孟 達(dá)，張 梅

(1.中國科學(xué)院力學(xué)研究所，北京 100190；2.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)城鄉(xiāng)建設(shè)學(xué)院，河北 保定 071000)

地質(zhì)找礦

基于古構(gòu)造應(yīng)力場的井田小構(gòu)造預(yù)測研究

孟 達(dá)1，張 梅2

(1.中國科學(xué)院力學(xué)研究所，北京 100190；2.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)城鄉(xiāng)建設(shè)學(xué)院，河北 保定 071000)

本文首先收集并綜合華北平原的區(qū)域地質(zhì)綱要資料，其次對邢臺(tái)地區(qū)顯德汪礦區(qū)古構(gòu)造應(yīng)力場進(jìn)行了分析，確定了歷次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)對本礦區(qū)構(gòu)造產(chǎn)生的影響，基于構(gòu)造應(yīng)力演化規(guī)律，通過建立了礦區(qū)的三維數(shù)字地質(zhì)構(gòu)造模型，結(jié)合巖石力學(xué)，彈塑性力學(xué)，斷裂力學(xué)，進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。通過理論分析、數(shù)值模擬以及現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，預(yù)測了該井田小構(gòu)造分布區(qū)域和分布規(guī)律。得到礦區(qū)的斷層分布區(qū)域圖。該研究結(jié)果可為礦田現(xiàn)在采區(qū)及未開采區(qū)采掘設(shè)計(jì)提供最優(yōu)方案，最大限度避免經(jīng)濟(jì)損失，也可為瓦斯地質(zhì)分布、奧灰水賦存提供幫助。

古構(gòu)造應(yīng)力場；井田小構(gòu)造；數(shù)字高程模型(DEM)；數(shù)值模擬；區(qū)域預(yù)測

1 背景介紹

地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度中等及以下的礦區(qū)勘察孔間距一般在300～500m，中大型構(gòu)造可以普遍探測到，但是對于工程尺度的小構(gòu)造很難在勘察階段查明。小構(gòu)造是普遍存在的，其密度不同，分布具有不均勻性。小構(gòu)造的存在，使得瓦斯和承壓水賦存具有空間，頂板冒頂大多也是小構(gòu)造造成的。因此小構(gòu)造會(huì)直接影響煤礦生產(chǎn)的安全和工作效率。例如，對于斷距較大的斷層，會(huì)影響綜采機(jī)的壽命，斷層破碎帶大的煤層開采時(shí)會(huì)直接影響原煤的生產(chǎn)質(zhì)量，由于導(dǎo)水性增強(qiáng)會(huì)引起礦井水害，或者引起煤與瓦斯的突出等問題[1-4]。

目前的科技發(fā)展水平，小構(gòu)造的預(yù)測只靠任何一種方法都很難預(yù)測準(zhǔn)確，因此，需要多種方法的綜合預(yù)測，相互校正，得到較為準(zhǔn)確的結(jié)果。顯德汪礦位于河北省邢臺(tái)地區(qū)，礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)條件較為復(fù)雜。為了確保煤礦安全生產(chǎn)，對煤礦井田范圍內(nèi)的地質(zhì)小構(gòu)造進(jìn)行預(yù)測是尤為重要的。首先要按地學(xué)的方法研究煤礦構(gòu)造發(fā)育特征和構(gòu)造區(qū)域分類，并對構(gòu)造進(jìn)行分期，根據(jù)已探明的中大型構(gòu)造的分布特點(diǎn)及規(guī)律，根據(jù)構(gòu)造地質(zhì)學(xué)原理，可能產(chǎn)生的同期構(gòu)造、伴生構(gòu)造以及混合構(gòu)造等小構(gòu)造進(jìn)行預(yù)測；其次根據(jù)歷次構(gòu)造在該礦區(qū)的產(chǎn)生的構(gòu)造力進(jìn)行數(shù)值模擬，最后根據(jù)現(xiàn)場的抽水試驗(yàn)驗(yàn)證以及以揭露的小構(gòu)造臺(tái)賬數(shù)據(jù)，綜合三種方法相互驗(yàn)證得到的小構(gòu)造的預(yù)測區(qū)域和分布范圍。

