近距离煤层开采围岩地质系统分类方法研究

Study on Classification Method of Surrounding Rock Geological System in Short Distance Coal Seam Mining

摘要: 为解决11号与10号煤层近距离开采安全问题，必须对近距离煤层开采围岩地质条件进行分类。首先分析了国内外各种工程对围岩分级的理论。结合山西某煤矿近距离煤层独特的地质开采条件，以围岩系统总体分类、围岩区域界定、围岩参数测定、系统内构造参数、水文地质参数、上下层煤开采参数、上下层煤开采施工关系参数、地表形态参数等近距离煤层安全开采相关因素作为山西某煤矿近距离煤层围岩分级的因素。

Abstract: In order to solve the safety problem of short distance mining in No. 11 and No. 10 coal seams, the geological conditions of surrounding rock in short distance mining must be classified. Firstly, the theories of surrounding rock classification in various projects at home and abroad are analyzed. According to the unique geological mining conditions of the close seam in a coal mine in Shanxi, we have obtained the factors related to the classification of the close seam surrounding rock in a coal mine in Shanxi, including the general classification of the surrounding rock system, definition of surrounding rock area, determination of surrounding rock parameters, structural parameters in the system, hydrogeological parameters, mining parameters of upper and lower seams, construction relationship parameters of upper and lower seams, surface morphological parameters and other factors related to the safe mining of the close seams. The corresponding surrounding rock grades are divided, and the basic classification method of surrounding rock geological system of close coal seam mining in a coal mine in Shanxi Province under the influence of complex factors is constructed.

1. 工程背景

11-101工作面是山西某煤矿10#、11#近距离煤层下煤层的首采工作面，工作面走向长度840 m，倾向长度135 m。如图1所示，11-101工作面位于上覆10#煤层10-111工作面下方，采用外错式布置方式。

Figure 1. Layout plan of working face

图1. 工作面布置平面图

如图2所示，11-101工作面开采范围内10#煤层厚度平均2.13 m，11#煤层厚度1.20~6.13 m，平均厚度3.49 m，煤层倾角1˚~9˚，平均倾角4˚；老顶为K₂灰岩，厚度9.7 m；直接顶为粉砂岩，厚度5.4 m，直接底为铝质泥岩，厚度1.5 m。

2. 近距离煤层开采围岩地质系统影响因素

近距离煤层开采围岩地质系统划分方法选取8个围岩参数量化值，即围岩参数指标A、岩石质量指标B、围岩区域界定C、围岩系统内部构造参数D、水文地质参数E、各分层回采参数F、上下分层煤回采时空关系G、地表形态参数H等，计算出围岩分级评分参数W，根据W值得大小划分围岩特性 [1] [2] [3]。

Figure 2. Characteristics of top and bottom slate

图2. 顶底板岩性特征

2.1. 围岩参数A

围岩参数A包括以下部分：单轴抗压强度A1、弹性波A2、节理条件A3等3个参量。

1) 单轴抗压强度A1

岩石单轴抗压强度是岩石坚硬程度的一个定量判定指标，根据GB/T 50218-2014《工程岩体分级标准》中关于岩石饱和单轴抗压强度的分级可以得到以下评分，详见表1。

Table 1. Scoring table of saturated uniaxial compressive strength of rock

表1. 岩石饱和单轴抗压强度评分表

2) 弹性波A2

通过测定同类岩石的弹性波波速，可以判定岩石内部裂隙的发育程度，也就是岩石的完整程度，参考GB/T 50218-2014《工程岩体分级标准》中关于弹性波与岩石完整程度的关系，本项目所取弹性波探测值为岩体弹性波波速与岩块弹性波波速之比的平方，可得到以下评分，详见表2。

Table 2. Scoring table of rock elastic wave

表2. 岩石弹性波评分表

3) 节理条件A3

岩体内部节理的发育程度对岩体的坚硬程度和完整性有着直接影响，但是节理条件无法简单的用定量指标来表示，因此同一种岩体对其内部节理条件采用定性描述来确定等级，其等级划分如表3所示。

Table 3. Scoring table of joint conditions in rock body

表3. 岩体内节理条件评分表

2.2. 岩石质量指标B

按RQD值的高低，划分岩石等级评分如表4所示。

Table 4. Scoring table of RQD score of rock quality index

表4. 岩石质量指标RQD评分表

2.3. 围岩区域界定C

围岩区域界定C包括：煤层倾角C1、煤层埋深C2等两个参量。

1) 煤层倾角C1

根据煤层倾角可以将煤层划分为近水平煤层(<8˚)、缓斜煤层(8˚~25˚)、中斜煤层(25˚~45˚)及急斜煤层(>45˚)。随着煤层倾角的增加，巷道围岩稳定性下降，围岩破坏受采掘影响较大，根据煤层倾角不同对围岩稳定性影响不同划分影响等级，等级评分结果如表5所示。

