| 基于滑动窗口法的桑树坪煤矿煤层稳定性评价 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 作者： 发布于：2018/1/3 10:53:54 点击量： | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
基于滑动窗口法的桑树坪煤矿煤层稳定性评价 陈练武1，李锋2 （1西安科技大学 地质与环境学院，陕西 西安 710054；2西安科技大学 地质与环境学院，陕西 临潼710600） 摘要：煤层稳定程度的高低对煤炭资源的勘查和开发具有重要影响。基于桑树坪煤矿已有的钻孔数据，整理出煤厚数据，利用visual foxpro软件建立对应的煤厚数据库。首先建立步长值为1000m的滑动窗口，然后采用地质统计学方法和编写visual foxpro程序，获得窗口内的中心点坐标和煤厚变异系数值。使用中心点坐标和煤厚变异系数数据在surfer 8.0软件绘制出煤厚变异系数等值线图。最后根据煤层稳定性评价对煤厚变异系数的要求获得稳定性分布图。 关 键 词：煤层稳定性；变异系数；数据库；滑动窗口法 随着计算机技术和统计学在地质学领域的应用后，地质学者研究出多种对煤层稳定性定量研究的方法。2009年曹代勇等在煤炭地质勘查与评价著作中使用可采性指数（k）和煤厚变异系数（r）对通过对整个煤层的煤厚资料处理从而实现对整个煤层的稳定性定量评价[1]。在2014年聂波采用变异系数和稳定程度指数对贵州省幸福井田煤层稳定性评价[2]。在2014年李建芳采用可采性指数、煤厚变异系数对申南凹煤矿煤层进行定性、定量综合评价[3]。采用可采性指数和煤厚变异系数对煤层进行稳定性评价具有计算方便的优点。 滑动窗口法通过建立窗口并可在窗口滑动过程中对窗口范围的数据进行处理。滑动窗口法评价煤层稳定性结合了滑动窗口法和可采性指数及煤厚变异系数评价煤层稳定性的特点。采用滑动窗口法评价煤层稳定性可以获得整个研究区内煤层稳定性的分布状况。 1桑树坪煤矿简介
桑树坪煤矿位于渭北煤田韩城矿区最北端，黄河的西岸，行政区划隶属陕西省韩城市桑树坪镇管辖[4]。煤矿距韩城市、渭南市、西安市直线距离分别为35km、170km和210km。井田走向长13km，倾斜宽5km，总面积约63.3km2[5]。桑树坪煤矿的煤炭资源开发程度较高，与下峪口煤矿相邻。 桑树坪矿井内的主要含煤地层为石炭系上统太原组地层和二叠系下统山西组地层。太原组为本矿井的主要含煤地层之一。属滨海平原上形成的海陆交互相沉积建造[6]。太原组含7层煤，编号依次为5号煤、6号煤、7号煤、8号煤、9号煤、10号煤、11号煤、12号煤，其中11号煤层为桑树坪矿井的主要可采煤层[7]，其余均为不可采或零星可采煤层，没有开采价值。山西组为桑树坪矿井的另一主要含煤地层，为陆相沉积建造。山西组含煤1～4层，其编号依次为1号煤、2号煤、3号煤、3号下煤。2号煤层为矿井范围内的局部可采煤层，3号煤层为矿井的主要可采煤层，并且厚度很大。 2数据和窗口
2.1数据来源
从桑树坪煤矿获得本次研究的基础地质资料，主要为钻孔资料。根据收集到的钻探资料内容结合本次滑动窗口法评价所需的基础地质资料（x坐标，y坐标，孔口标高，煤厚），对所得到的地质资料进行整理，保留x坐标、y坐标、孔口标高、煤厚等数据。然后在excel软件中将收集到的钻孔数据按照x坐标、y坐标、孔口标高、煤厚依序录入。 在录入工作完成后，对所录入的数据与所收集到的钻探资料进行对比，以保证录入数据的准确性。在excel软件中对x坐标、y坐标做统一化处理，使x坐标、y坐标使用相同的坐标系。（注：本次研究的钻孔y坐标采用不统一） 将在excel中已建立的钻孔数据另存为5.0xls文件，在visual foxpro 6.0中使用文件菜单下的导入功能生成相应的数据库表。打开数据库表，使用表设计器对已生成的数据库表中的字段进行编辑。编辑字段名称、类型以及长度。本次建立的数据库表中字段说明见表1。 表1 字段说明表