小構(gòu)造預(yù)測可以對礦區(qū)的賦水分布和瓦斯地質(zhì)區(qū)域進(jìn)行分析，對不同構(gòu)造區(qū)域進(jìn)行回采巷道支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，對于保證回采巷道的正常使用，降低巷道的維護(hù)費(fèi)用，滿足綜采面快速推進(jìn)的要求，實(shí)現(xiàn)礦井的安全高效生產(chǎn)等具有重要現(xiàn)實(shí)意義和理論價(jià)值。

2 工程概況

2.1 井田位置

邢臺(tái)地區(qū)顯德汪礦位于武安斷陷北部，太行山隆起帶東側(cè)，為新生代華北盆地的西部邊緣，隆堯南正斷層上盤(南側(cè))至名河一線，與隆堯南正斷層平行展布的向斜、背斜的褶皺構(gòu)造位置。該礦井開采山西組的1#、2#煤層。

2.2 邢臺(tái)地區(qū)的古構(gòu)造應(yīng)力場分析

對邢臺(tái)地區(qū)造成顯著影響的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)可綜合歸納為三次：第一次是燕山晚期，在邢臺(tái)地區(qū)的SWW向產(chǎn)生板塊壓縮，板內(nèi)變形速度是5.2cm/a，在邢臺(tái)地區(qū)廣泛產(chǎn)生的走向接近SW-SWW的褶皺，并在太行山東部產(chǎn)生逆斷層帶。第二次是四川晚期的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，在邢臺(tái)地區(qū)NNE向產(chǎn)生板塊壓縮，板內(nèi)變形速度為2.7cm/a，在邢臺(tái)地區(qū)廣泛產(chǎn)生走向?yàn)镹NE向、角度較緩的褶皺，與燕山期產(chǎn)生的SW-SWW的褶皺進(jìn)行了重合，形成復(fù)合構(gòu)造，并在太行山東側(cè)右行走滑-正斷層帶。第三次是中國大陸華北期和喜馬拉雅構(gòu)造運(yùn)動(dòng)(因存在某些共同特征，這里將兩期合并)，其特點(diǎn)是南北向的斷層發(fā)生張裂，許多地方出現(xiàn)近南北延伸的追蹤張節(jié)理，太行山東側(cè)的正斷層，沿著這些規(guī)模較大的斷層明顯地表現(xiàn)出東西向伸展的特征，控制了新近紀(jì)近南北向延展的張裂盆地。

3 地學(xué)分析小構(gòu)造的分布規(guī)律

3.1 顯德汪礦井田的構(gòu)造分析

該礦區(qū)井田的構(gòu)造較為復(fù)雜，屬于典型的伸展構(gòu)造發(fā)育區(qū)。礦區(qū)內(nèi)小斷層分布比較集中地分布在井田東部和南部。根據(jù)礦井地質(zhì)資料顯示的小構(gòu)造資料，采用模糊數(shù)學(xué)的聚類分析法可以得到。大中型斷層結(jié)構(gòu)面優(yōu)勢產(chǎn)狀的聚類分析見圖1，小斷層的結(jié)果如圖2所示。

圖1 大中斷層結(jié)構(gòu)面傾向枚瑰圖及極點(diǎn)圖

圖2 結(jié)構(gòu)面傾向枚瑰圖及極點(diǎn)圖

分析模糊熵指標(biāo)Hc、分類系數(shù)Fc、模糊超體積Fhv和平均劃分密度Pda等四個(gè)聚類效果檢驗(yàn)指標(biāo)，均可發(fā)現(xiàn)巖體中的結(jié)構(gòu)面劃分為兩組較為合理。第一組結(jié)構(gòu)面優(yōu)勢方位為傾向98.4°，傾角55.5°；第二組結(jié)構(gòu)面優(yōu)勢方位為傾向277.1°，傾角59.5°。

