基于分形理论的10煤层底板岩体结构类型划分

杨　志,王来斌,张忠文

(安徽理工大学 地球与环境学院,安徽 淮南 232001)



基于分形理论的10煤层底板岩体结构类型划分

杨志,王来斌,张忠文

(安徽理工大学 地球与环境学院,安徽 淮南 232001)

划分煤层底板岩体结构类型,可以为矿井安全生产和水害防治提供一定的技术支持。采用分形几何学理论,对青东煤矿10煤层底板岩体的断裂网络发育特征进行分析,以测算所得分维值作为评判标准,进而划分10煤层底板岩体结构。利用Surfer软件,绘制10煤层底板断裂网络分维等值图,结果表明:研究区域内10煤层底板岩体结构以完整和块裂结构为主,含有部分碎裂结构和极少量的松散结构,研究区内断裂网络发育与分维分布具有较明显的一致性。

岩体结构，分维;断裂

断裂构造是矿井突水的重要导水通道之一,断层的出现往往会接通含水层与煤层之间的水力联系。在华北地区,煤田基底灰岩岩溶十分发育,含水量巨大[1]。对于断裂构造发育的矿井,当断层切割太灰或奥灰灰岩含水层时,可能会减小含水层与煤层之间的原有间距,甚至会直接连通含水层与煤层,破坏底板岩体结构的整体性,削弱煤层底板隔水层段阻隔水的能力,在生产过程中,容易诱发矿井突水事故[2]。因此,评价矿井地质构造发育情况的复杂性,划分煤层底板岩体结构类型尤为必要。

正确认识岩体结构,划分底板岩体结构的类型,对于分析煤层底板隔水能力以及研究底板突水可能性意义重大。笔者以淮北矿业集团公司青东煤矿为例,借助分形几何学中的分维值,对青东煤矿10煤层底板断裂网络发育的情况予以定量研究评价,并进一步划分10煤层底板岩体的结构类型。

1　底板断裂分维值

在复杂的内、外动力地质作用的条件下,原本完整的煤层底板岩体被大大小小的断层切割、破碎。要划分底板岩体的结构类型,需要先量化断裂网络发育的复杂程度。利用分形几何学理论[3],求出断裂网络空间分布的分维值。空间分布分维值是断层数量、规模、组合形式、水平延伸长度，以及分布不均匀性的综合体现,可以作为描述研究区断裂网络发育特征的量化性指标。有研究显示[4]，分维值越大,表明该区域内断裂条数越多、断裂长度越长、小断裂及分支断裂越多,断裂交互关系越复杂,岩体被切割的越破碎;反之,则情形正相反。当断裂网络发育的复杂特征被定量表示之后,可进一步根据断裂分维值对底板岩体结构的类型进行评价与分类,从而更加鲜明地反映煤层底板岩体对下部灰岩水的阻隔能力。

断裂空间分布图形是复杂的具有自相似性的分形体系,采用相似维(Ds)[5]表示。设某客体可分为N个局部,每个局部按相似比β与整体相似,其相似维数Ds为

断裂空间分维值的计算方法有很多,其中最简单便捷的量测方法是网络覆盖法,又称计盒维数法,用于研究一定范围内某种几何图形(点、线)的分形结构。将研究区划分成若干边长为r的正方形格子,得出有断裂穿过的格子数N(r);按1/2倍率依次缩小r,得出相对应的格子数N(r),并以此类推。由于研究区内断裂网络空间分布具有自相似结构,因此,则有N(r)=r-Ds。

令ε=1/r,将所得数据标绘在双对数坐标图ln N(r)-lnε上,可以拟合出一条曲线,其中直线部分的斜率即为断裂体系空间分布的相似维Ds。

2　10煤层底板断裂网络的分形

2.1矿井概况

青东煤矿地处淮北煤田临涣矿区的西北部。井田东至大刘家断层毗邻海孜、临涣、童亭煤矿,西止于F9断层,南部以石炭系太原组顶界灰岩露头线为界,北部至F19断层和3-2煤层-1 200 m的水平投影线,东西约13 km,南北3.5～6.5 km,面积54.14 km2。井田以走向北西～近东西,局部略有转折,向北、北东倾斜的单斜构造为主。地层倾角10°～20°,沿走向方向出现较小规模的地层起伏或次级褶曲;断层较为发育,组合规律性较强;局部有岩浆岩侵蚀,构造复杂程度中等。

2.2断裂分维数的测定

统计是在青东煤矿10煤层底板构造迹线图(1∶5 000)上进行的,利用边长为1 000 m的网格单元将构造迹线图划分为55个单元,依次对半缩小单元格边长取值。将窗口按一定的步长在图上滑动,窗口停在某一单元,记录含有断层迹线的网格数。再利用回归分析,求出各个单元的相似维数Ds。通过计算,得出各个单元的相关系数R均在0.9以上,如图1所示。第九单元R2与Ds回归关系说明,10煤层底板断裂网络体系在现有标度下具有较好的分形特点。

