瓦斯地质条件及其动力灾害仍然是制约我国煤矿安全生产的关键因素，2007—2016 年，全国共发生各类瓦斯灾害事故389起，死亡3 307人[1]。采掘工作面瓦斯地质研究直接面向生产第一线瓦斯赋存条件与瓦斯动力灾害风险精准判识、综合治理措施与回采方案设计等，是保障高瓦斯矿井煤炭精准、安全开采的直接地质依据[2-4]。在工作面回采前，基于最新揭露的地质资料，及时从中提取有效信息，开展工作面瓦斯地质分级评价与预测，识别有利开采区块与瓦斯风险区块，并提出针对性技术建议，对于指导安全回采具有重要意义[5-6]。韩城矿区构造条件复杂，是我国典型的高瓦斯矿区及煤与瓦斯突出矿区，前期在矿区、井田尺度已开展了较多的瓦斯及煤层气地质评价[7-11]，对指导煤炭与煤层气开发、保障安全生产起到了积极作用，但工作面尺度的瓦斯地质精细化研究相对欠缺，评价指标与方法体系也未系统构建，导致在回采过程中无法有效预测瓦斯风险，防治措施缺乏针对性，难以适应煤炭精准开采的技术需求。基于此，笔者拟以代表性、甄别性及易获取性为基本原则选择采煤工作面典型瓦斯地质评价指标，基于韩城矿区实际地质条件与突出敏感性厘定各指标的分级评价标准，构建多层次模糊数学预测模型，探讨工作面尺度瓦斯地质分级评价方法，提高瓦斯风险判识效率与预测准度，为韩城以及其他高瓦斯矿区煤炭安全、精准、高效开采地质保障提供参考。

1瓦斯地质分级评价标准探讨

由于主要面向生产一线，评价参数的选择主要考虑易获取性和代表性2个原则，工作面形成后(指巷道掘进完毕且开切眼贯通，但尚未回采的阶段)可获得的与瓦斯地质相关的数据主要包括煤层埋深、厚度、顶(底)板标高、瓦斯涌出量、巷道编录煤体结构等，构成工作面瓦斯地质评价的数据基础，科学厘定这些参数的分级标准是实现工作面瓦斯地质分级评价与分区的重要前提。基于韩城矿区实际地质条件与瓦斯突出条件对其分级方案进行探讨，为科学预测瓦斯地质灾害提供基本依据。

1.1煤层基本特征

1.1.1煤层埋深

韩城矿区煤层埋深总体位于200～1 000 m，前期研究证实该区煤层气成藏的临界深度为400 m和800 m，其中最有利的煤层气开发深度位于400～800 m，400 m以浅地区由于受浅部陡倾断裂构造带的影响，煤体结构破碎，且含气量较低;800 m以深构造相对简单，但渗透率过低，不利于煤层气产出[12]。煤层含气性、渗透性、储层压力、水化学场、地应力场等均对400 m和800 m两个临界深度存在响应，核心原因是地应力状态的垂向变化(图1)，而煤及其物性对应力的敏感性极强。其中，129I/127I比值反映地下水中放射性同位素129I的衰变程度，可提供煤层中瓦斯和地下水起源、运移等信息。该比值在埋深800 m以浅较高，反映地下水受大气降水的补给较强，800 m以深以原始沉积水为主。因此，以400 m和800 m作为埋深等级的划分是合理的。从煤炭开采与瓦斯防治角度，随埋深增加，地温、地压、瓦斯等灾害风险势必增高，加之煤体结构与构造因素另有考虑，因此按照随埋深增加开采难度、风险增大的原则，将埋深等级划分为:≤400 m(Ⅰ类)，400～800 m(Ⅱ类)，>800 m(Ⅲ类)。

图1 韩城矿区瓦斯地质临界深度的参数响应
Fig.1 Parameters response to critical depth of coal gas geology in the Hancheng mining area

