口孜东煤矿81煤层断裂复杂程度定量评价

许春耕，胡友彪，秦俊林

(安徽理工大学 地球与环境学院，安徽 淮南 232001)

口孜东煤矿81煤层断裂复杂程度定量评价

许春耕，胡友彪，秦俊林

(安徽理工大学 地球与环境学院，安徽 淮南 232001)

摘要：指出了分维值是用来定量描述自相似的参数，能够定量评价煤层断裂网络复杂程度。利用分维值对口孜东81煤层复杂程度进行了综合评价，根据复杂程度分为四类，得出其断裂构造具有自相似性，比较客观地反映了81煤层断裂构造的复杂程度。

关键词：断裂；分维值；复杂程度；定量评价

收稿日期：2014-12-28

作者简介：许春耕(1989—)，男，河南商丘人，硕士，主要从事水文地质研究。

中图分类号：P628.1

文献标识码：A

文章编号：：1674-9944(2015)02-0242-03

Abstract:Fractal dimension is used to quantitatively describe the self-similar parameter and it can quantitatively evaluate the complexity degree of fracture network in coal seam. This article uses the fractal dimension value to conduct a comprehensive evaluation of the complexity degree of No.81 coal seam in KuZiDong. According to the complexity degree, four categories are divided. The results indicate that the fracture structure has the feature of self-similar, which objectively reflects the complexity degree of the No 81 coal seam's fracture structure.

1引言

在煤矿生产中断裂网络对开采条件、瓦斯突出、矿井突水等有着显著的影响。定量评价断裂网络的复杂程度，对合理开采煤炭资源及防止和减少矿井地质灾害有十分重要的现实意义[1~3]。鉴于此，本文运用分维值定量评价口孜东煤矿地质构造的复杂程度，以此为煤矿的安全高效生产提供借鉴。

2矿井概况

2.1　地层及煤层

口孜东矿位于淮南煤田西部，地处阜阳市颍东区与颍上县交界处，行政区划隶属于阜阳市，西距阜阳市30km。矿区从老到新地层，有古生界寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系，中生界三叠系，新生界上第三系、第四系。

区内煤系地层主要为二叠系地层，其底部为太原组及奥陶系灰岩，煤系地层为厚426.18～687.60m的新生界松散层所覆盖(图1)。

图1　口孜东井田构造示意图

二叠系山西组及下、上石盒子组是该矿区主要含煤地层，其总厚为763.90m，含煤总厚为41.14m，含煤系数5.39%。其中81煤层位于第二含煤段上部，面积20.82km2，其中可采面积19.49km2，可采系数94%，煤厚0～6.18m，煤层厚度变化不大，一般厚3～4m，平均2.90m。

2.2　矿区构造

本区位于淮南煤田的西部，淮南复向斜中的次级褶曲陈桥背斜的南翼西段，总体为一不完整向斜构造，南翼被F1断层切割。向斜总体轴向为北西向，向斜南翼地层倾角平缓，一般为5°～10°，向斜北翼地层倾角稍陡，一般为20°左右。

区内共查出断层30条。其中，正断层26条，逆断层4条。按断层落差分：落差大于100m为6条；在50～100m之间为4条；在30～50m之间为4条；在20～30m之间为5条，小于20m为11条。按断层走向可分成3组，其中，以北东向横切断层为主，北西向和近东西向为辅。

2.3　水文地质条件

按照沉积物的组合特征及其含、隔水情况，可将新生界松散层自上而下大致分为一含、一隔、二含、二隔、三含、三隔和底含共4个含水层(组)和3个隔水层(组)。其中，三隔厚度介于33.67～127.70m，平均87.79m，分布稳定，隔水性能良好，可以有效地阻止上覆地表水及一、二、三含水层向下补给入渗。

