涡北井田构造特征及其复杂程度评价

程 建，窦新钊，王 伟，张春光，胡广青

涡北井田构造特征及其复杂程度评价

程 建，窦新钊，王 伟，张春光，胡广青

(中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏 徐州 221116)

在涡北煤矿地质勘探和矿井开采资料系统分析和统计的基础上，应用分形理论和方法对矿井构造进行了构造复杂程度评价。评价结果表明，影响涡北矿构造复杂程度的主要因素是断裂构造，褶皱构造基本不发育，所以相比较其他构造评价方法，分形评价方法是比较合理和便捷的方法;矿井的中部和南部F26断层以南区域是矿井的2个构造复杂区，分维值均在1.5以上;可能不利于使用综采，可以进行其他开采方法或非正规开采。

涡北矿井;断裂;复杂程度;分维;矿井构造;定量评价

随着煤矿生产机械化程度的不断提高，对矿井构造的定量评价提出了越来越高的要求，以便为煤矿提高产量和安全生产提供可靠的地质保证［1］。在煤矿生产中，矿井断裂及其所造成的煤层厚度的复杂变化是影响采掘生产最普遍、最重要的地质问题。近年来，国内外学者的研究已经证明，断裂构造是一种复杂的、具有自相似性的分形体系［2－3］。因此，定量描述不规则性分形结构的分维可以作为定量评价断裂网络的复杂程度的实用指标。本文以涡北煤矿构造本身的发育特征做为基础，采用数学方法和手段对涡北井田构造复杂程度进行综合评价。

1 地质概况

淮北煤田位于华北板块的东南部，除煤田的东部边缘地区外，区内构造的形成和发展主要表现为板内构造变形，其主体构造线有近东西向和北北东向两组，一般NNE向的构造线切割或叠加于近东西向构造之上，自东向西构造格局的总体特征为东部的逆冲推覆、中部的褶皱变形和西部的断块(方位用字母表示)。

涡北井田位于淮北煤田西部，属安徽省涡阳县管辖。其中心南距涡阳县城4 km，矿井内古生界均隐伏于新生界之下，经钻孔揭露，自下而上分别为奥陶系的考虎山组、石炭系的本溪组、上石炭统－下二叠统的太原组，二叠系的山西组、下石盒子组、上石盒子组、石千峰组，古近系、新近系、第四系。本井田含煤地层为太原组和山西组。

2 构造特征

区内构造特点以断层为主，褶皱不太发育，仅存在一些宽缓的波状起伏见图1。

图1 涡北井田构造简图

2.1 断层的规模及方向性

全矿井共查出断层54条，其中正断层51条，逆断层3条;落差≥20 m的33条、＜20 m的21条(其中＜10 m的有8条)，涡北井田内主要断层情况见表1。

表1 涡北井田内主要断层情况表

矿井内断层的展布方向的规律明显，除8条近东西方向的断层外，其它断层均在NE～NW方向之间，其中又以NNE和NNW方向为主。而且绝大部分断层(36条)断面向西或偏西方向倾斜。这一规律与区域构造特征基本吻合。

2.2 剖面组合特征

涡北井田在不同时期构造运动影响下形成了各种不同方向的断层构造。而涡北井田的各种性质不同的断裂构造也有其普遍存在的共性是很多断裂组合是堑、垒相间型，这种构造形式的形成是因为一些靠近的正断层，他们的方向背对，但是他们走向大都一致，从而堑、垒相间的构造组合在剖面上形成了。这种构造组合在第十勘探线地质剖面图上比较明显(见图2)，由西向东依次出现F12与 F26－1间的地堑、F26－1与 F26的地垒、F26与 F11的地堑。再向东，出现向西倾斜F11与F22组成的地垒，每一对地垒与地堑之间有阶梯状断层过度，如F11和F22断层。

随着科技进步，各种新的勘探方法层出不穷，很多之前不清楚地小断层也被勘察出来，这些小断层以NNE向最多，NNW向次之，这两组的条数占一多半，近东西向再次之，其它方向较少(见图3)。说明涡北煤矿的小断层是多期不同方向构造应力作用的结果。

3 构造定量评价

断层断裂将涡北井田切割成一块一块的网络，而这种网络的复杂程度就代表着涡北井田的构造复杂程度，怎样选取正确评价这种断裂网络的指标是评价涡北井田构造复杂程度的关键。断裂在涡北井田中的密度和断裂延展的程度以及断裂下切的深度是构造评价中常用的指标。然而，通过图1发现，这些指标对于完整表现出构造的实际复杂程度都存在着不全面性。在涡北井田中有些断层的延展的长度差不多，但是断裂的条数存在差异，或者条数大致相同而延展长度有差异时，就能很清楚地在图1上发现构造复杂程度有很大不同，所以仅用其中一个指标很难全面并且准确展现出构造复杂程度。但通过分形中的分维指标的计算则可以很好的弥补这种不足，比较准确的对涡北井田整体的构造复杂程度做出合理客观的评价，与直观感觉相符合，还能对涡北井田的复杂程度进行很好地量化，它是定量评价断裂构造复杂程度的一种有效而准确的指标［3，4］。据学者研究，根据分形计算出的涡北井田的相似维DS和井田断裂的长度，断层的条数以及断层的组合型式有很好的相关性，因此，可以用分维代替其它指标，来定量评价涡北井田断裂构造的复杂程度。