1.1.2煤层厚度

煤层厚度是影响煤炭可采性与瓦斯赋存条件的重要因素，韩城矿区主采煤层(3号煤与11号煤)厚度总体位于0.5～10.0 m。根据煤层厚度与瓦斯含量的交汇图，以煤厚2.5 m和5 m为界，含气量变化可大致分为增长阶段、稳定阶段和降低阶段(图2)。因此以2.5 m和5 m作为瓦斯地质评价的煤厚分级标准应是比较合理的，且可满足甄别性要求，即:Ⅰ类煤厚>5 m，Ⅱ类煤厚介于2.5～5.0 m，Ⅲ类煤厚<2.5 m。

图2 韩城矿区煤层厚度与瓦斯含量关系
Fig.2 Relationship between coal seam thickness and gas content in Hancheng mining area

1.2煤层形变特征

1.2.1煤体结构

煤与瓦斯突出危险性与构造煤的发育程度密切相关，因此煤体结构是矿井瓦斯地质工作的重点内容之一[17]。工作面形成后，巷道煤体结构编录是获得工作面构造煤发育信息的基本手段。常用的煤体结构划分方法为四分法，即原生结构煤(Ⅰ类)、碎裂煤(Ⅱ类)、碎粒煤(Ⅲ类)和糜棱煤(Ⅳ类)，其中碎粒煤和糜棱煤是发生煤与瓦斯突出的高危地带[18-19]。本文即采取这一分类方法进行井下巷道煤体结构观测与编录，并形成相关数据材料(原始记录表与巷道煤体结构剖面图)。针对煤体结构复杂地区，具体评价时可根据实际条件确定过渡类型，比如首先确定不同煤体结构的厚度比例，同时考虑煤与瓦斯突出取决于软煤发育情况，宜采取就高不就低原则给予高变形煤分层更高权重以综合厘定煤体结构类型。

1.2.2构造曲率

曲率是反映线或面弯曲程度的数学参数，构造曲率是这一数学概念在地质学中的应用，用以反映线状或面状构造、岩层的变形程度。煤层作为一种应力敏感岩层，弹性模量低，应变响应显著，在构造曲率的应用方面具有天然优势。运用构造曲率可分析煤层的受力状态、变形程度、煤体结构及渗透性，一定程度上可体现煤与瓦斯突出的潜在势能[20-21]。构造曲率的计算仅需依据煤层顶(底)板等高线，原始资源易于获取，具有较强的适用性。曲率类型包括极大曲率、极小曲率、高斯曲率、平均曲率、最大主曲率等，最大主曲率反映煤层的绝对变形程度，与煤体结构关系最为密切，本文所述的构造曲率均为最大主曲率。

关于构造曲率的级别划分，煤层气地质评价中多以渗透率作为衡量指标，秦勇等以5×10-6和20×10-6两个阈值将沁水盆地煤层变形程度及渗透率划分为3个级别，即:构造曲率<5×10-6，煤层变形弱，不利于产生构造裂隙，渗透率低于0.5×10-15m2;构造曲率>20×10-6，构造变形过高，裂隙系统被破坏且产生构造煤，渗透率低于0.2×10-15m2;构造曲率介于5×10-6～20×10-6，渗透率高于0.5×10-15m2[22]，可见适中的构造曲率最有利于煤层渗透率的提高，原因在于这种应力应变状态可促进煤中裂隙形成并保持开启。但从煤炭开采角度，煤层变形越弱，越有利于巷道布置、掘进、回采以及瓦斯抽放等工程实施，笔者前期对全矿区尺度构造曲率与瓦斯突出关系的研究显示，突出点多数位于曲率大于15×10-6的范围内[12]，同时结合韩城矿区典型工作面的构造曲率统计分析，以5×10-6和15×10-6两个曲率阈值进行构造变形程度划分更符合韩城矿区实际地质条件并可满足甄别性要求(图3)，据此将构造曲率等级划分为Ⅰ类(≤5×10-6)、Ⅱ类(5×10-6～15×10-6)、Ⅲ类(>15×10-6)，代表煤层形变逐渐增强。