產(chǎn)業(yè)融合、空間集聚已成為我國文化與旅游業(yè)的重要特征[15]81，陳建軍等[19]分析得出促進(jìn)產(chǎn)業(yè)融合的現(xiàn)實(shí)空間平臺(tái)就是產(chǎn)業(yè)協(xié)同集聚。本文循此分析脈絡(luò)提出，文化和旅游產(chǎn)業(yè)之間存在較強(qiáng)的產(chǎn)業(yè)關(guān)聯(lián)和協(xié)同互動(dòng)，兩者的融合使兩大產(chǎn)業(yè)鏈的要素相互交叉滲透，這一融合過程促使兩大產(chǎn)業(yè)的企業(yè)在空間上渴望鄰近分布以形成協(xié)同集聚態(tài)勢。這種協(xié)同集聚具有雅各布斯(Jacobs)外部性收益，不僅能減少文化與旅游產(chǎn)業(yè)部門之間的搜尋、訂約、監(jiān)督等交易成本，也有利于文化與旅游企業(yè)間的要素資源的專業(yè)化共享與多樣化溢出，提高要素投入結(jié)構(gòu)和產(chǎn)出結(jié)構(gòu)的匹配程度，實(shí)現(xiàn)旅游產(chǎn)業(yè)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化。據(jù)此，本文提出：

3.2 構(gòu)造地質(zhì)學(xué)原理分析

華北地區(qū)在印支運(yùn)動(dòng)之前為水平沉積層。印支期產(chǎn)生了近南北向板內(nèi)壓縮變形速度是1.6cm/a，在同地區(qū)同時(shí)代沉積巖層呈水平狀態(tài)時(shí)，都有一對普遍發(fā)育的直立或近直立的共扼剪節(jié)理，說明是在成巖時(shí)期至變形前構(gòu)造成因的?；居兴慕M節(jié)理:兩個(gè)正向系列和兩個(gè)斜向系列：①EW向節(jié)理；② NNE向節(jié)理；③NE向節(jié)理；④NW 向節(jié)理。還有一套“X”型節(jié)理，兩組呈菱形的節(jié)理，可以從中大型聚類分析看到兩組優(yōu)勢節(jié)理面的情況。

邢臺(tái)地區(qū)共產(chǎn)生兩期的褶皺變形作用，即NNE向和近EW向的褶皺，可能在褶皺的核部產(chǎn)生小裂紋，因此在這兩期復(fù)合褶皺的背斜和向斜核部會(huì)有正扇形的張節(jié)理，可能是一組也可能是多組。還有的就是褶皺復(fù)合部位，產(chǎn)生壓或張的裂紋。同時(shí)也可能產(chǎn)生層間錯(cuò)動(dòng)所產(chǎn)生的破劈理，從小構(gòu)造聚類分析圖可以看到。

再者就是伴生構(gòu)造，斷裂的一側(cè)往往有共生的節(jié)理，其力學(xué)解釋同上述的分析。對于張節(jié)理與主干斷裂的關(guān)系如圖3(a)、圖3(b)所示相交的銳角指向本盤的滑動(dòng)方向；而節(jié)理則有直線與弧形的區(qū)別，它們與主干斷裂的方位關(guān)系如圖3(c)、圖3(d)、圖3(e)所示，與主干斷裂相交成大銳角的銳角指向?qū)γ姹P滑動(dòng)的方向，成小銳角的指向本盤滑動(dòng)方向，特別注意的是，不論哪一種節(jié)理都只是與主干相交為止，絕不穿過，這是由它們的從屬關(guān)系和力學(xué)成因決定的。

圖3 伴生構(gòu)造

4 三維數(shù)值模擬預(yù)測小構(gòu)造區(qū)域

為了直觀地、準(zhǔn)確地分析顯德汪井田在這幾次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)下產(chǎn)生的地質(zhì)變形和地質(zhì)構(gòu)造，根據(jù)該煤礦提供的實(shí)際鉆孔資料，建立三維地質(zhì)模型，三維地質(zhì)建模是實(shí)現(xiàn)數(shù)字礦山的重要環(huán)節(jié)之一。本文利用顯德汪礦上提供的鉆孔資料先建立礦區(qū)的多層DEM模型[3-12]，然后通過獲得不同位置的剖面數(shù)據(jù)建立三維的有限元計(jì)算模型，對礦區(qū)內(nèi)井田小構(gòu)造區(qū)域進(jìn)行預(yù)測。

