寺河礦區(qū)煤儲(chǔ)層裂隙定量研究

陳黎明

(山西省煤炭地質(zhì)114 勘察院，山西 長(zhǎng)治 046011)

1 井田概況

寺河井田位于太行山南端，沁水盆地南側(cè)。開(kāi)采煤層為3號(hào)，15號(hào)無(wú)煙煤。采用傾斜長(zhǎng)壁大采高自然冒落后退式綜合機(jī)械化采煤方法對(duì)煤層進(jìn)行回采，一次性采全高。

2 裂隙分形研究方法

傅雪海等人(2001年)基于分形幾何中的盒維數(shù)對(duì)裂隙面密度進(jìn)行了分形維數(shù)計(jì)算。胡耀青等人(2002年)研究煤體的滲透性與裂隙分維的關(guān)系時(shí)提出:在一定尺度范圍內(nèi)，煤體的裂隙條數(shù)與分形維數(shù)D 具有非線性相干關(guān)系，從而更進(jìn)一步說(shuō)明了分形維數(shù)可作為裂隙隨尺度變化的重要參考指標(biāo)。

3 寺河礦區(qū)煤儲(chǔ)層裂隙定量分析研究

據(jù)理論表明，分形幾何中的盒維數(shù)是裂隙面密度分形維數(shù)計(jì)算的理論基礎(chǔ)，假如Rn空間中子集F 有下盒計(jì)數(shù)與上盒計(jì)數(shù)，分別由下式給出:

則F 的盒計(jì)維數(shù)為:

實(shí)際研究表明:基于盒維數(shù)的計(jì)算方法可適用于任意的n 維空間，上式中Nr(F)是覆蓋為F，半徑為r 的閉球列的最小個(gè)數(shù)。

對(duì)裂隙的觀測(cè)統(tǒng)計(jì)方法可概述為如下:1)在煤剖面上選擇小于揭露煤層總厚度的正方形網(wǎng)格(設(shè)邊長(zhǎng)為L(zhǎng)0)，統(tǒng)計(jì)該網(wǎng)格內(nèi)裂隙長(zhǎng)度不小于邊長(zhǎng)L0的條數(shù);2)繼續(xù)劃分分形網(wǎng)格時(shí)，以a1(其中a1=L0/2)為尺度把網(wǎng)格劃成4 個(gè)正方形網(wǎng)格(其中邊長(zhǎng)為L(zhǎng)0/2)，并且在每一個(gè)網(wǎng)格中將長(zhǎng)度不小于L0/2 的裂隙進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，最后把統(tǒng)計(jì)總數(shù)作為該尺度下的裂隙的總數(shù)目;3)依此類(lèi)推，約4 次～5 次(即r=20 cm)劃分后，井下煤面觀測(cè)統(tǒng)計(jì)結(jié)束，隨后進(jìn)行室內(nèi)觀測(cè)統(tǒng)計(jì)，室內(nèi)統(tǒng)計(jì)時(shí)仍然按照上述規(guī)則;4)依此類(lèi)推，約4 次～5 次劃分后，當(dāng)分形網(wǎng)格邊長(zhǎng)小于5 mm 以后，將煤粒放在掃描電鏡下進(jìn)行觀測(cè)，統(tǒng)計(jì)方法與室內(nèi)觀測(cè)基本類(lèi)似，當(dāng)然有時(shí)只需要統(tǒng)計(jì)1/10 個(gè)網(wǎng)格即可。

寺河礦區(qū)3號(hào)，15號(hào)煤中宏觀裂隙至顯微裂隙統(tǒng)計(jì)如表1、表2 所示，由統(tǒng)計(jì)表3 可以看出:寺河礦區(qū)長(zhǎng)度大于100 mm 的裂隙，長(zhǎng)度介于1.56 mm～100 mm 之間的裂隙，長(zhǎng)度小于1.56 mm 的裂隙均表現(xiàn)出一定的分形特征，裂隙分形維數(shù)隨裂隙的發(fā)育程度變高而增大;總體來(lái)說(shuō)，15號(hào)煤裂隙較3號(hào)煤裂隙發(fā)育程度高，研究范圍內(nèi)除1.56 mm～100 mm 之間的裂隙3號(hào)煤層較發(fā)育外，其他均以15號(hào)煤較發(fā)育;3號(hào)煤宏觀裂隙較發(fā)育，15號(hào)煤顯微裂隙較發(fā)育。

表1 寺河礦區(qū)3號(hào)煤儲(chǔ)層裂隙統(tǒng)計(jì)表

表2 寺河礦區(qū)15號(hào)煤儲(chǔ)層裂隙統(tǒng)計(jì)表

表3 寺河礦區(qū)煤儲(chǔ)層裂隙分形維數(shù)

4 結(jié)語(yǔ)

1)寺河礦區(qū)3號(hào)，15號(hào)煤層普遍發(fā)育一組或兩組內(nèi)生割理。2)對(duì)寺河礦區(qū)的裂隙分形研究表明，寺河礦區(qū)長(zhǎng)度大于100 mm的裂隙，長(zhǎng)度介于1.56 mm～100 mm 之間的裂隙，長(zhǎng)度小于1.56 mm 的裂隙均表現(xiàn)出一定的分形特征，裂隙分形維數(shù)隨裂隙的發(fā)育程度變高而增大。3)總體來(lái)說(shuō)，15號(hào)煤裂隙較3號(hào)煤裂隙發(fā)育程度高，研究范圍內(nèi)除1.56 mm～100 mm 之間的裂隙3號(hào)煤層較發(fā)育外，其他均以15號(hào)煤較發(fā)育。4)3號(hào)煤宏觀裂隙較發(fā)育，15號(hào)煤顯微裂隙較發(fā)育。

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