图3 韩城矿区典型工作面构造曲率频率直方图
Fig.3 Structural curvature frequency histogram of typical working faces in the Hancheng mining area

1.3瓦斯涌出量

瓦斯涌出量是反映矿井及工作面瓦斯地质灾害风险的直接参数，与瓦斯地质条件及采煤方法、进程密切相关。绘制瓦斯涌出量等值线图，揭示瓦斯涌出规律，预测瓦斯涌出来源，是矿井地质工作的基本任务之一[23-24]。我国《煤矿安全规程》中明确规定了依据瓦斯涌出量判识高瓦斯矿井和低瓦斯矿井的临界条件:相对瓦斯涌出量为10 m3/t，绝对瓦斯涌出量为40 m3/min[25]。工作面尺度相对瓦斯涌出量级别划分可参考此标准，但绝对瓦斯涌出量要小很多，因此结合韩城北区2个煤与瓦斯突出矿井回采工作面实际涌出情况(图4)与煤炭精准、安全开采需求，将瓦斯涌出量进一步细分为3类，分别为:绝对瓦斯涌出量，Ⅰ类(≤3 m3/min)，Ⅱ类(3～6 m3/min)，Ⅲ类(>6 m3/min);相对瓦斯涌出量，Ⅰ类(≤5 m3/t)，Ⅱ类(5～10 m3/t)，Ⅲ类(>10 m3/t)，据此采取就高不就低原则实现瓦斯涌出量的分级分区。在工作面回采之前仅能获得煤巷掘进期间的绝对瓦斯涌出量数据，因此在早期评价中以绝对瓦斯涌出量为主，也可适当参考邻近工作面的相对瓦斯涌出量数据或建立预测模型进行评价。

2瓦斯地质分级评价方法

基于多层次模糊数学评价的基本原理探讨工作面尺度瓦斯地质分级评价方法，具体流程包括参数选择与分级、隶属度函数与权重确定、数学模型构建、地质成图与分级评价等5个步骤。

图4 韩城矿区典型突出矿井回采工作面绝对瓦斯涌 出量频率直方图
Fig.4 Absolute gas emission quantity frequency histogram of typical working faces in the outburst-prone mine of Hancheng mining area

2.1参数体系与隶属度

基于层次分析的思想，首先对影响瓦斯赋存与突出的因素进行层次划分。将构建瓦斯地质分级评价指数定为总目标，进而确定煤层基础特征、煤体形变特征与瓦斯涌出特征为3个二级指标，每个二级指标又包括2个三级指标，即选择煤层埋深、厚度、煤体结构、构造曲率、绝对/相对瓦斯涌出量共6个三级指标进行工作面瓦斯地质分级评价，选择的主要原则即可行性与适用性。这些参数均是工作面形成后易于获取且具有代表性的基本参数或可基于基本参数直接计算获得，隐含着丰富的瓦斯地质信息。评价指标体系与分级标准、隶属度赋值情况见表1。根据不同指标分级的隶属度赋值，进行分段线性拟合，得到各指标的分段隶属度计算函数(表2)。其中煤体结构为定性指标，将Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类与Ⅳ类煤体结构类型分别量化为整数1，2，3，4，小数代表过渡类型。