图1　第九单元R2与Ds回归关系

2.3底板断裂分维等值线图分析

根据上述分维值的测定方法,得出青东煤矿10煤层底板的断裂分维值为0.575 5～1.455 0,利用Surfer软件进行样条插值,绘制青东煤矿10煤底板断裂网络分维等值图,见图2。分维值较大区域与断裂网络发育区域一致,分维值较大区域分布在井田中南部，位于F6断层与F1断层之间,断裂网络发育较为密集;在矿井断裂网络不十分发育的地方,所对应的分维值也较小。根据地震、钻探、测井和巷道资料,共组合落差3 m以上的断层220条,具体断层情况见表1。断层的展布方向以北东向和北东东向为主,少量北西向。

先后有多位专家学者从不同的角度对区域构造演化历史进行了分析,学者们[6-8]认为:印支～燕山运动早期,在华南和华北板块碰撞挤压作用下形成了整体以近东西向为主的构造分布。喜山期拉张机制下形成的近南北向断裂、褶皱及推覆构造切割、改造早期的近东西向构造,形成近似网格状的断块构造。形成时期最晚的北西和北东向的低序次断裂分布在各断块内,使已存在的构造变形进一步复杂化,最终形成现在的格局。

图2　10煤层底板断裂构造分维等值线

Fig.2No.10 coal floor faulted structure fractaldimension contour

表1　青东煤矿断层统计

3　10煤层底板岩体结构类型划分

依照分维值大小以及分维值与岩体断裂体系发育程度之间的相互关系,以分维值为评价标准,将10煤底板岩体结构类型大致划分为四类[9-10],如表2所示。

表210煤层底板岩体结构分类

Table 2Classification of rock mass structure ofNo.10 coal mine’s floor

岩体类型分类区间完整结构Ds≤1.05块裂结构1.051.45

根据上述分类规则,10煤底板岩体结构划分如图3所示。由图3可知,区内10煤底板岩体大部分为完整和块裂结构,其中完整结构区域集中于10煤深部,部分破碎结构分布于井田中南部及北部小块区域,在中南部的碎裂结构范围内,含有少量的松散结构。矿井中南部区域底板岩体结构较差,其余地区岩体结构较好。

图3　10煤层底板岩体结构划分示意

Fig.3No.10 coal floor rock mass structuraltype division diagram

4　结　论

(1)计算所得的分维值可以较好地定量描述矿井断裂网络发育的复杂程度。井田内断裂网络发育与分维分布具有较明显的一致性,断裂网络发育的区域,分维值较大,断裂网络不发育的区域,分维值较小。

(2)研究区域内10煤层底板断裂空间分布分维值在0.575 5～1.455 0之间,岩体结构以完整结构和块裂结构为主。矿井中南部F6断层与F1断层之间底板岩体较为破碎,断裂网络也较为发育,可能对矿井的生产带来安全隐患。

(3)该研究可以为研究区域内的资源合理开采及矿井水害防治提供技术参考。

[1]施龙青.底板突水机理研究综述[J].山东科技大学学报:自然科学版,2009,28(3):17-23.

[2]魏大勇,王飞,许进鹏,等.基于分形与模糊综合评价法的矿井突水危险性评价[J].煤矿安全,2013,44(8):184-186.

[3]谢焱石,谭凯旋.断裂构造的分形研究及其地质应用[J].地质地球化学,2002,30(1):71-77.

[4]徐志斌,谢和平,王继尧.分维-评价矿井断裂复杂程度的综合性指标[J].中国矿业大学学报,1996,25(3):11-15.

[5]徐志斌,王继尧,张大顺,等.煤矿断层网络复杂程度的分维描述[J].煤炭学报,1996,21(4):24-29.

[6]琚宜文,王桂梁.淮北宿临矿区构造特征及演化[J].辽宁工程技术大学学报:自然科学版,2002,21(3):286-289.

[7]李恒乐,张玉贵,侯海海,等.淮北矿区构造演化对瓦斯赋存的影响[J].煤矿安全,2013,40(1):164-166， 170.

[8]徐茂政.淮北煤田瓦斯富集过程的地质构造控制[J].煤矿安全,2008,39(2):73-77.

[9]姚多喜,任印法,朱伟峰,等.基于分形理论的孙疃矿10煤底板岩体结构类型划分[J].矿业安全与环保,2007,34(6):26-28.

[10]冯士安,肖建辉,葛英豪.基于分形理论的许疃矿煤层顶板结构类型划分[J].煤炭科学技术,2009,37(9):107-109.

(编辑徐岩)

No.10 coal seam floor rock mass structure type division of Qingdong coalmine by fractal theory

YANG Zhi,WANG Laibin,ZHANG Zhongwen

(School of Earth Science &Environmental Engineering,Anhui University of Science &Technology,Huainan 232001,China)

This paper is aimed at dividing rock mass structure type to provide some technical support for coalmine safety production and water hazard control.Fractal theory was applied to analyze the development characteristics of No.10 coal seam floor rock mass fault network in Qingdong colliery and floor rock mass structures of No.10 coal were divided by taking fractal dimension value as evaluation standard.Surfer was used to draw contour map of No.10 coal floor fault network fractal dimension value.The results showed that intact structure and block structure took up most of the studying area,including part of cataclastic structure and a very small amount of loose structure.Fault network development and distribution of fractal dimension have significantly consistency in the studying area.

rock mass structure； fractal dimension;fault

2014-10-29

杨志(1988-),男,安徽省定远人,硕士,研究方向:水文地质与工程地质,E-mail:2013200015@aust.edu.cn。

10.3969/j.issn.2095-7262.2015.02.003

TD313

2095-7262(2015)02-0129-03

A