煤礦礦井突水與斷層構(gòu)造的非線性分析

段李宏 冉德立

（河南煤業(yè)化工集團永煤公司陳四樓煤礦，河南省商丘市，476000）

煤礦礦井突水與斷層構(gòu)造的非線性分析

段李宏 冉德立

（河南煤業(yè)化工集團永煤公司陳四樓煤礦，河南省商丘市，476000）

陳四樓煤礦南部深部采區(qū)的斷層構(gòu)造較多，是煤礦深部煤層開采突水的重要影響因素，通過對南部深部采區(qū)斷層的非線性量化分析，獲得研究區(qū)斷層的分維值平均為1.10，在0.7925～1.4534之間，斷層構(gòu)造復雜程度為中等。并獲得了研究區(qū)突水的單位涌水量與斷層構(gòu)造分維之間的關(guān)系，且隨著斷層分維的增大，礦井突水的單位涌水量也會增大。

深部煤層開采 斷層構(gòu)造 非線性 突水

陳四樓煤礦位于豫、皖兩省交界的河南省永城市北部，為城廂、陳集、順和鄉(xiāng)所轄。本區(qū)位于華北臺塊東南隅之山東臺背斜徐蚌凹折帶中，秦嶺～昆侖緯向構(gòu)造帶東段北支的南側(cè)，新華夏系第二沉降帶的東側(cè)。本區(qū)和華北地臺區(qū)一樣，經(jīng)過多次構(gòu)造運動，于燕山期形成了現(xiàn)在的構(gòu)造格局。區(qū)內(nèi)以近東西向構(gòu)造為主體，近南北向構(gòu)造次之，伴隨有巖漿活動。永城煤田煤系地層的展布形態(tài)嚴格受兩組構(gòu)造的控制。地質(zhì)構(gòu)造，尤其是斷層是造成煤層底板突水的主要原因之一。本井田位于永城隱伏背斜的西翼，構(gòu)造形態(tài)與區(qū)域構(gòu)造一致。井田內(nèi)部構(gòu)造近東西向以斷層表現(xiàn)為主。

1 礦區(qū)水文地質(zhì)及地質(zhì)構(gòu)造

礦區(qū)井田的北部F11斷層以北局部地段的石炭系地層與煤系地層相互接觸，水力聯(lián)系十分微弱，邊界較弱。西部和南部都以正斷層為界，并形成了相對的隔水邊界。而東部區(qū)域的二2煤層露頭處分布的灰?guī)r面積不大，并被厚層粘土所覆蓋，灰?guī)r水側(cè)向補給井田的途徑在區(qū)域上受到了一定限制，總體上本礦井為一個半封閉的水文地質(zhì)單元，其有利于煤層的開采。在垂直方向，根據(jù)含水層及隔水層沉積層序與巖性，研究區(qū)自上而下可劃分為4個含水組：古近系、新近系和第四系孔隙含水組；二疊系裂隙孔隙含水組；石炭系太原組溶洞裂隙承壓含水組；奧陶系溶洞裂隙強含水組。主要隔水層：新生界底部隔水層；山西組底部隔水層。根據(jù)陳四樓礦井水文地質(zhì)條件分析，開采二2煤時受頂板和底板砂巖水、太原組灰?guī)r水影響。在礦井開采初期及新采區(qū)首采區(qū)，采掘工作面頂、底板有出水現(xiàn)象，但煤層頂、底板砂巖裂隙水富水性差，儲量小，易于疏干，隨著采掘面積擴大，煤層頂、底板砂巖裂隙水對采掘影響逐漸減小。

2 斷層構(gòu)造線性分形研究

線性分形是具有自相似性的分形，而自相似性主要是指局部與整體在其形態(tài)、功能以及信息等方面具有相似性，是整體的縮影，而在斷層的研究中，主要用容量維Dk，信息維Dl，相似維Ds來定義。

式中：N （d）——能夠覆蓋住一個點集的直徑為d的小球的最小數(shù)目；

Pi（d）——研究對象落在第i個球中的概率；

d——小球直徑。

2.1 分形與分形維數(shù)

目前分形理論已成為非線性科學中的前沿課題，分形定義可以由維數(shù)意義出發(fā)，非線性的實質(zhì)是事物之間的相互作用，非線性的基本特點是產(chǎn)生多樣性和多尺度性。在多尺度系統(tǒng)中，物理量是隨尺度而變化的，關(guān)鍵的問題是尋找該系統(tǒng)隨尺度變化而不變的量。分形只能在非線性系統(tǒng)中產(chǎn)生，其中分形維數(shù)就是這種不變量。所以，分維數(shù)是表征分形的重要參數(shù)。

由于傳統(tǒng)的對斷層的分析方法是以密度作為分析指標，其只包含了斷裂條數(shù)、斷層延伸長度、斷層斷距中的一方面的變化信息。但是斷層分維則包含了斷裂構(gòu)造的各個方面的變化信息，可以作為一項綜合性的評價指標。它可以對密度指標無法區(qū)分的情況進行區(qū)分。因此，采用斷層的分維指標來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的密度指標，對礦井斷裂的復雜程度進行評價更加合理和準確。相似維和信息維是在對斷層網(wǎng)絡的研究中所主要采用的，雖然信息維較相似維更精確，但信息維的量測和計算卻非常復雜，但相似維和信息維是呈正相關(guān)的線性關(guān)系。因而，本文只利用相似維作為斷層構(gòu)造的評價指標。