2.2权重确定与评价模型

指标权重的合理确定是构建瓦斯地质分级评价数学模型的关键。结合前述指标分级方案，邀请相关专家对不同层次指标间的相对重要性进行两两比较并量化赋值，建立同层次指标之间的两两比较判别矩阵。同层次指标比较的取值范围是:极端重要≥3;很重要2～3，稍微重要1～2，两者相当为1，稍微不重要0.5～1，不重要0.5～1/3，极端不重要小于等于1/3[26-27]。经专家讨论并结合韩城矿区、尤其是韩城北区煤与瓦斯突出矿井的实际地质条件，赋予控制煤与瓦斯突出的最重要因素—煤体形变特征最高重要性，其次为瓦斯涌出特征，煤层基础特征相对重要性最低，据此形成二级指标评分矩阵，在此基础上确定三级指标的评分矩阵(表3)。随后计算矩阵的最大特征根及特征向量，并采用随机一致性比率C.R.判断矩阵的一致性(三阶矩阵及以上)，若C.R.<10%则表明判别矩阵满足一致性检验标准。通过一致性检验后，可分别获得二级、三级指标的权重值，进而计算出三级指标对评价目标的综合权重(表4)。

表1 工作面瓦斯地质评价指标体系及隶属度
Table 1 Evaluation index system and subordinate degree of gas geology in working face

一级指标二级指标三级指标及分级瓦斯地质分级评价指数A煤层基础特征B1煤层埋深C11/m厚度C12/m煤体形变特征B2煤体结构C21构造曲率C22/10-6瓦斯涌出特征B3绝对瓦斯涌出量C31/(m3·min-1)相对瓦斯涌出量C32/(m3·t-1)隶属度Ⅰ类≤400>5.0Ⅰ≤5≤3≤50.7～1.0Ⅱ类400～8002.5～5.0Ⅱ5～153～65～100.3～0.7Ⅲ类>800≤2.5Ⅲ,Ⅳ>15>6>100～0.3

表2 工作面瓦斯地质评价指标的隶属度函数
Table 2 Membership function of evaluation index of gas geology in working face

埋深隶属度函数分段区间/m厚度隶属度函数分段区间/m煤体结构隶属度函数分段区间y=-0.000 75x+1x≤400y=1x>7.0y=-0.3x+1.31≤x<2y=-0.001x+1.1400<x≤800y=0.15x-0.055.0<x≤7.0y=-0.4x+1.52≤x<3y=-0.001 5x+1.5800<x≤1 000y=0.16x-0.12.5<x≤5.0y=-0.3x+1.23≤x<4y=0x>1 000y=0.12xx≤2.5y=0x=4构造曲率隶属度函数分段区间/10-6绝对瓦斯涌出量隶属度函数分段区间/(m3·min-1)相对瓦斯涌出量隶属度函数分段区间/(m3·t-1)y=-0.06x+1x≤5y=-0.1x+1x≤3y=-0.06x+1x≤5y=-0.04x+0.95<x≤15y=-0.133x+1.13<x≤6y=-0.08x+1.15<x≤10y=-0.06x+1.215<x≤20y=-0.1x+0.96<x≤9y=-0.06x+0.910<x≤15y=0x>20y=0x>9y=0x>15

表3 各层次瓦斯地质评价指标评分矩阵及计算
Table 3 Scoring matrix and calculation of gas geological evaluation indicators at different levels

参数评价指标及矩阵特征向量最大特征根λmax随机一致性比率/%AB1B2B3WBA～BB110.290.360.140.735 31B23.511.250.483.007 65B32.80.810.38B1C11C12WC1B1～C1C1110.330.251.994 99—C12310.75B2C21C22WC2B2～C2C2111.50.602.002 50—C220.6710.40B3C31C32WC3B3～C3C3110.50.332—C32210.67

表4 工作面各层次瓦斯地质评价指标权重
Table 4 Weight of evaluation index of gas geology at different levels in working face

一级评价目标二级评价指标权重三级评价参数权重综合权重煤层基本特征B10.14煤层埋深C110.250.035煤层厚度C120.750.105瓦斯地质分级评价指数A煤体形变特征B20.48煤体结构类型C210.600.288构造曲率C220.400.192瓦斯涌出特征B30.38绝对瓦斯涌出量C310.330.125相对瓦斯涌出量C320.670.255

