区评价方法，为以后的研究提供的基础。

附图说明

图1是本发明的工作流程图。

图2是本发明的动力区块划分图。

图3是发明的顶板动力分区图。

图4是发明的底板动力分区图。

图5是发明的顶底板动力分区综合分布图。

说明：图3、图4和图5由于风氧化带的存在，所以区块中出现了空白区域。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

本实施例以山东菏泽巨野县龙固矿3煤层为研究对象，依据导水裂隙带常用规范，将本区研究范围定为3煤以上100m、3煤以下30m。龙固矿3煤层位于石炭二叠系山西组，煤层形成于河控浅水三角洲环境，煤层埋深在700m以上，属于深部煤层，煤层顶板和底板主要是碎屑岩为主。深部开采过程中，由于冲击地压的存在，严重威胁着工作人员的生命安全，因此需进行煤层顶底板动力分区的评价，为实现冲击地压的超前预测提供依据。具体按照以下步骤进行：

第一步：确定影响煤层顶底板动力分区的因素并将各个影响因素细划分为不同类型。

(1)依据钻孔资料，得到龙固矿3煤层顶板的岩性组合(YZ₁)，底板的岩性组合(YZ₂)。

顶板的岩性组合分别为煤-薄层粉砂岩-细砂岩(中砂岩)夹薄层泥岩-中粗砂岩，是向上变细层序，类型为下硬上软型(A₁)、岩性为煤-多层粉砂岩或泥-泥岩夹细砂岩-中粗砂岩，是向上变粗层序，类型为下软上硬型(A₂)、煤-粉砂岩-泥岩-薄层细砂岩、粉砂岩、泥岩互层-中粗砂岩，是粗细相间层序，类型为复杂型(A₃)。本研究区顶板只有3种类型，所以用A₁、A₂和A₃表示。

底板的岩性组合分别为薄层粉砂岩(或缺失)-细砂岩(中砂岩)夹泥岩-泥岩-煤，是向上变细层序，类型为下硬上软型(B₁)、粉砂岩-泥岩-细砂岩-中粗砂岩-泥岩-煤，是向上变粗层序，类型为下软上硬型(B₂)、泥岩或粉砂岩-细砂岩(中砂岩)互层-煤，是粗细相间层序，类型为复杂型(B₃)、泥岩或粉砂岩-煤层，以泥岩和粉砂岩为主，类型为泥岩型(B₄)。

(2)龙固矿煤层埋深在700m以上，结合本区实际，合理地将各个区块埋深分4类：800m以下、800-900m、900-1000m以及1000m以上，分别用C₁、C₂、C₃、C₄表示。

(3)计算各个区块的相似维值Ds，根据Ds＜1.0—简单、1.0≤Ds＜1.1—较简单、1.1≤Ds＜1.2—中等、1.2≤Ds＜1.3—较复杂和1.3≤Ds—复杂，确定各个区块的构造复杂程度的类型，用D_i表示，i取值为1、2、3、4、5。

(4)根据龙固矿钻孔资料，算出各岩心厚度H(m)、钻孔面积S(m²)通过查找岩性密度资料得出顶板各岩心的密度ρ(kg/m³)。根据公式：P＝ρ·g·H，算出各个钻孔的压强，得到煤层顶板压强P(pa)。根据压强范围，合理地将煤层顶板的垂向压强分为3类：100000(pa)以下、100000-200000(pa)和200000(pa)以上，分别用E₁、E₂、E₃表示。

(5)依据龙固矿典型钻孔岩样的力学测试分析，得到岩石抗压强度范围。将本区岩石抗压强度分为3类：75Kg/cm²以下、75-80Kg/cm²和80Kg/cm²以上，分别用F₁、F₂、F₃表示。

第二步：矿区动力区块的划分。

依据矿井综合水文图，按照经纬度的分布特点，尽量保证区块不穿越太多的断层或者主要的地质断块，对整个矿区进行了区块划分，每个区块为2000m×2000m，从北往南、西往东依次划分出32个完整的地质区块，不完整区块忽略不计，见图2。对每个区块进行标号，并且记录中心点坐标，详细结果见表2。

