楊　志,王來(lái)斌,張忠文

(安徽理工大學(xué) 地球與環(huán)境學(xué)院,安徽 淮南 232001)

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基于分形理論的10煤層底板巖體結(jié)構(gòu)類型劃分

楊志,王來(lái)斌,張忠文

(安徽理工大學(xué) 地球與環(huán)境學(xué)院,安徽 淮南 232001)

劃分煤層底板巖體結(jié)構(gòu)類型,可以為礦井安全生產(chǎn)和水害防治提供一定的技術(shù)支持。采用分形幾何學(xué)理論,對(duì)青東煤礦10煤層底板巖體的斷裂網(wǎng)絡(luò)發(fā)育特征進(jìn)行分析,以測(cè)算所得分維值作為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn),進(jìn)而劃分10煤層底板巖體結(jié)構(gòu)。利用Surfer軟件,繪制10煤層底板斷裂網(wǎng)絡(luò)分維等值圖,結(jié)果表明:研究區(qū)域內(nèi)10煤層底板巖體結(jié)構(gòu)以完整和塊裂結(jié)構(gòu)為主,含有部分碎裂結(jié)構(gòu)和極少量的松散結(jié)構(gòu),研究區(qū)內(nèi)斷裂網(wǎng)絡(luò)發(fā)育與分維分布具有較明顯的一致性。

巖體結(jié)構(gòu)，分維;斷裂

斷裂構(gòu)造是礦井突水的重要導(dǎo)水通道之一,斷層的出現(xiàn)往往會(huì)接通含水層與煤層之間的水力聯(lián)系。在華北地區(qū),煤田基底灰?guī)r巖溶十分發(fā)育,含水量巨大[1]。對(duì)于斷裂構(gòu)造發(fā)育的礦井,當(dāng)斷層切割太灰或奧灰灰?guī)r含水層時(shí),可能會(huì)減小含水層與煤層之間的原有間距,甚至?xí)苯舆B通含水層與煤層,破壞底板巖體結(jié)構(gòu)的整體性,削弱煤層底板隔水層段阻隔水的能力,在生產(chǎn)過(guò)程中,容易誘發(fā)礦井突水事故[2]。因此,評(píng)價(jià)礦井地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育情況的復(fù)雜性,劃分煤層底板巖體結(jié)構(gòu)類型尤為必要。

正確認(rèn)識(shí)巖體結(jié)構(gòu),劃分底板巖體結(jié)構(gòu)的類型,對(duì)于分析煤層底板隔水能力以及研究底板突水可能性意義重大。筆者以淮北礦業(yè)集團(tuán)公司青東煤礦為例,借助分形幾何學(xué)中的分維值,對(duì)青東煤礦10煤層底板斷裂網(wǎng)絡(luò)發(fā)育的情況予以定量研究評(píng)價(jià),并進(jìn)一步劃分10煤層底板巖體的結(jié)構(gòu)類型。

1　底板斷裂分維值

在復(fù)雜的內(nèi)、外動(dòng)力地質(zhì)作用的條件下,原本完整的煤層底板巖體被大大小小的斷層切割、破碎。要?jiǎng)澐值装鍘r體的結(jié)構(gòu)類型,需要先量化斷裂網(wǎng)絡(luò)發(fā)育的復(fù)雜程度。利用分形幾何學(xué)理論[3],求出斷裂網(wǎng)絡(luò)空間分布的分維值?？臻g分布分維值是斷層數(shù)量、規(guī)模、組合形式、水平延伸長(zhǎng)度，以及分布不均勻性的綜合體現(xiàn),可以作為描述研究區(qū)斷裂網(wǎng)絡(luò)發(fā)育特征的量化性指標(biāo)。有研究顯示[4]，分維值越大,表明該區(qū)域內(nèi)斷裂條數(shù)越多、斷裂長(zhǎng)度越長(zhǎng)、小斷裂及分支斷裂越多,斷裂交互關(guān)系越復(fù)雜,巖體被切割的越破碎;反之,則情形正相反。當(dāng)斷裂網(wǎng)絡(luò)發(fā)育的復(fù)雜特征被定量表示之后,可進(jìn)一步根據(jù)斷裂分維值對(duì)底板巖體結(jié)構(gòu)的類型進(jìn)行評(píng)價(jià)與分類,從而更加鮮明地反映煤層底板巖體對(duì)下部灰?guī)r水的阻隔能力。