值得注意的是，工作面回采之前一般仅能获得煤巷绝对瓦斯涌出量数据，此时的评价中可仅以绝对瓦斯涌出量作为指标，选用二级指标的权重，若能建立较为可靠的相对瓦斯涌出量预测模型，也可将其作为评价指标。随着回采进行，相对瓦斯涌出数据不断丰富，再综合考虑本工作面相对瓦斯涌出量与绝对瓦斯涌出量以实现瓦斯地质动态评价。

据此，可建立工作面瓦斯地质分级评价的数学预测模型:

(1)

其中，A为瓦斯地质分级评价指数；Cij为第i个二级指标的第j个三级指标的隶属度；Xij为第i个二级指标的第j个三级指标的权重。基于该评价模型，即可完成数据计算、成图、乃至瓦斯地质分级评价。

3应用实例

基于前文提出的分级评价指标与方法，以韩城矿区北部的桑树坪矿4321回采工作面为例进行分析。该工作面全长1 149.49 m，宽166.18 m，开采煤层为3号煤，目前已完成切眼贯通，预计2020年底回采完毕。依据巷道基础测量资料、煤体结构编录资料、通风瓦斯报表与地球物理探测资料，采用克里金插值法分别绘制工作面煤层厚度、顶板标高、埋深、煤体结构及绝对瓦斯涌出量等值线分布图(图5(a)～(c))。考虑到桑树坪矿构造煤广泛发育，进一步说明掘进巷道煤体结构编录方法:(1)以50m作为编录点间距，在构造发育位置可适当加密;(2)在每个编录点根据煤壁显示的煤体结构变化进行分层，记录相关数据并绘图;(3)根据各煤体结构分层的厚度比例关系确定该点具体类型，基本原则为:① 当某一煤体结构厚度比例超过90%时，即确定为该类型;② 当不同煤体结构基本等比例分布时，采取就高不就低原则(变形程度)确定;③ 其他情况根据高变形程度煤分层厚度比例(≥10%)综合确定过渡类型。在此基础上在4321工作面划分出7种煤体结构类型(图5(b))。

图5 4321工作面瓦斯地质单因素分布
Fig.5 Single factor distribution map of gas geology in the No.4321 working face

基于顶板标高等值线图，对工作面区域进行网格剖分，网格大小为50 m×50 m，计算每个网格节点的构造曲率，具体计算过程前人已有详细说明[20,28]，在此不再赘述。根据网格节点的曲率值绘制构造曲率等值线图(图5(d))。

以上述单因素图件为底图，做网格剖分处理(50 m×50 m)，读取每个网格的各项指标值并根据表2确定隶属度，进而根据各级指标权重与式(1)计算每个网格点的瓦斯地质分级评价指数，并绘制等值线图，以0.65，0.55和0.45作为阈值进行瓦斯地质级别划分，共分为Ⅰ型(有利区)、Ⅱ型(相对有利区)、Ⅲ型(相对不利区)和Ⅳ型(不利区)4类区域(图6)，基于此实现工作面瓦斯地质分级评价与有利开采块段预测识别。

对分区结果说明如下:

(1)瓦斯地质分级评价指数介于0.28～0.72，平均0.55，反映该工作面瓦斯地质条件与灾害风险差异较大，分级评价对于安全、高效生产意义重大，所选分级阈值符合评价指数的频率分布，具有较好的区分性(图7)。邻近工作面的开采对本工作面瓦斯起到卸压作用，位于其西南侧的其他工作面已全部回采完毕，造成本工作面掘进期间的绝对瓦斯涌出量整体降低，且西南侧绝对瓦斯涌出量显著低于东北侧，瓦斯评级相应比较有利(图5(c))。

图6 4321工作面瓦斯地质综合分级评价
Fig.6 Comprehensive grading and evaluation map of gas geology in the No.4321 working face

图7 4321工作面瓦斯地质分级评价指数频率直方图
Fig.7 Frequency histogram of gas geological grading evaluation index of No.4321 working face