4.1 建立三維的有限元地質(zhì)模型

有了剖面的數(shù)據(jù)和斷層的位置，即可利用自底向上的建模方式建立三維的有限元地質(zhì)模型。建立起來的三維有限元模型不僅可以計(jì)算各種地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的影響，還可以通過給定相關(guān)的外載荷和邊界條件模擬開采引起的破壞區(qū)域及其擴(kuò)展演化，并給出合理的保安煤柱預(yù)留距離。建立的三維地質(zhì)模型如圖4所示。

圖4 三維地質(zhì)模型圖

4.2 小構(gòu)造區(qū)域預(yù)測

4.2.1 數(shù)值模型的建立

模擬顯德汪礦區(qū)在這幾次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)下，產(chǎn)生的地質(zhì)變形和地質(zhì)構(gòu)造時(shí)，分別取礦區(qū)的燕山期W-E向和華北期的W-E向的縮短擠壓運(yùn)動(dòng)，取四川期的N-S縮短和擠壓運(yùn)動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬。由于喜馬拉雅期的沉積運(yùn)動(dòng)對東部地區(qū)影響不大可以近似忽略這個(gè)時(shí)期對小構(gòu)造產(chǎn)生的影響。

這里對地質(zhì)模型做了一定處理，認(rèn)為基本的大褶皺先于斷層產(chǎn)生，這樣數(shù)值模擬所需的剖面模型是在基于形成基本褶皺的基礎(chǔ)上建立的。建立的地質(zhì)模型共分為五個(gè)地層，并且認(rèn)為煤與覆土之間、煤與奧灰頂之間為均勻的細(xì)砂巖，奧灰?guī)r用較硬的灰?guī)r模擬。模擬的五層分別為新生界覆土、細(xì)紗巖、煤、細(xì)紗巖、灰?guī)r。其參數(shù)如表1所示。

表1 各地層材料參數(shù)(僅供數(shù)值模擬用)

考慮到礦區(qū)成東西向窄南北向?qū)挼木匦螀^(qū)域。從已建立的多層DEM模型中獲取從左至右9個(gè)橫向剖面和從上到下5個(gè)縱向剖面，剖面在礦區(qū)中的具體位置見圖5。

4.2.2 對橫向擠壓運(yùn)動(dòng)數(shù)值模擬與分析

以下為建立的各橫向剖面有限元模型、計(jì)算塑性破壞區(qū)云圖、以及結(jié)果分析。由于篇幅所限，橫剖面圖選取1、5、9，縱剖面圖選取1、3、5進(jìn)行分析，其余剖面圖分析過程與此類似，這里不再贅述。橫剖面1、5、9有限元網(wǎng)格及塑性應(yīng)變云圖見圖6。

在橫剖面1中，出現(xiàn)塑性應(yīng)變集中的區(qū)域位置主要在兩端褶皺的兩翼，這也是斷層的高密度區(qū)。在第一個(gè)區(qū)域揭露的斷層有3條斷層。第二個(gè)區(qū)域中鉆孔較為密集，揭露了大斷層2條斷層。其次在剖面的中間小褶皺區(qū)域是斷層密度較高區(qū)域，在該區(qū)域揭露的斷層為2條；橫剖面6中，由塑性應(yīng)變可以得到斷層高密度區(qū)有4條。其次斷層密度較高的區(qū)域有3條；橫剖面9中，由塑性應(yīng)變可得到斷層高密度區(qū)有6條在該區(qū)。