斷裂空間分布圖形是復(fù)雜的具有自相似性的分形體系,采用相似維(Ds)[5]表示。設(shè)某客體可分為N個(gè)局部,每個(gè)局部按相似比β與整體相似,其相似維數(shù)Ds為

斷裂空間分維值的計(jì)算方法有很多,其中最簡(jiǎn)單便捷的量測(cè)方法是網(wǎng)絡(luò)覆蓋法,又稱計(jì)盒維數(shù)法,用于研究一定范圍內(nèi)某種幾何圖形(點(diǎn)、線)的分形結(jié)構(gòu)。將研究區(qū)劃分成若干邊長(zhǎng)為r的正方形格子,得出有斷裂穿過(guò)的格子數(shù)N(r);按1/2倍率依次縮小r,得出相對(duì)應(yīng)的格子數(shù)N(r),并以此類推。由于研究區(qū)內(nèi)斷裂網(wǎng)絡(luò)空間分布具有自相似結(jié)構(gòu),因此,則有N(r)=r-Ds。

令ε=1/r,將所得數(shù)據(jù)標(biāo)繪在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖ln N(r)-lnε上,可以擬合出一條曲線,其中直線部分的斜率即為斷裂體系空間分布的相似維Ds。

2　10煤層底板斷裂網(wǎng)絡(luò)的分形

2.1礦井概況

青東煤礦地處淮北煤田臨渙礦區(qū)的西北部。井田東至大劉家斷層毗鄰海孜、臨渙、童亭煤礦,西止于F9斷層,南部以石炭系太原組頂界灰?guī)r露頭線為界,北部至F19斷層和3-2煤層-1 200 m的水平投影線,東西約13 km,南北3.5～6.5 km,面積54.14 km2。井田以走向北西～近東西,局部略有轉(zhuǎn)折,向北、北東傾斜的單斜構(gòu)造為主。地層傾角10°～20°,沿走向方向出現(xiàn)較小規(guī)模的地層起伏或次級(jí)褶曲;斷層較為發(fā)育,組合規(guī)律性較強(qiáng);局部有巖漿巖侵蝕,構(gòu)造復(fù)雜程度中等。

2.2斷裂分維數(shù)的測(cè)定

統(tǒng)計(jì)是在青東煤礦10煤層底板構(gòu)造跡線圖(1∶5 000)上進(jìn)行的,利用邊長(zhǎng)為1 000 m的網(wǎng)格單元將構(gòu)造跡線圖劃分為55個(gè)單元,依次對(duì)半縮小單元格邊長(zhǎng)取值。將窗口按一定的步長(zhǎng)在圖上滑動(dòng),窗口停在某一單元,記錄含有斷層跡線的網(wǎng)格數(shù)。再利用回歸分析,求出各個(gè)單元的相似維數(shù)Ds。通過(guò)計(jì)算,得出各個(gè)單元的相關(guān)系數(shù)R均在0.9以上,如圖1所示。第九單元R2與Ds回歸關(guān)系說(shuō)明,10煤層底板斷裂網(wǎng)絡(luò)體系在現(xiàn)有標(biāo)度下具有較好的分形特點(diǎn)。

圖1　第九單元R2與Ds回歸關(guān)系

2.3底板斷裂分維等值線圖分析

根據(jù)上述分維值的測(cè)定方法,得出青東煤礦10煤層底板的斷裂分維值為0.575 5～1.455 0,利用Surfer軟件進(jìn)行樣條插值,繪制青東煤礦10煤底板斷裂網(wǎng)絡(luò)分維等值圖,見圖2。分維值較大區(qū)域與斷裂網(wǎng)絡(luò)發(fā)育區(qū)域一致,分維值較大區(qū)域分布在井田中南部，位于F6斷層與F1斷層之間,斷裂網(wǎng)絡(luò)發(fā)育較為密集;在礦井?dāng)嗔丫W(wǎng)絡(luò)不十分發(fā)育的地方,所對(duì)應(yīng)的分維值也較小。根據(jù)地震、鉆探、測(cè)井和巷道資料,共組合落差3 m以上的斷層220條,具體斷層情況見表1。斷層的展布方向以北東向和北東東向?yàn)橹?少量北西向。