第三步：影响因素及其类型的赋值。

结合第一步和第二步地结果的确定影响龙固矿煤层顶底板动力分区中各区块中的各个单因素的具体类型，结合“征集专家评分”的方法并对煤层顶底板单因素赋值、每个单因素中的不同类型赋值，具体类型和赋值见表1和表2。

第四步：权重计算。根据第三步的赋值结果，依据公式(1)、(2)分别计算顶板、底板各个区块的不同因素中各类型的综合权重。详细结果见表1和表2。

表1顶板动力分区影响因素分析表

表2底板动力分区影响因素分析表

第五步：依据第四步得到的各个区块的顶板综合权重结果，按照阈值区间：X₁＞0.3为较强动力区、0.26≤X₁≤0.3为中等动力区、X₁＜0.26为弱动力区，绘制顶板动力分区图，详细结果见图3。从图中可以看出，煤层顶板动力较强的区域主要分布于矿区东北地区，由东北向西南动力变弱。

依据第四步得到的各个区块的底板综合权重结果，按照阈值区间为：X₂＞0.29为较强动力区、0.21≤X₂≤0.29为中等动力区、X₂＜0.21为弱动力区，绘制底板动力分区图，详细结果见图4。从图中可以看出，煤层底板动力较强的区域位于矿区东北部，由东北向西南动力变弱，这个与顶板变化趋势大致一致，动力较强的区域相比顶板较小，中等动力分区分布范围与顶板也有一定的差异，但是变化趋势一致。

第六步：将顶板与底板动力分区结果进行比对，按照就高不就低的原则确定每个区块动力强弱，然后用平滑的曲线将每个区块的中心点连接，对于不完整的区块取图形的中心点，得出龙固矿3煤层顶底板动力分区综合分布图，具体结果见图5。从图中可以发现，煤层顶底板动力较强的区域位于井田东北部，整体动力由东北向西南变弱。

山东新巨龙能源有限责任公司与北京科技大学合作于2014年对龙固矿2302综放工作面冲击地压倾向性开展过研究，将2302工作面冲击地压危险区域划分为23个危险区，其中：一般危险区6个，中度危险区2个，高度危险区15个，与本发明中结果基本一致，表明本发明方法的可靠性。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (4)

1.一种基于多地质因素的煤层顶底板动力分区评价方法，其特征在于，包含以下具体步骤：

第一步：确定影响煤层顶底板动力分区的因素并将各个影响因素划分为不同类型

采用沉积—构造分析方法，研究煤层顶底板沉积环境，利用分形理论展开地质构造复杂程度评价确定煤层顶底板动力分区的影响煤因素；

影响因素包括：煤层顶板岩石组合、煤层底板岩石组合、煤层埋深、构造复杂程度、顶板垂向压强、岩层抗压强度，分别用YZ₁、YZ₂、MS、GZ、LJ、KY表示；其中煤层顶板的影响因素有：YZ₁、MS、GZ、LJ和KY，煤层底板的影响因素有：YZ₂、MS、GZ和KY；

各个影响因素的详细类型：

（1）将岩性组合划分为4个类型：岩石颗粒向上变细层序—下硬上软型、岩石颗粒向上变粗层序—下软上硬型、岩石颗粒粗细相间层序—复杂型、岩石颗粒以泥岩和粉砂岩为主—泥岩型；对于顶板的岩石组合类型用A_i表示，分别是A₁、A₂、A₃、A₄，底板的岩石组合类型用B_i表示，分别是B₁、B₂、B₃、B₄，如果矿区岩性组合只有其中几种类型只需要选用对应标号表示即可；

（2）将煤层埋深范围详细划分为不同类型：结合矿区钻孔资料，确定煤层埋深范围，将煤层埋深按照100米一段划分为不同的阈值区间，依次用C_i表示， i取值为1、2……n，阈值取整百的数字，最小阈值以下为一个分段，最大阈值以上为一个分段；

（3）将煤层顶底板构造复杂程度详细划分为不同类型：利用分形理论中相似维值Ds的大小对矿区构造复杂程度进行评价，结合Ds的范围合理地将矿区构造复杂程度划分出5类型：Ds＜1.0—简单、1.0≤Ds＜1.1—较简单、1.1≤Ds＜1.2—中等、1.2≤Ds＜1.3—较复杂和1.3≤Ds—复杂，用Ds表示，s取值为1、2、3、4、5；