圖5 剖面位置在礦區(qū)的示意圖

圖6 橫剖面1、5、9有限元網(wǎng)格及塑性應(yīng)變云圖

圖7 縱剖面1、3、5的有限元網(wǎng)格模型及其塑性應(yīng)變云圖

4.2.3 對縱向擠壓運(yùn)動(dòng)數(shù)值模擬與分析

以下為建立的各縱向剖面1、3、5的有限元模型、計(jì)算塑性破壞區(qū)云圖、以及結(jié)果分析。

縱向剖面1、3、5的有限元模型、計(jì)算塑性破壞區(qū)云圖見圖7。

在縱剖面1中，由塑性應(yīng)變云圖可以看出，塑性應(yīng)變集中在中間大褶皺(欒卸北向斜)的兩翼，在該區(qū)域揭露的斷層有6條及若干小斷層。在該區(qū)域揭露的斷層是1條；在縱剖面3中，由塑性應(yīng)變云圖可以看出，斷層高密度區(qū)域斷層有12條；在縱剖面6中，有塑性應(yīng)變云圖可以看出，斷層的高密度區(qū)域有3條斷層被揭露。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，可以得出如下結(jié)論：N-S向或近N-S向斷層的高密度區(qū)集中在顯德汪向斜的兩側(cè)；W-E向或近W-E向斷層集中在欒卸北向斜和李石崗向斜的兩側(cè)(圖8)。如果我們認(rèn)為橫向剖面和縱向剖面的斷層高密度區(qū)域是相互貫通的，我們可以將這些區(qū)在礦區(qū)平面圖上連接起來，作為礦區(qū)斷層高密度區(qū)，見圖9。

在該項(xiàng)目完成五年了，隨著礦區(qū)生產(chǎn)的不斷推進(jìn)，預(yù)測的四個(gè)小構(gòu)造預(yù)測高密區(qū)，都得到了相應(yīng)的驗(yàn)證，有兩個(gè)小構(gòu)造高密度區(qū)還進(jìn)行了抽水實(shí)驗(yàn)，與預(yù)測區(qū)域結(jié)果相符。

(粗?jǐn)嗑€為井田邊界，細(xì)斷線為斷層或向斜，網(wǎng)格為剖面線，虛線為已開采揭露的斷層)圖8 顯德汪井田構(gòu)造綱要圖

圖9 礦區(qū)斷層高密度區(qū)位置預(yù)測結(jié)果

5 結(jié) 語

本文通過地學(xué)分析、數(shù)值模擬、現(xiàn)場小構(gòu)造揭露、抽水實(shí)驗(yàn)相結(jié)合相互驗(yàn)證的綜合方法。對礦區(qū)井田范圍內(nèi)的小構(gòu)造進(jìn)行預(yù)測，可以得到以下幾點(diǎn)結(jié)論。

1)首先對礦區(qū)的構(gòu)造期進(jìn)行確定，并確定板內(nèi)受力特點(diǎn)；其次是地學(xué)小構(gòu)造產(chǎn)生推測；然后是數(shù)值分析，這樣就可以較為準(zhǔn)確地確定小構(gòu)造的分布范圍和規(guī)律。將這些斷層高密度區(qū)域在礦區(qū)平面圖上連接起來，作為礦區(qū)斷層高密度區(qū)域。該研究可為礦田現(xiàn)在采區(qū)及未開采區(qū)采掘設(shè)計(jì)提供最優(yōu)方案，最大限度避免經(jīng)濟(jì)損失。

2)可以從數(shù)值模擬的云圖中看到應(yīng)力、應(yīng)變異常區(qū)圖也是小構(gòu)造分布密度密切有關(guān)，可以相互對應(yīng)?？梢赃M(jìn)一步的研究中可以建立精確的關(guān)系。小構(gòu)造的預(yù)測為礦區(qū)開采影響、瓦斯突出、突水建立了可用的計(jì)算模型。但是我們?nèi)匀灰吹?，該模型的?zhǔn)確程度依賴于鉆孔的密集程度及數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確程度。當(dāng)然在從剖面線得到斷層位置時(shí)我們用到了些數(shù)值方法的模擬計(jì)算，如何將這些數(shù)值結(jié)果所依賴的參數(shù)實(shí)際化，還需要實(shí)際工程給出借鑒。

[1] 趙明鵬，李永化.遙感圖像地質(zhì)解譯在煤田小構(gòu)造研究中的應(yīng)用[J].阜新礦業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，1995(14)：32-36.