圖1 研究區(qū)主要構(gòu)造

2.2 研究區(qū)斷層分維計算

礦區(qū)主要構(gòu)造見圖1。井田西起F9與F22斷層，南至F6斷層且與城郊井田為鄰，北至F11斷層，東至二2煤層露頭線為界。研究區(qū)井田構(gòu)造形態(tài)與總體區(qū)域構(gòu)造一致，井田內(nèi)部近東西向構(gòu)造主要為斷層，褶曲表現(xiàn)次之；而近南北向的構(gòu)造主要為褶曲，斷層表現(xiàn)次之。根據(jù)勘探資料及開采情況，井田內(nèi)發(fā)現(xiàn)斷層共1008條，其中落差小于10 m的有909條，落差在10～20 m的有65條，落差在20～30 m的有13條，落差大于30 m的有21條。決定井田邊界及采區(qū)劃分的大中型斷層共計34條。本文主要針對井田南部的深部采區(qū)進行研究。

煤礦實際生產(chǎn)應用中，如何合理、準確地用一指標來定量評價斷裂網(wǎng)絡的復雜程度是目前研究的難點。近年來，隨著國內(nèi)外許多學者的深入研究，雖然斷裂網(wǎng)絡比較復雜，但是其分形體系都具有自相似性。從而可以選用能夠定量地描述幾何不規(guī)則性的分維值作為斷層定量評價的指標。且分維值包含了斷裂條數(shù)、交叉關(guān)系及延展長度等多方面的變化信息，可以作為一項綜合性評價指標。其分維值越大，表示斷裂的長度越長，其中小斷層及分支斷層越多，對巖體的切割程度越嚴重，反之分維值越小，則表示巖體受到的切割程度較弱。首先將礦區(qū)南部研究采區(qū)劃分為邊長500 m，共88個正方形網(wǎng)格，對其逐一進行標記，見圖2。然后取其相似比分別r=1，1／2，1／4，1／8，獲得N （r）為每一級別下斷層跡線所穿過的網(wǎng)格的數(shù)目，并計算平均值，最后通過式 （2）求得各個網(wǎng)格斷層網(wǎng)絡的相似維Ds，計算結(jié)果見表1。最后繪制研究區(qū)斷層分維等值線圖，見圖3。

式中：N （r）——每一級別下斷層跡線所穿過的網(wǎng)格的數(shù)目。

3 斷層分維值與突水量的關(guān)系

自1997年生產(chǎn)以來研究區(qū)礦井共發(fā)生過7次突水，其最大突水量為860 m3／h，見表2。礦井突水單位涌水量是受到多個因素的綜合影響，而地質(zhì)構(gòu)造是最重要的一個因素，而斷層的分維則從非線性的角度對其進行了量化。根據(jù)資料擬合礦井突水的單位涌水量與斷層分維的關(guān)系曲線：

表2 礦井突水斷層及其分維值

式中：Ds——斷層相似維的分維值；

Q——突水單位涌水量，m3／h。

斷層分維與突水單位突水量的關(guān)系見圖4。

圖4 突水量與斷層分維的關(guān)系曲線圖

根據(jù)式 （3）、圖4及表2可知，礦井將發(fā)生突水的臨界條件為斷層分維為1.1112，隨著斷層分維值的增大，礦井突水量也會隨之增大，分維為1.1112時，實測獲得的單位涌水量為35 m3／h。在斷層分維為1.2075、1.2513時，實測礦井突水的單位涌水量激增，單位涌水量為383 m3／h與860 m3／h。如果斷層分維為1.30，依據(jù)式 （2），此時礦井突水的單位涌水量預計約為1007.77 m3／h，超過了1000 m3／h。因此，分維值1.10、1.20、1.30可作為斷層復雜程度劃分的3個分界點。綜合分析可得，根據(jù)分維值，可將煤層底板巖體結(jié)構(gòu)即巖體被斷層切割的復雜程度劃分為5種類型，見表3。

表3 斷層網(wǎng)絡復雜程度分級與分維值的關(guān)系

由表3可知，研究區(qū)中較復雜和復雜的類型只占19.32%，而斷層構(gòu)造為中等、較簡單和簡單的類型占到了80.68%，根據(jù)斷層分維的平均值1.10可知研究區(qū)斷層構(gòu)造的復雜程度整體上為中等類型。

4 結(jié)論

通過對陳四樓煤礦礦井南部采區(qū)研究區(qū)斷層的非線性分析，獲得研究區(qū)斷層分維值平均為1.10，處于0.7925～1.4534之間，且礦井南部的深部采區(qū)的斷層構(gòu)造復雜程度為中等。并獲得了研究區(qū)突水的單位涌水量與斷層構(gòu)造分維之間的關(guān)系，且隨著斷層分維的增大，礦井突水的的單位涌水量也會增大，對本煤礦的水害防治提供了重要指導。

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Nonlinear analysis of coal mine water in-flows and fault structure

Duan Lihong，Ran Deli
（Chensilou Coal Mine，Yongmei Company，Henan Coal Chemical Industry Group，Shangqiu，Henan 476000，China）

There are many fault structures in deep mining areas within Chensilou southern coal mine that are affected by water in-flows within deep coal mining areas.Nonlinear quantitative analysis has been conducted within these faults.The results showed that the faults'average fractal dimension is 1.10.Between the range of 0.7925～1.4534，the fault structure degree of complexity was considered medium.The relationship between the volume of water in-flow and fault fractal dimensions have been obtained.The results indicate that with increasing fault fractal dimensions，the volume of water in-flow will also increase.

deep coal mining，fault structure，nonlinear，water in-flow

P641

A

段李宏 （1986-），男，山西臨汾人，工程師，2007年畢業(yè)于中國礦業(yè)大學水文與水資源工程專業(yè)，現(xiàn)在河南煤化永煤公司陳四樓礦探防隊從事防治水工作。

（責任編輯 張毅玲）