(2)该工作面煤体结构破碎，广泛发育碎粒煤和糜棱煤，即使掘进期间的绝对瓦斯涌出量较低，但工作面尚未回采，在回采时绝对涌出量势必增大，仍然需警惕潜在的煤与瓦斯突出危险，尤其在碎粒煤和糜棱煤发育区(图5(b))。

(3)层滑构造是造成韩城矿区构造煤广泛发育的主要地质因素[29]，桑树坪矿位于韩城矿区二级构造单元“北部弯滑区块”，层滑构造十分发育，导致煤层变形强烈，表现为构造曲率绝对值较高且构造煤发育，具有典型的摩擦镜面、擦痕、阶步等滑动特征。在笔者前期针对矿区尺度的构造变形分类中，桑树坪矿以高变形和特高变形为主，结合挥发分产率分布，指出强烈的构造变形可能促使煤大分子结构定向演化，造成浅部煤层挥发分产率异常偏低的现象[12]。具体到4321工作面，在1 150 m×166 m的有限范围内，煤层厚度变化剧烈，介于2～10 m，为工作面强烈的构造变形及构造煤形成与演化提供了进一步佐证。

(4)分区结果与实际地质条件具有较好的一致性，比如在运输巷和开切眼的转角位置揭露一条正断层，落差1.4 m，断层周围煤体结构十分破碎，且滑动特征明显，达到糜棱煤级别，槽波探测结果也显示该区域存在明显异常响应[30]，推测该断层实际规模与影响范围大于巷道揭露情况，且发育断层型层滑构造，导致煤层局部强烈破坏，分区相应为Ⅳ型;在运输巷距离停采线约240 m位置发现一挠曲构造，且在工作面内部槽波解释出数条断层，构造曲率显著增大，煤体结构为碎粒煤，分区为Ⅲ～Ⅳ型;在运输巷中部偏西北侧、距离切眼220～650 m内构造相对简单，未见断层与褶皱，煤体结构也比较完整，分区为Ⅱ型;工作面停采线周围70 m范围内未见构造，构造曲率较低且煤层较厚，以碎裂煤为主，分区为Ⅰ型。总体巷道揭露和槽波解释的构造发育区瓦斯评级为Ⅲ～Ⅳ级(图6)。

(5)回采过程中，在Ⅰ～Ⅱ型区域可适当加快回采速度，而在Ⅲ～Ⅳ型区应放缓回采速度，加强瓦斯地质灾害监控预警与防治，降低瓦斯风险。同时在回采中及时测试并计算绝对与相对瓦斯涌出量，更新工作面瓦斯信息数据库，实现瓦斯地质动态评价，为煤炭精准、安全开采提供地质保障。

4结 论

(1)构建了工作面瓦斯地质分级评价指标体系，包括煤层基础特征、煤体形变特征与瓦斯涌出特征3个二级指标，以及煤层埋深、煤层厚度、煤体结构、构造曲率、绝对瓦斯涌出量与相对瓦斯涌出量共6个三级指标，厘定了各指标的分级评价标准。

(2)确立了工作面瓦斯地质分级评价方法体系，具体包括评价参数体系建立与分级、隶属函数与权重确定、多层次模糊数学评价模型构建、地质成图与分区评价等流程。

(3)以韩城矿区桑树坪井田4321工作面为例，计算剖分网格的瓦斯地质分级评价指数，实现瓦斯风险分级判别与有利开采块段预测。结果显示构造变形及其导致的构造煤是该工作面回采面临的主要地质约束，据此对回采提出了具体建议。

(4)实践证明，本文提出的工作面瓦斯地质分级评价标准与方法符合韩城矿区实际地质条件，分级分区结果可靠，具有向其他高瓦斯矿井和构造煤发育区推广的潜力，可为煤炭精准、安全、高效开采地质保障提供基础依据。未来应进一步聚焦工作面瓦斯地质时效性特征，丰富回采瓦斯地质动态评价预测模型与理论方法，为构建时空耦合、响应灵敏的矿井瓦斯地质保障系统提供支撑。

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