Table 5. Scoring table of coal seam inclination

表5. 煤层倾角评分表

2) 煤层埋深C2

根据煤矿中按埋深对煤层的划分情况及其对围岩的影响程度，划分评分等级如表6所示。

Table 6. Scoring table of coal seam buried depth

表6. 煤层埋深评分表

2.4. 围岩系统内部构造参数D

围岩系统内部构造参数D包括：节理间距D1、不连续结构面特征D2、不连续结构面影响程度D3等三个参量。

1) 节理间距D1

节理间距直接反映构造对围岩系统的破坏程度，直接影响地下工程的稳定程度，根据节理间距的大小划分评分等级如表7所示。

Table 7. Scoring table of joint spacing in surrounding rock system

表7. 围岩系统内节理间距评分表

2) 不连续结构面特征D2

按照不连续结构面的特征划分不同的评分等级如表8所示。

Table 8. Scoring table of characteristic score of discontinuity structural plane

表8. 不连续结构面特征评分表

3) 不连续结构面影响程度D3

根据不连续结构面的巷道走向、倾向的关系，评定不连续结构面的影响程度如表9所示。

Table 9. Scoring table of influence degree of discontinuity structural plane

表9. 不连续结构面影响程度评分表

2.5. 水文地质参数E

根据工作面采掘过程中地下水水量变化参数以及巷道显现特征直观判断，划分评分等级如表10所示。

Table 10. Scoring table of hydrogeological parameters

表10. 水文地质参数评分表

2.6. 各分层回采参数F

各分层回采参数F包括：采煤工艺F1、下煤层工作面布置F2、回采速度F3等三个参量。

1) 采煤工艺F1

根据不同采煤工艺对围岩的影响，划分不同评分等级如表11所示。

Table 11. Scoring table of coal mining technology

表11. 采煤工艺评分表

2) 下煤层工作面布置F2

根据下煤层工作面相对上煤层工作面所处的位置，划分评分等级如表12所示。

Table 12. Scoring table of working face layout of lower coal seam

表12. 下煤层工作面布置评分表

3) 回采速度

根据工作面推进度划分评分等级如表13所示。

Table 13. Scoring table of mining speed

表13. 回采速度评分表

2.7. 上下分层煤回采时空关系G

上下分层煤回采时空关系G包括：采空区条件G1、煤柱条件G2、层间岩层状态G3等三个条件。

1) 采空区条件G1

回采过后，采空区上覆岩层会随着时间的推移发生下沉，根据其下沉速度可以将其下沉的过程划分为几个阶段，覆岩移动速度不同对下煤层围岩的稳定性及完整性具有较大影响，根据覆岩移动的状态划分评分等级如表14所示。

Table 14. Scoring table of goaf condition

表14. 采空区条件评分表

2) 煤柱条件G2

根据上下空区留煤柱对下煤层巷道的影响划分评分等级如表15所示。

Table 15. Scoring table of coal pillar condition

表15. 煤柱条件评分表

3) 层间岩层状态G3

煤层间岩层状态直接影响着下煤层回采工作面顶板的稳定性，根据层间岩层的状态划分评分等级如表16所示。

Table 16. Scoring table of state score of interlayer strata

表16. 层间岩层状态评分表

2.8. 地表形态参数H

煤层上方地表形态不同直接影响着煤层埋深，根据地表形态相对于平地情况，不同的地表形态评分如表17所示。

Table 17. Scoring table of surface morphological parameters

表17. 地表形态参数评分表

3. 山西某煤矿近距离煤层开采围岩地质系统智能分类评价方法

项目对于山西某煤矿近距离煤层开采围岩地质系统的分类评价方法首先采用层次分析法计算各因素权重，然后根据各因素评分结果与各因素权重对围岩级别进行划分。

3.1. 层次分析模型建立

对影响底板突水的主要控制因素进行分析，将研究对象划分为3个层次。近距离煤层围岩地质系统评价作为模型的目标层(X评价层)；围岩参数指标、岩石质量指标、围岩区域界定、围岩系统内部构造参数、水文地质参数、各分层回采参数、上下分层煤回采时空关系、地表形态参数决定了围岩等级划分的依据，但其影响方式还需通过与其相关的具体因素来体现，将其作为模型的准则层(Y指标层)；各个具体的主控因素指标构成了本模型的决策层(Z因素层) [4] [5] [6]。霍西煤田近距离煤层围岩地质系统评价层次分析模型见图3。

Figure 3. Evaluation hierarchy model of surrounding rock geological system of close coal seam

图3. 近距离煤层围岩地质系统评价层次结构模

3.2. 权重计算

1) 建立评判矩阵

根据影响近距离煤层围岩地质系统的因素进行分析，运用“专家打分法”，将同一支配层下的所有指标进行两两比较，分析每一层次的指标相对于上一层次其支配指标的重要程度，得到它们之间的互反关系，构建评判矩阵，通过矩阵计算和确定指标权重及评判矩阵如公式3-1所示 [7]：