（4）将煤层顶板垂向压强详细划分为不同类型：根据钻孔资料，计算各个岩心厚度H、钻孔面积S通过查找岩性密度资料得出顶板各个岩心的密度ρ，根据公式：P=ρ·g·H，其中g为重力加速度，得到煤层顶板垂向压强P/pa，将煤层顶板垂向压强按照10000 pa一段划分为不同的阈值区间，依次用E_i表示， i取值为1、2……n，阈值取整万的数字，最小阈值以下为一个分段，最大阈值以上为一个分段；

（5）将岩石抗压强度详细划分为不同类型：依据典型钻孔岩样的力学测试分析结果，得到岩石抗压强度，跟岩石抗压强度值的大小确定抗压强度分布范围，结合矿区的顶底板岩层抗压强度等值线图，找出抗压强度Kg/cm²的最大值和最小值，按照5 Kg/cm²一段划分为不同的阈值区间，依次用Fi表示，i取值为1、2……n，阈值取5的倍数的数字，最小阈值以下为一个分段，最大阈值以上为一个分段；

第二步：矿区动力区块的划分

依据矿井地质图，按照经纬度的分布特点，尽量保证区块不穿越太多的断层或者主要的地质断块，对整个矿区进行了区块划分，依据矿区大小而定，保证区块数不少于30个，不完整区块忽略不计，对每个区块进行标号，并且记录中心点坐标；

第三步：影响因素及其类型的赋值

结合第一步和第二步的结果确定各区块中影响煤层顶底板动力分区的各个单因素的具体类型，根据“征集专家评分”的方法，分别对煤层顶板、底板动力分区的影响因素和各个影响因素的不同类型进行赋值；

第四步：权重计算

根据第三步的赋值结果，依据顶底板的综合权重计算公式，计算每个区块内的不同因素中各类型的综合权重，顶、底板综合权重分别用X_n、X^’ _n表示，其中n指区块标号；

第五步：分别绘制矿区的顶板动力分区图和底板动力分区图

分析第四步的中各个区块的综合权重的计算结果，确定权重范围，按着一定的阈值区间，将顶板、底板动力分区划分为较强动力区、中等动力区、弱动力区3个等级，分别绘制顶板、底板动力分区图；

第六步：绘制顶底板动力分区综合分布图

首先将顶板与底板动力区划结果进行比对，按照就高不就低的原则确定每个区块的动力强弱，然后用平滑的曲线将每个区块的中心点连接，对于不完整的区块取图形的中心点，最终得出顶底板动力分区综合分布图。

2.根据权利要求1所述的一种基于多地质因素的煤层顶底板动力分区评价方法，其特征在于：所述的第三步中煤层顶板的影响因素的权重YZ₁+MS+GZ+LJ+KY=1，煤层底板的影响因素的权重YZ₂+MS+GZ+KY=1；其次对各个影响因素的不同类型进行赋值，顶板岩性组合不同类型的权重∑A_i=1，底板岩性组合不同类型的权重∑B_i=1，煤层埋深不同类型的权重∑C_i=1，构造复杂程度的权重∑D_i=1，顶板垂向压强∑E_i=1，岩层抗压强度∑F_i=1，其中i取值为1、2……n。

3.根据权利要求1所述的一种基于多地质因素的煤层顶底板动力分区评价方法，其特征在于：所述的第四步中顶板的综合权重计算公式：X_n=YZ₁·A_i+MS·C_i+GZ·D_i+LJ·E_i+KY·F_i（1），底板的综合权重计算公式：X^’ _n=YZ₂·B_i+MS·C_i+GZ·D_i+ KY·F_i（2）。

4.根据权利要求1所述的一种基于多地质因素的煤层顶底板动力分区评价方法，其特征在于：所述的第五步中顶板阈值区间：X₁＞0.3为较强动力区、0.26≤X₁≤0.3为中等动力区、X₁＜0.26为弱动力区；

底板阈值区间：X₂＞0.29为较强动力区、0.21≤X₂≤0.29为中等动力区、X₂＜0.21为弱动力区。

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