3.1 评价方法

分数维的求解方法有很多，通过实际验证与分析发现，用盒计维数统计的方法测出的断裂分数维与实际吻合度较高［5］。该方法具体是：用CAD在涡北构造简图上划出边长为r的正方形的格子，然后输出有涡北井田断裂存在的格子数，计为N(r)然后将格子的长度缩减一半，并输出有涡北井田断裂存在的格子数，接着进行，得出涡北井田断层构造在一定范围内具有自相似性结构：

式中：

D—分维值;

C—常数。

将点N(r)画在双对数的座标纸上。lg N(r)－lg r散点图在无标度区内靠近斜率为－D的一条直线。该直线方程可写为：

用一元线性回归方法对所生成的直线段进行拟合，即可求得该直线的斜率－D和相关系数R2。

3.2 具体步骤

本次研究中，先将涡北井田划分为40个正方形大小的网格，每个网格的具体长度为4 km，再不断改变每个格子的长度从1 km到4 km不等，再数出有断裂进入的网格数Ni，从而就可以做出关系曲线。从计算的结果看出，尺度与盒子数目有很好的相关性，其相关值达0.96以上，良好的线性拟合关系反映了该区断裂网络空间分布的统计自相似性特征和分形分布特征，见表2。

表2 断层构造网络分维值及R2

3.3 评价结果与分析

根据涡北矿区断层构造的分维值D，在涡北矿井的各个断裂网格中，D＞1.4的为构造复杂，D＜1.0为构造简单区，1.0＜D＜1.4为构造中等复杂区。表3中的涡北矿井单元的断层容量维值，是代表其所在的矿井构造单元中心点处的分维值，是将涡北井田断裂网络的复杂程度的量化，将各单元中心的坐标和该单元断层容量维数据输入电脑，运用Surfer软件生成涡北煤田断层容量维等值线图，见图4。

图4 涡北井田断层容量维等值线图

从图4看出，断层系的分维值较好地反映出涡北井田构造的复杂程度。涡北矿区褶皱构造基本上不发育，用涡北井田断层分维值的评价能很好的定量化涡北井田的构造复杂程度。涡北井田断裂的分维值大多数处于1.0～1.6，表明涡北井田的总体构造特征是较为复杂的，但涡北井田构造复杂性具有区域之间不均衡的特点，在较为复杂的总体背景上存在着多个相对比较简单的区域。通过对涡北矿井的构造复杂程度进行分析可以看出涡北井田北部地段的分维值变化程度比较大，分布区间主要为0～1.5，低值区主要有3个，分别为北部西侧(图4中单元01、02、06、07、11和12)、北中部(图4中单元08和13)和北东部(图4中单元05、10、14和15)区域。西侧低值区分布范围为F8断层以东、刘楼断层以南。分维值一般小于1，表明构造较为简单，煤层产状较为稳定，其多数区域可实现综采;NW部分维低值区位于F63断层以东、分维值也是一般小于1;中部低值区位于F22断层与F8断层之间的区域，范围比较小。涡北矿区南部区域构造复杂程度相对较高，分维值一般均在1.5左右，不利于使用综采，只能进行其他方式开采，仅在采区的南部西侧(图4中单元29、33和37)分维值略低，相对来说是较为简单的区域。而且本次评价中主要考虑的是断层因素，该区域内发育了较多的次级褶皱构造，复杂程度相对较高。

4 结论

1)涡北煤矿矿井构造复杂程度主要体现在断裂构造上，断裂构造较为发育的区域也就成为构造复杂区，而褶皱基本不发育，相比其他评价方法如模糊评判等评价方法，用分维值能评价涡北井田构造复杂程度是比较有效的。

2)涡北煤矿构造以中等构造和复杂构造为主，前者17个块段，面积占全区42%;后者为6个，面积占全区15%，前者适合利用综采工艺开发。后者为构造复杂类型，具有块段多面积小的特点，只能采取其他的开采或非正规开采。而分维值低于1的简单块段为17个，可使用综采。

［1］ 刘 磊，姜 波.巨野煤田赵楼井田构造发育规律［J］.中国煤炭地质，2009，21(4)：358－363.

［2］ 徐凤银，魏铭康.矿井构造预测与评价的理论、方法及其应用［M］.北京：中国矿业大学出版社，1993：103－105.

［3］ 汪吉林，姜 波.鲍店煤矿矿井构造复杂程度评价［J］.中国煤炭地质，2008，10(25)：134－136.

［4］ 李耀民.基于构造构造控制的地应力预测理论与方法［D］.徐州：中国矿业大学，2009.

［5］ 王 伟.朱仙庄矿断裂分形研究及其对瓦斯赋存的控制［J］.中国煤炭地质，2010(5)：42－43.

Analysis on Geological Structure Features and Complicated Degree Evaluation in Wobei Mine

Cheng Jian，Dou Xin－zhao，Wang Wei，Zhang Chun－guang，Hu Guang－qing

On the basis of the analysis and statistics of the coal mine geology exploration and mining information system in Wobei mine，the mine tectonic structure has been deeply evaluated based on the fractal theory and methods.The evaluation results show that the main factors which influence the complicated degree of Wobei mine structure are the fracture structure and fold structure which are basically not development，so compared to other tectonic evaluation method，fractal evaluation method is more reasonable and convenient method;F26fault south area of the mine in the central and the southern are the two complex structure areas，their fractal dimension are both more than 1.5;it may be bad for using the full－mechanized mining，other mining method or informal mining can be used.

Wobei mine;Fault;Complex degree;Fractal dimension;Mine structure;Quantitative evaluation

TD163

A

1672－0652(2011)11－0017－04

2011－10－18

程 建(1987—)，男，山东宁阳人，2009级中国矿业大学在读硕士研究生，主要从事煤田地质方面的研究(E －mail)sdny05@163.com