許春耕，胡友彪，秦俊林

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

口孜東煤礦81煤層斷裂復(fù)雜程度定量評(píng)價(jià)

許春耕，胡友彪，秦俊林

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

摘要：指出了分維值是用來定量描述自相似的參數(shù)，能夠定量評(píng)價(jià)煤層斷裂網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜程度。利用分維值對(duì)口孜東81煤層復(fù)雜程度進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)，根據(jù)復(fù)雜程度分為四類，得出其斷裂構(gòu)造具有自相似性，比較客觀地反映了81煤層斷裂構(gòu)造的復(fù)雜程度。

關(guān)鍵詞：斷裂；分維值；復(fù)雜程度；定量評(píng)價(jià)

收稿日期：2014-12-28

作者簡介：許春耕(1989—)，男，河南商丘人，碩士，主要從事水文地質(zhì)研究。

中圖分類號(hào)：P628.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：：1674-9944(2015)02-0242-03

Abstract:Fractal dimension is used to quantitatively describe the self-similar parameter and it can quantitatively evaluate the complexity degree of fracture network in coal seam. This article uses the fractal dimension value to conduct a comprehensive evaluation of the complexity degree of No.81 coal seam in KuZiDong. According to the complexity degree, four categories are divided. The results indicate that the fracture structure has the feature of self-similar, which objectively reflects the complexity degree of the No 81 coal seam's fracture structure.

1引言

在煤礦生產(chǎn)中斷裂網(wǎng)絡(luò)對(duì)開采條件、瓦斯突出、礦井突水等有著顯著的影響。定量評(píng)價(jià)斷裂網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜程度，對(duì)合理開采煤炭資源及防止和減少礦井地質(zhì)災(zāi)害有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義[1~3]。鑒于此，本文運(yùn)用分維值定量評(píng)價(jià)口孜東煤礦地質(zhì)構(gòu)造的復(fù)雜程度，以此為煤礦的安全高效生產(chǎn)提供借鑒。

2礦井概況

2.1　地層及煤層

口孜東礦位于淮南煤田西部，地處阜陽市潁東區(qū)與潁上縣交界處，行政區(qū)劃隸屬于阜陽市，西距阜陽市30km。礦區(qū)從老到新地層，有古生界寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系，中生界三疊系，新生界上第三系、第四系。

區(qū)內(nèi)煤系地層主要為二疊系地層，其底部為太原組及奧陶系灰?guī)r，煤系地層為厚426.18～687.60m的新生界松散層所覆蓋(圖1)。

圖1　口孜東井田構(gòu)造示意圖

二疊系山西組及下、上石盒子組是該礦區(qū)主要含煤地層，其總厚為763.90m，含煤總厚為41.14m，含煤系數(shù)5.39%。其中81煤層位于第二含煤段上部，面積20.82km2，其中可采面積19.49km2，可采系數(shù)94%，煤厚0～6.18m，煤層厚度變化不大，一般厚3～4m，平均2.90m。

2.2　礦區(qū)構(gòu)造

本區(qū)位于淮南煤田的西部，淮南復(fù)向斜中的次級(jí)褶曲陳橋背斜的南翼西段，總體為一不完整向斜構(gòu)造，南翼被F1斷層切割。向斜總體軸向?yàn)楸蔽飨?，向斜南翼地層傾角平緩，一般為5°～10°，向斜北翼地層傾角稍陡，一般為20°左右。

區(qū)內(nèi)共查出斷層30條。其中，正斷層26條，逆斷層4條。按斷層落差分：落差大于100m為6條；在50～100m之間為4條；在30～50m之間為4條；在20～30m之間為5條，小于20m為11條。按斷層走向可分成3組，其中，以北東向橫切斷層為主，北西向和近東西向?yàn)檩o。

2.3　水文地質(zhì)條件

按照沉積物的組合特征及其含、隔水情況，可將新生界松散層自上而下大致分為一含、一隔、二含、二隔、三含、三隔和底含共4個(gè)含水層(組)和3個(gè)隔水層(組)。其中，三隔厚度介于33.67～127.70m，平均87.79m，分布穩(wěn)定，隔水性能良好，可以有效地阻止上覆地表水及一、二、三含水層向下補(bǔ)給入滲。

二疊系煤系砂巖分布于煤層、粉砂巖和泥質(zhì)巖石之間，其厚度小，分布不穩(wěn)定，又有煤層和泥質(zhì)巖相隔。以往勘探結(jié)果表明：井田內(nèi)斷層帶含水性極弱，導(dǎo)水性差，因此，砂巖含水層之間水力聯(lián)系也較差。砂巖的補(bǔ)給條件差，其量為儲(chǔ)存量，在疏放條件下，表現(xiàn)為消耗-疏干型。

