新集煤礦地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育特征及充水因素分析

王沙沙　宋寶來　林禮祺

摘要：本文以永春縣新集煤礦為例，針對其水患現(xiàn)狀，在分析研究區(qū)地質(zhì)、水文地質(zhì)特征、構(gòu)造特征的基礎(chǔ)上，用分維理論定量分析了礦井?dāng)鄬訕?gòu)造的空間發(fā)育特征，分析了礦井充水因素及潛在的水害威脅，并給出了相應(yīng)的建議，對于礦井安全生產(chǎn)具有一定的理論和現(xiàn)實意義。

關(guān)鍵詞：構(gòu)造；分維理論；充水因素

中圖分類號：TD745 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）44-0106-02

一、引言

礦井水是影響煤礦安全生產(chǎn)的重要危險源之一，應(yīng)全面分析充水因素，合理、科學(xué)地預(yù)測礦井水害威脅類型及程度，才能為煤礦安全開采提供保障。利用礦井構(gòu)造的分維理論能夠定量分析斷裂構(gòu)造空間展布的復(fù)雜程度，分維值可以綜合體現(xiàn)構(gòu)造跡線的發(fā)育規(guī)模、疏希多寡、組合展布方式等特征。本文在綜合分析研究區(qū)的水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，詳細搜集永春縣新集煤礦構(gòu)造及水文資料，利用分形理論的相關(guān)研究方法對斷裂構(gòu)造進行定量評價，最后指出了潛在的水害因素，并給出相應(yīng)的建議。

二、礦井地質(zhì)及水文地質(zhì)概況

新集煤礦位于永春縣境內(nèi)，礦區(qū)地貌為中低山型侵蝕構(gòu)造類型。地勢總體上北東部位較高，向西南逐漸變低，地形復(fù)雜，基巖陡坎，溝谷切割深。井田內(nèi)出露的地層為二疊系下統(tǒng)童子巖組地層，本井田內(nèi)所揭露的含煤地層包括童子巖組第三段（P1t3）、第二段（P1t2）和第一段（P1t1）。

含水層（組）主要包括第四系含水巖組和二疊系下統(tǒng)童子巖組含水巖組。二疊系下統(tǒng)童子巖組第二段地層為主要隔水巖組。區(qū)內(nèi)構(gòu)造較復(fù)雜，斷層較為發(fā)育。小型斷層及褶皺對巷道滲水影響較大。所揭露的巷道，頂板滴水主要位于裂隙帶附近，而其余巷道頂板干燥或偶滴水。

研究區(qū)地下水的補給來源主要為大氣降水，大氣降水通過包氣帶以活塞式及捷徑式兩種入滲方式下滲，對第四系松散沉積物及風(fēng)化帶中的孔隙、裂隙潛水含水層補給，層層遞進最終補給到基巖裂隙水，這個過程中斷層及后期形成的構(gòu)造裂隙是主要的導(dǎo)水通道，也是大氣降水向礦井排泄的部分途徑之一。礦井淺層的地下水主要以泉水形式從低洼溝谷等處排出，由于多年開采的影響，礦區(qū)大部分泉點已接近枯竭。

礦區(qū)斷層裂隙等構(gòu)造是重要的充水因素，雖然大部分斷層含、導(dǎo)水性都較弱，但斷層分布的隨機性及不均一性等都有可能使之成為礦井充水通道。除此之外，礦井的延續(xù)開采會打破礦體周圍巖體的力學(xué)平衡狀態(tài)，斷層的水文地質(zhì)特征、含導(dǎo)水性等都有可能發(fā)生變化，一旦斷層切割到了含水層，就有可能導(dǎo)通含水層與工作面，此時斷層導(dǎo)水的威脅比較大。

三、礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造分形特征研究

1.礦井構(gòu)造規(guī)律量化研究。目前國內(nèi)外對斷層、節(jié)理及顯微斷裂構(gòu)造等復(fù)雜程度的研究逐漸由定性向定量定性相結(jié)合的方向轉(zhuǎn)變，其中定量評價方面，大多是依據(jù)構(gòu)造在幾何特征、運動學(xué)理論和動力力學(xué)特征等方面具有統(tǒng)計學(xué)的自相似性，利用顯微規(guī)模的斷裂構(gòu)造分析來推測研究宏觀規(guī)模的斷裂，或借助宏觀的區(qū)域性和礦區(qū)范圍內(nèi)的斷裂構(gòu)造來推測、研究井田、礦井范圍內(nèi)的斷裂構(gòu)造特征，這即為分形思想在定量分析斷裂構(gòu)造特征時的具體應(yīng)用。目前，礦井構(gòu)造的分維評價在一些礦井研究中的應(yīng)用卓有成效，日益受到人們的重視。

2.構(gòu)造分維值的計算方法。分形理論是近年來新興發(fā)展起來的一門新學(xué)科。分形是指系統(tǒng)具有“自相似性”和“分數(shù)維度”。不管用什么類型和大小的尺度去測量，不論是從時間角度或者空間角度上看，物體的形狀都是相似的；系統(tǒng)的局部同整體性質(zhì)相似，為沒有特征尺度的自相似的結(jié)構(gòu)。同樣在統(tǒng)一對象的各個部分之間或者不同整體之間，彼此也都具有較高的自相似性。但自相似性的表現(xiàn)形式通常是十分復(fù)雜的，簡單地放大一定倍數(shù)并不能完全和整體重合。