[2] 郭德勇，韓德馨，張建國.平頂山礦區(qū)構(gòu)造煤分布規(guī)律及成因研究[J].煤炭學(xué)報(bào)，2002，27(3)：249-253.

[3] 張國成，熊明富，郭衛(wèi)星，等.淮南礦區(qū)井田小構(gòu)造對煤與瓦斯突出的控制作用[J].焦作工學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2003，22(5)：229-333.

[4] 楊友長.由離散高程點(diǎn)自動(dòng)生成等高線的程序設(shè)計(jì)[J].礦業(yè)快報(bào)，2003(6)：21-24.

[5] 吳慧欣.基于專家系統(tǒng)的二維剖面圖的三維實(shí)體重建[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2005 (28)：58-60.

[6] 胡金星.三維地學(xué)模擬體視化技術(shù)的應(yīng)用研究[J].煤炭學(xué)報(bào).1999(4)：345-349.

[7] 賀懷建，白世偉，趙新華，等.三維模型中地層劃分的探討[J].巖土力學(xué)，2002，23(5):637-639.

[8] 朱合華，鄭國平，吳江斌，等.基于鉆孔信息的地層模型研究[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，31(5):535-539.

[9] 徐華，武強(qiáng).基于層狀結(jié)構(gòu)的三維地質(zhì)體可視化設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2001，21(12):59-60.

[10] 白世偉，賀懷建，王純祥.三維地層信息系統(tǒng)和巖土工程信息化[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)：城市科學(xué)版，2002，19(1):23-26.

[11] 張海榮，許友志.基于TIN不連續(xù)地質(zhì)體的三維構(gòu)模及動(dòng)態(tài)顯示[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，31(2):143-145.

[12] 朱良峰，無信才，劉修國，等.基于鉆孔數(shù)據(jù)的三維地層模型的構(gòu)建[J].地理與地理信息科學(xué)，2004，20(3):27-30.

[13] 施木俊，熊毅明，甄云鵬.基于工程勘察鉆孔數(shù)據(jù)的三維地層模型的自動(dòng)構(gòu)建[J].城市勘察，2006(5)：62-65.

The regional forecast of the coal mine structure based on the paleotectonic stress field

MENG Da1，ZHANG Mei2

(1.Institute of Mechanics，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China;2.Agricultural University of Hebei，College of Urban and Rural Construction，Baoding 071000，China)

The paper collected and synthesized the regional geological outline information of the North China Plain，and analyzed the paleotectonic stress field of Xiandewang Coal Mine area in Xingtai，determined the effects on the mine structure produced by the previous tectonic movement.Based on the evolution of tectonic stress，combined with rock mechanics，elastic-plastic mechanics and fracture mechanics to proceeded the numerical calculation，established a three-dimensional digital geological structure model of the mine.Through theoretical analysis，numerical simulation and field experiments，predicted the small structures distribution area and the distribution law of the mine field，got the mine fault distribution area map.Not only the research results can provide the optimal mining design solution for the mining area and no mining area，but also help for the gas geology distribution and the Ordovician limestone water occurrence.

paleotectonic stress field；coal mine structure；DEM(Digital Elevation Model)；numerical simulation；regional forecast

2014-09-20

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(編號(hào)：51274185)；國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973)項(xiàng)目資助(編號(hào)：2010CB731500)

孟達(dá)(1969-)，女，遼寧蓋州人，副教授，博士，主要從事巖土工程和采礦工程方面的研究。E-mail:mengfanda@126.com。

張梅(1973-)，河北保定人，副教授，主要從事巖土工程及采礦工程方面的研究。E-mail:zhangmei@hebau.edu.cn。

TD-0

A

1004-4051(2015)06-0071-05