3分維值的概念及統(tǒng)計(jì)步驟

分維也稱分維值，是用來定性描述相似性的參數(shù)，是定量評(píng)價(jià)斷裂網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜程度一項(xiàng)良好的綜合性指標(biāo)。在斷裂構(gòu)造研究中，主要運(yùn)用容量維數(shù)。

分析方法是將研究區(qū)劃分為若干個(gè)邊長為r(r= 1/2、1/4、1/8、1/16)的正方形格子，構(gòu)成的二維正交網(wǎng)格覆蓋研究區(qū)，數(shù)出有斷層存在的格子數(shù)N(r)，之后按一定的規(guī)律改變r(jià)的值，并計(jì)算出相應(yīng)的N(r)。把所得到的N值轉(zhuǎn)化為lnn，因?yàn)閞<1，lnr<0，所以把積轉(zhuǎn)化為ln(1/r)。

在ln(1/r)-lnn坐標(biāo)系中做散點(diǎn)圖，用一元線性回歸的方法求得一條曲線，此曲線斜率的絕對(duì)值即為所求的分維值。

研究表明，分維值包含著斷裂條數(shù)、延伸長度、交叉關(guān)系等多方面的變化信息，是一項(xiàng)綜合性指標(biāo)。分維值越大，表示斷裂長度較長，小斷層及分支斷層繁多，則對(duì)巖體切割越嚴(yán)重；反之，分維值越小，則斷層較為稀少，小斷層及分支斷層也相應(yīng)較少，對(duì)巖體的切割相對(duì)較輕。因此，利用分維值，在進(jìn)行斷裂構(gòu)造復(fù)雜程度定量評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，可以對(duì)巖體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類和評(píng)價(jià)[4~6]。

4口孜東煤礦81煤層分維斷裂評(píng)價(jià)

根據(jù)分維值統(tǒng)計(jì)步驟并計(jì)算得出81煤層分維值，如表1所示。

表1　81煤層斷裂分維值統(tǒng)計(jì)

運(yùn)用surfer做出礦區(qū)81煤層分維等值線圖并用評(píng)判指標(biāo)(表2)進(jìn)行構(gòu)造復(fù)雜程度分區(qū)，如圖2和圖3所示。

表2　斷裂分維值指標(biāo)的復(fù)雜程度分類標(biāo)準(zhǔn)

圖2　81煤分維等值線

圖3　81煤層構(gòu)造復(fù)雜程度分區(qū)

由圖2和圖3及表2得知，礦區(qū)西部斷層較多，分維值多大于1.193地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，由西向東分維值逐漸減小，礦區(qū)中部斷層較多，分維值大于1.193，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，四周逐漸減小，地質(zhì)構(gòu)造趨于簡單。礦區(qū)東部斷層較少，斷裂分維值多小于1.049，地質(zhì)構(gòu)造簡單。

5結(jié)論

(1)通過分維值能夠較好地定量描述口孜東斷裂構(gòu)造的發(fā)育復(fù)雜程度和差異等綜合變化信息。

(2)分維值越大，表示斷裂長度較長，小斷層及分支斷層繁多，對(duì)巖體切割嚴(yán)重；反之，斷層稀少。

(3)根據(jù)口孜東81煤層的分維值，可看出斷裂分布具有自相似性，較為準(zhǔn)確地反映構(gòu)造的復(fù)雜程度，從而在生產(chǎn)過程中具有指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]鞠瑋,侯貴廷,潘文慶,等.塔中Ⅰ號(hào)斷裂帶北段構(gòu)造裂縫面密度與分形統(tǒng)計(jì)[J].地學(xué)前緣,2011,18(3):317~323.

[2]張春光,姜波,朱慎剛.礦井構(gòu)造變形定量評(píng)價(jià)與突水耦合分析[J].礦業(yè)安全與環(huán)保,2011,38(5):40~43.

[3]黃月,廖太平,鄧吉州,等.分形理論在斷裂構(gòu)造研究中的應(yīng)用前景[J].重慶科技學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2010,12(6):83~85.

[4]陳善成,姚多喜,天強(qiáng)國,等.祁東61煤地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度定量評(píng)價(jià)[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2010,38(3):101~103.

[5]王敏華,高紅遠(yuǎn).新莊孜礦六八采區(qū)斷裂復(fù)雜程度的變形分析[J].安徽理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2012,32(2):50~53.

[6]楊永林,吳基文,孫本魁,等.劉橋二礦六煤層斷裂復(fù)雜程度的分形評(píng)價(jià)[J].淮南職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào):2005,1(5).

Quantitative Assessment of Fracture Complexity

Degree of No.81Coal Seam in Kouzidong Mine

Xu Chungeng, Hu Youbiao, Qin Junlin

(SchoolofEarthandEnvironment,AnhuiUniversityofScience&Technology,Huainan232001,China)

Key words: fracture; fractal dimension; complexity degree; quantitative assessment