本文所用的數(shù)盒子法是對斷裂分形圖形進行分維值計算中較為有效且廣泛應(yīng)用的方法。數(shù)盒子方法具體為：首先用邊長為r的正方形盒子覆蓋構(gòu)造圖形，由于構(gòu)造分形圖形并不是連續(xù)面狀覆蓋分布的，故會出現(xiàn)一些空的盒子，也會有部分盒子遮進了圖形的一少部分，數(shù)點非空盒子總個數(shù)，記為N（r）。不斷級數(shù)倍的減小格子的邊長，使r=r0/2、r0/4、r0/8、r0/16，與邊長r相對的N（r）將不斷增大，統(tǒng)計每一個通過構(gòu)造跡線的格子數(shù)目N（ri）。投放到lgN（r）-lgr坐標(biāo)系中擬合出一條直線，該擬合直線斜率的絕對值即為該塊段的斷層分維值，以此為指標(biāo)定量計算構(gòu)造的分維數(shù)。

本文以煤層底板等高線為基礎(chǔ)圖，用大小為100m×100m的格子將井田劃分區(qū)塊，并依次將非空格子編號，后將每個格子劃分為100m×100m、50m×50m、25m×25m的小格子，并分別算出每個級別小格子里中斷層跡線的條數(shù)，利用分維理論分別求出相關(guān)系數(shù)及特征值，利用計算機軟件繪制出井田斷層分維值等值線圖（見圖1）。

分析計算所得數(shù)據(jù)及所做的等值線圖，總結(jié)可知。

（1）研究區(qū)內(nèi)斷層分維值為0.4551-1.2772，各單元分形維數(shù)的相關(guān)系數(shù)均大于0.8771，說明斷層跡線的分布在所選擇的標(biāo)度下表現(xiàn)出較高的自相似性，線性擬合關(guān)系良好。

（2）井田內(nèi)斷層跡線分維值變化較為規(guī)律，等值線整體變化趨勢與主體斷層跡線展布情況一致：斷層長度較大，斷層分布密集的部位，分維值較大，如井田北部鉆孔K28以北地區(qū)；斷層稀疏，分布相應(yīng)較少的部位，斷裂構(gòu)造不發(fā)育，分維值低，復(fù)雜程度相對簡單，如井田東南部鉆孔K91～K2連線以南。其余大斷層分布較少的地區(qū)，分維值大小居中，構(gòu)造復(fù)雜程度中等；而在研究區(qū)內(nèi)幾組大斷層相互交錯的地方，斷層的分維值都較大，斷裂構(gòu)造發(fā)育程度復(fù)雜。

四、結(jié)論與建議

1.結(jié)論。本文分析了永春縣新集煤礦地質(zhì)及水文地質(zhì)特征，對礦井的充水條件進行了詳細的分析、歸納與總結(jié)，并利用分維分形理論，定量分析了斷層的發(fā)育情況，得出下列結(jié)論：（1）煤系地層受兩組斷裂切割。礦井開拓范圍內(nèi)可見的斷層可分為二組：一組以北東向逆斷層為主，如西北邊界的F48、F49號斷層；另一組為北西向正斷層，如F18號斷層和南界的F25號斷層。斷層的發(fā)育破壞了煤層分布的連續(xù)性及本身和圍巖的穩(wěn)定性。斷層雖大部分為弱導(dǎo)水性，但隨著開采的進行，仍有活化的可能性，是重要的充水因素。（2）利用分形理論統(tǒng)計分析作圖可知：①斷層分布密集的部位，分維值較大，如研究區(qū)北部。②斷層稀疏，分布相應(yīng)較少的部位，分維值低，如研究區(qū)東南部。③井田內(nèi)斷層跡線分維值變化較為規(guī)律，等值線整體變化趨勢與主體斷層跡線展布情況一致。

2.建議。礦山目前沒有存在水害隱患，但隨著時間的推移，開采條件會發(fā)生變化，斷層也會進一步發(fā)育。因此，礦山在今后開采中，必須做好以下幾方面的防治水措施：（1）礦井開采過程中應(yīng)進行必要的超前探水，配備探放水設(shè)備，對可疑地段必須認真執(zhí)行規(guī)程中規(guī)定的相關(guān)探放水原則。（2）加強礦山地質(zhì)勘察、水文地質(zhì)監(jiān)測等工作，詳細搜集有關(guān)井巷工程、斷裂破碎帶等位置資料，水文地質(zhì)動態(tài)及鉆孔涌水量變化的資料，預(yù)防老空積水區(qū)同開采井巷因斷層活化導(dǎo)水而發(fā)生水力連通；雨季要加強地表巡查，若發(fā)現(xiàn)地面沉陷坍塌、地裂縫等隱患應(yīng)及時采取有效防范措施。

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