2.2评价窗口的选取
按照步长值建立一定大小的窗口，然后逐个窗口统计窗口内的钻孔数目、计算窗口内所选的指标。 在本次研究中，根据钻孔分布坐标X、Y获得本次滑动窗口法评价的边界。设定步长值dl，建立dl×dl大小的窗口。然后评价窗口先沿X方向发生移动，再沿着Y方向发生移动。在窗口移动过程中，统计窗口内的钻孔数目，根据窗口内的钻孔数目是否达到评价要求来确定是否进一步扩大窗口。扩大窗口方法为：在原评价窗口大小基础上沿四周扩大，扩大值设置为1/4dl。然后计算出窗口内煤层稳定性评价指标。 2.3评价参数的选取
根据数学统计法和煤、泥炭勘查规范，煤层稳定程度评价的定量指标包括可采性指数（Km）煤厚变异系数（γ）。薄煤层以可采性指数为主，煤厚变异系数为辅；厚和中厚煤层以煤厚变异系数为主，可采性指数为辅。在评定煤层稳定程度时，除上述指标外，还应综合考虑煤层结构、煤类和煤质变化情况[8]。 （1）煤层可采性指数的含义及计算方法 煤层可采性指数是指在井田（或分区）内的煤层厚度达到最低可采厚度的范围所占比例，用Km表示。其计算公式如下： Km=n＇/n （1） 式中 Km——煤层可采性指数； n——井田（或分区）内参与煤厚评价的见煤总点数； n＇——其中煤厚大于或等于可采厚度的见煤点数。 （2）煤厚变异系数是指井田（或分区）内煤层厚度的变化幅度，用γ表示。其计算公式如下：
（2） 式中 γ——煤厚变异系数； M——每个见煤点的实测厚度； M——井田（或分区）内平均煤厚； n——参与评价的见煤点数； S——均方差值。 3滑动窗口煤层稳定性评价
3.1滑动窗口法程序
3.2煤厚变异等值线图
在visualfoxpro 6.0软件中执行上述程序后，在输出文件中获得评价窗口的中心点坐标、煤厚变异系数值和窗口内的钻孔数目。基于所获得的中心点坐标（x，y）、煤厚变异系数值和窗口内的钻孔数目在excel软件中建立对应的数据库。在excel软件中根据窗口内的钻孔数目和变异系数值对数据进行剔除。若窗口内的钻孔数目为0，变异系数值无法得出计算结果；若窗口内的钻孔数目为1，变异系数值则为0。所以如果窗口内的钻孔数目为0或1，则剔除掉此窗口。 通过剔除处理后，整理出最终的中心点坐标和煤厚变异系数值数据。将整理出的中心点坐标和煤厚变异系数值存为.txt格式的文档。在surfer 8.0软件中使用克里格插值方法获得煤厚变异系数的.grid数据，文件保存为煤厚变异系数.grid。 通过桑树坪煤矿的井田坐标（x，y）按照surfer 8.0软件中.bln文件格式建立井田边界文件，命名为井田边界.bln。使用井田边界.bln对煤厚变异系数.grid进行白化。将白化后的煤厚变异系数.grid绘制煤厚变异系数等值线图。 3.3评价成果
根据平均煤厚、煤厚变异系数、可采性指数，按煤、泥炭勘查规范中对煤层厚度稳定性评价g值、k值评价参数的分级，分为稳定、较稳定、不稳定、极不稳定[9]。本次煤层稳定性评价参数选用的标准见表2。 用颜色填充煤厚变异系数等值线图，使用蓝色填充变异系数低值区，绿色填充变异系数中值区，黄色填充变异系数高值区。本次滑动窗口法评价11号煤层的成果见图1。根据煤层稳定性成果图分析可得到: （1）在桑树坪煤矿的东北部和西南部为蓝色，可认为在煤矿的东北部的和西南部11号煤层的稳定程度高。 （2）在桑树坪煤矿的西北部和中部为绿色，可认为在煤矿的西北部和中部11号煤层的稳定程度较高。 （3）在桑树坪煤矿东南部和南部为黄色，可认为在煤矿东南部11号煤层的稳定程度低 表2 稳定性评价参数表
图1 煤层稳定性分布图 |
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