$A=\left(a_{ij}\right)$

$A=\left[\begin{array}{cccc}{a}_{11}& a_{12}& \cdots & a_{1n}\\ a_{21}& a_{22}& \cdots & a_{2n}\\ ⋮& ⋮& \ddots & ⋮\\ a_{n1}& a_{n2}& \cdots & a_{nn}\end{array}\right]$ (3-1)

其中： $a_{ij}\cdot a_{ji}=1$ ， $a_{ii}=a_{jj}=1$

本文采用AHP方法1~5标度法，通过专家评分系统进行两两比较如表18所示。

Table 18. Index importance classification and its standards

表18. 指标重要程度分级及其标准

2) 各层次单排序和一次性检验

① 层次单排序

判断矩阵的最大特征值 ${\lambda }_{\max }$ 多对应的特征向量W，经过归一化处理后就是同一层次相对应的因素对上一层次某个因素的相对重要性排序值。

② 一致性检验

一致性指标CI

$CI=\frac{{\lambda }_{\max }-n}{n-1}$ (3-2)

平均一致性指标RI可以查表19得到。

Table 19. Average consistency index RI

表19. 平均一致性指标RI

3) 一致性比例CR

$CR=\frac{CI}{RI}$ (3-3)

当CR < 0.1认为判断矩阵符合一致性要求；若CR > 0.1时，认为判断矩阵需要修改。评价层的判断矩阵如表20、表21。

Table 20. Judgment matrix of evaluation layer

表20. 评价层的判断矩阵

Table 21. Judgment matrix of each index layer

表21. 各指标层的判断矩阵

经计算，评价层的判断矩阵最大特征值 ${\lambda }_{\max }=8.0323$ ， $n=8$ ， $CI=\frac{{\lambda }_{\max }-n}{n-1}=0.0046$ ， $RI=1.41$ ， $CR=\frac{CI}{RI}=0.00326<0.10$ ，满足一致性检验。

围岩参数指标A判断矩阵的最大特征值 ${\lambda }_{\max }=3$ ， $n=\text{3}$ ， $CI=\frac{{\lambda }_{\max }-n}{n-1}=0$ ， $RI=0.58$ ， $CR=\frac{CI}{RI}=0<0.10$ ，满足一致性检验。

围岩区域界定指标C判断矩阵最大特征值 ${\lambda }_{\max }=2$ ， $n=2$ ， $CI=\frac{{\lambda }_{\max }-n}{n-1}=0$ ， $RI=0$ ， $CR=\frac{CI}{RI}=0<0.10$ ，满足一致性检验。

围岩系统内部构造参数D判断矩阵最大特征值 ${\lambda }_{\max }=3.0092$ ， $n=\text{3}$ ， $CI=\frac{{\lambda }_{\max }-n}{n-1}=0.0046$ ， $RI=0.58$ ， $CR=\frac{CI}{RI}=0.0079<0.10$ ，满足一致性检验。

各分层回采参数F判断矩阵最大特征值 ${\lambda }_{\max }=3$ ， $n=\text{3}$ ， $CI=\frac{{\lambda }_{\max }-n}{n-1}=0$ ， $RI=0.58$ ， $CR=\frac{CI}{RI}=0<0.10$ ，满足一致性检验。

上下分层煤回采时空关系G判断矩阵最大特征值 ${\lambda }_{\max }=3.0356$ ， $n=\text{3}$ ， $CI=\frac{{\lambda }_{\max }-n}{n-1}=0.0678$ ， $RI=0.58$ ， $CR=\frac{CI}{RI}=0.03<0.10$ ，满足一致性检验。

各指标C_i对总目标的权重W (A/C_i)，见表22，即为近距离煤层围岩地质系统主要影响因素对围岩地质系统评价的权重，见表23。

Table 22. Weight of each index to the overall objective

表22. 各指标对总目标的权重

Table 23. Weights of main factors affecting the evaluation of surrounding rock geological system of close coal seam

表23. 影响近距离煤层围岩地质系统评价各主要因素的权重

4) 围岩等级划分

山西某煤矿近距离煤层开采围岩地质系统等级划分，依据RMR分级法对围岩等级划分的模式，围岩综合评分结果采用下式计算 [8]：

$V={\displaystyle {\sum }_{k=1}^n\left(W_k\cdot Z_k\right)/5}$ (3-4)

式中：V为近距离煤层围岩综合评分；W_k为各影响因素权重；Z_k为单因素评分；对结果进行归一化以便于进行比较。

将围岩各影响因素评分分值和各因素权重带入上式，计算可得围岩综合评分分值，并按照下表24对近距离煤层围岩地质系统等级进行评价。

Table 24. Classification of surrounding rock geological system of close coal seam

表24. 近距离煤层围岩地质系统级别划分表

4. 结论

1) 提出近距离煤层开采围岩地质系统智能分类方法的概念，并对影响近距离煤层开采围岩地质系统的主要影响因素进行分析，并进行评分，获得各因素评分表；

2) 根据各因素对近距离煤层围岩地质系统的影响程度，采用层次分析法对各因素的影响权重进行评估，并结合RMR岩石分级法的思路得到近距离煤层围岩地质系统级别划分表。