二叠系煤系砂岩分布于煤层、粉砂岩和泥质岩石之间，其厚度小，分布不稳定，又有煤层和泥质岩相隔。以往勘探结果表明：井田内断层带含水性极弱，导水性差，因此，砂岩含水层之间水力联系也较差。砂岩的补给条件差，其量为储存量，在疏放条件下，表现为消耗-疏干型。

3分维值的概念及统计步骤

分维也称分维值，是用来定性描述相似性的参数，是定量评价断裂网络复杂程度一项良好的综合性指标。在断裂构造研究中，主要运用容量维数。

分析方法是将研究区划分为若干个边长为r(r= 1/2、1/4、1/8、1/16)的正方形格子，构成的二维正交网格覆盖研究区，数出有断层存在的格子数N(r)，之后按一定的规律改变r的值，并计算出相应的N(r)。把所得到的N值转化为lnn，因为r<1，lnr<0，所以把积转化为ln(1/r)。

在ln(1/r)-lnn坐标系中做散点图，用一元线性回归的方法求得一条曲线，此曲线斜率的绝对值即为所求的分维值。

研究表明，分维值包含着断裂条数、延伸长度、交叉关系等多方面的变化信息，是一项综合性指标。分维值越大，表示断裂长度较长，小断层及分支断层繁多，则对岩体切割越严重；反之，分维值越小，则断层较为稀少，小断层及分支断层也相应较少，对岩体的切割相对较轻。因此，利用分维值，在进行断裂构造复杂程度定量评价的基础上，可以对岩体结构进行分类和评价[4~6]。

4口孜东煤矿81煤层分维断裂评价

根据分维值统计步骤并计算得出81煤层分维值，如表1所示。

表1　81煤层断裂分维值统计

运用surfer做出矿区81煤层分维等值线图并用评判指标(表2)进行构造复杂程度分区，如图2和图3所示。

表2　断裂分维值指标的复杂程度分类标准

图2　81煤分维等值线

图3　81煤层构造复杂程度分区

由图2和图3及表2得知，矿区西部断层较多，分维值多大于1.193地质构造复杂，由西向东分维值逐渐减小，矿区中部断层较多，分维值大于1.193，地质构造复杂，四周逐渐减小，地质构造趋于简单。矿区东部断层较少，断裂分维值多小于1.049，地质构造简单。

5结论

(1)通过分维值能够较好地定量描述口孜东断裂构造的发育复杂程度和差异等综合变化信息。

(2)分维值越大，表示断裂长度较长，小断层及分支断层繁多，对岩体切割严重；反之，断层稀少。

(3)根据口孜东81煤层的分维值，可看出断裂分布具有自相似性，较为准确地反映构造的复杂程度，从而在生产过程中具有指导意义。

参考文献：

[1]鞠玮,侯贵廷,潘文庆,等.塔中Ⅰ号断裂带北段构造裂缝面密度与分形统计[J].地学前缘,2011,18(3):317~323.

[2]张春光,姜波,朱慎刚.矿井构造变形定量评价与突水耦合分析[J].矿业安全与环保,2011,38(5):40~43.

[3]黄月,廖太平,邓吉州,等.分形理论在断裂构造研究中的应用前景[J].重庆科技学院学报:自然科学版,2010,12(6):83~85.

[4]陈善成,姚多喜,天强国,等.祁东61煤地质构造复杂程度定量评价[J].煤炭科学技术,2010,38(3):101~103.

[5]王敏华,高红远.新庄孜矿六八采区断裂复杂程度的变形分析[J].安徽理工大学学报:自然科学版,2012,32(2):50~53.

[6]杨永林,吴基文,孙本魁,等.刘桥二矿六煤层断裂复杂程度的分形评价[J].淮南职业技术学院学报:2005,1(5).

Quantitative Assessment of Fracture Complexity

Degree of No.81Coal Seam in Kouzidong Mine

Xu Chungeng, Hu Youbiao, Qin Junlin

(SchoolofEarthandEnvironment,AnhuiUniversityofScience&Technology,Huainan232001,China)

Key words: fracture; fractal dimension; complexity degree; quantitative assessment