先后有多位專家學(xué)者從不同的角度對(duì)區(qū)域構(gòu)造演化歷史進(jìn)行了分析,學(xué)者們[6-8]認(rèn)為:印支～燕山運(yùn)動(dòng)早期,在華南和華北板塊碰撞擠壓作用下形成了整體以近東西向?yàn)橹鞯臉?gòu)造分布。喜山期拉張機(jī)制下形成的近南北向斷裂、褶皺及推覆構(gòu)造切割、改造早期的近東西向構(gòu)造,形成近似網(wǎng)格狀的斷塊構(gòu)造。形成時(shí)期最晚的北西和北東向的低序次斷裂分布在各斷塊內(nèi),使已存在的構(gòu)造變形進(jìn)一步復(fù)雜化,最終形成現(xiàn)在的格局。

圖2　10煤層底板斷裂構(gòu)造分維等值線

Fig.2No.10 coal floor faulted structure fractaldimension contour

表1　青東煤礦斷層統(tǒng)計(jì)

3　10煤層底板巖體結(jié)構(gòu)類型劃分

依照分維值大小以及分維值與巖體斷裂體系發(fā)育程度之間的相互關(guān)系,以分維值為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),將10煤底板巖體結(jié)構(gòu)類型大致劃分為四類[9-10],如表2所示。

表210煤層底板巖體結(jié)構(gòu)分類

Table 2Classification of rock mass structure ofNo.10 coal mine’s floor

巖體類型分類區(qū)間完整結(jié)構(gòu)Ds≤1.05塊裂結(jié)構(gòu)1.051.45

根據(jù)上述分類規(guī)則,10煤底板巖體結(jié)構(gòu)劃分如圖3所示。由圖3可知,區(qū)內(nèi)10煤底板巖體大部分為完整和塊裂結(jié)構(gòu),其中完整結(jié)構(gòu)區(qū)域集中于10煤深部,部分破碎結(jié)構(gòu)分布于井田中南部及北部小塊區(qū)域,在中南部的碎裂結(jié)構(gòu)范圍內(nèi),含有少量的松散結(jié)構(gòu)。礦井中南部區(qū)域底板巖體結(jié)構(gòu)較差,其余地區(qū)巖體結(jié)構(gòu)較好。

圖3　10煤層底板巖體結(jié)構(gòu)劃分示意

Fig.3No.10 coal floor rock mass structuraltype division diagram

4　結(jié)　論

(1)計(jì)算所得的分維值可以較好地定量描述礦井?dāng)嗔丫W(wǎng)絡(luò)發(fā)育的復(fù)雜程度。井田內(nèi)斷裂網(wǎng)絡(luò)發(fā)育與分維分布具有較明顯的一致性,斷裂網(wǎng)絡(luò)發(fā)育的區(qū)域,分維值較大,斷裂網(wǎng)絡(luò)不發(fā)育的區(qū)域,分維值較小。

(2)研究區(qū)域內(nèi)10煤層底板斷裂空間分布分維值在0.575 5～1.455 0之間,巖體結(jié)構(gòu)以完整結(jié)構(gòu)和塊裂結(jié)構(gòu)為主。礦井中南部F6斷層與F1斷層之間底板巖體較為破碎,斷裂網(wǎng)絡(luò)也較為發(fā)育,可能對(duì)礦井的生產(chǎn)帶來(lái)安全隱患。

(3)該研究可以為研究區(qū)域內(nèi)的資源合理開采及礦井水害防治提供技術(shù)參考。

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(編輯徐巖)

No.10 coal seam floor rock mass structure type division of Qingdong coalmine by fractal theory

YANG Zhi,WANG Laibin,ZHANG Zhongwen

(School of Earth Science &Environmental Engineering,Anhui University of Science &Technology,Huainan 232001,China)

This paper is aimed at dividing rock mass structure type to provide some technical support for coalmine safety production and water hazard control.Fractal theory was applied to analyze the development characteristics of No.10 coal seam floor rock mass fault network in Qingdong colliery and floor rock mass structures of No.10 coal were divided by taking fractal dimension value as evaluation standard.Surfer was used to draw contour map of No.10 coal floor fault network fractal dimension value.The results showed that intact structure and block structure took up most of the studying area,including part of cataclastic structure and a very small amount of loose structure.Fault network development and distribution of fractal dimension have significantly consistency in the studying area.

rock mass structure； fractal dimension;fault

2014-10-29

楊志(1988-),男,安徽省定遠(yuǎn)人,碩士,研究方向:水文地質(zhì)與工程地質(zhì),E-mail:2013200015@aust.edu.cn。

10.3969/j.issn.2095-7262.2015.02.003

TD313

2095-7262(2015)02-0129-03

A