矿井典型断层导水性解析及复杂程度判识

董现锋 邹 宇 姚孟杰

（1.平顶山天安煤业股份有限公司13 矿，河南 平顶山 467000； 2.河南理工大学资环学院，河南 焦作 45400）

1 前言

断层的存在不但降低煤层底板隔水层性能而且破坏隔水层的完整性，一旦成为煤层和含水层之间的导水通道，将对矿井的安全采掘造成很大的威胁。近年来，很多学者利用现场测绘、地球物理勘探、室内模拟、理论分析等方法，针对断层发育规律、导水性及其对区域水文地质条件的影响开展了系统的研究[1-5]，取得的成果对矿井突水预测预警具有重要的意义。

本文以平顶山煤田十三矿己四采区为典型，在分析地质构造和含水层特征的基础上，基于瞬变电磁勘探结果解析了断层的导水性，定量评价了断层的复杂程度并划分了复杂程度分区，以期为矿井巷道和工作面的布置、底板灰岩水害的防治提供技术支持。

2 概况

研究区主采二叠系山西组己组煤，东以下谢正断层为界，南至己组煤-525 m 底板等高线为界，西部是人为划定的边界，北到煤层露头线，走向长3.15 km，倾斜宽1.32 km，共布置14010、14020、14030、14040 四个工作面。研究区及断层位置图如图1 所示。

图1 研究区及断层位置图

2.1 褶皱特征

研究区北部边界附近发育襄郏背斜，贯穿整个14020、14010 两个工作面上部，延展区域覆盖整个采区。采区南部边界附近发育有张沟向斜。褶曲构造发育特征见表1。

2.2 断层特征

己四采区内落差较大的断层包括邵湾正断层、徐庄正断层、刘庄正断层、陈庄正断层和彦张正断层。典型断层发育特征见表2。

表1 褶曲构造发育特征

表2 典型断层发育特征

2.3 节理特征

己四采区节理发育玫瑰花图如图2 所示，其基本特征如下：（1）按照节理发育的展布方向，将节理构造划分为A、B、C、D 四组，与断层展布方向基本相同。（2）节理A 与B、C 和D 均构成共轭剪切面，两组共轭剪切面的钝角平分线分别与襄郏背斜和白石山背斜平行。（3）A、B 组节理的发育程度明显高于C、D 组，并且发生C、D 组节理对A、B 组的节理进行截切，表明C、D 组节理的形成时间比A、B 组要晚。

图2 己四采区节理发育玫瑰花图

2.4 充水含水层

对己组煤采掘有影响的底板充水含水层为太原组L2、L7 灰岩含水层和寒武系灰岩含水层（如图3 所示）。L2 含水层厚度薄且富水性差，对己组煤的影响较小；L7 含水层距寒武系含水层较近，加之受断层的影响，与寒武系含水层水位基本一致，对己组煤的影响较大；寒武系含水层与己组煤距离在80～90 m 之间，由于其厚度大且在断层发育地带的富水性强，通过L7 含水层对己组煤的威胁较大。

3 断层导水性分析

断层构造是造成局部富水的主要因素，同时也会成为突水的良好通道。这里根据实施的瞬变电磁探测资料，分析邵湾正断层、徐庄正断层、刘庄正断层、陈庄正断层和彦张正断层的导水性。1220、1740、2220、3740 四条瞬变电磁探测线位置见图1。

从1220 线视电阻率剖面图图4 可见，在1180～1260 号点和1540～1620 号点下方的等值线发生扭曲变化，同一地质层位在垂向上发生错动，解释为断层DF1 和DF5。经与已知地质资料对比，确定DF1 和DF5 断层分别为邵湾正断层和陈庄正断层。从图中可以看出，两断层附近均呈现出范围较小的低阻异常区，结合已知的水文地质资料分析可知，邵湾正断层和陈庄正断层具有一定的导水性，但导水性不强。

图3 己组煤下伏地层柱状

图4 1220 线视电阻率剖面图

同理，从1740 线瞬变电磁探测结果推断DF2是徐庄正断层。该断层附近基本不存在低阻异常区，结合已知的水文地质资料综合分析可知徐庄正断层不导水。由2220 线推断DF3 为刘庄正断层，断层带岩层表现为较明显的低阻反应且范围较大，说明在构造作用下断层带岩层较破碎，富水性较强，并且具有良好的导水性。从3740 线推断DF4 为彦张正断层，断层附近的低阻异常不明显，结合已知的水文地质资料综合分析可知这条断层导水性较弱。

总之，己四采区刘庄正断层带的岩层破碎，富水性好，导水性强；徐庄正断层附近基本不存在低阻异常区，因此判定断层具有阻水性质；陈庄正断层、彦张正断层及邵湾正断层附近都存在偏微弱的异常区，虽具有一定的导水性但性能不强。

4 断层复杂程度评价

4.1 分形维数

分形理论是非线性科学的重要理论之一，其中的分形维数是表征事物内在联系的重要参数。在地质构造研究中，常采用自相似维数定义。一般地，如果某图形是由N（a）个与它相似比为a 的相似形所组成，则其自相似维数可表示为：

为计算分形维数，首先将研究区按经纬网划分成若干个正方形块段，如图5 所示。然后将含有断层迹线的块段逐一编号，相似比取a=1、1/2、1/4、1/8，统计各标度下包含断层迹线的块段数N（a）。针对每一块段，根据式（1）进行数据拟合，并运用最小二乘法求得拟合直线的斜率，其值即为所求块段的分形维数。计算结果见表3。

图5 研究区分块及断层复杂程度分区

表3 断层分形维数计算结果

4.2 复杂程度评价

己四采区断层分形维数的最大值、最小值、平均值分别为1.516、0.876 和1.118。根据《煤矿地质工作规定》地质构造4 类划分法，将研究区断层网络的复杂程度划分为简单、中等、复杂和极复杂4 个等级，对应的分形维数见表4。己四采区断层复杂程度分区见图5，基于分形维数可知，14010、14030 以及14020 工作面断层复杂程度较低，14040工作面南部因为断层分布较多且相互交汇，其复杂程度较高。

表4 断层复杂程度评价分级

上述研究表明，研究区南部刘庄正断层和彦张正断层附近，受多个断层交汇的影响，断层复杂程度较高。尤其是刘庄正断层导水性强，因此该区域巷道掘进和工作面回采时应制定相应的对策以防止断层和煤层底板灰岩水害的发生。

5 结论

（1）研究区主要发育断层有邵湾正断层、徐庄正断层、刘庄正断层、陈庄正断层和彦张正断层五个。刘庄正断层富水性好，导水性强，徐庄正断层具有阻水性质，其余断层的导水性一般。

（2）研究区断层分形维数平均值为1.118，总体复杂程度表现为中等程度。14010 工作面断层复杂程度处于简单到中等状态，14020、14030、14040 工作面南部断层复杂程度处于中等水平。

（3）刘庄正断层和彦张正断层附近的多个断层交汇部位，断层复杂程度较高，尤其是刘庄断层导水性强，该区域巷道掘进和工作面回采时应制定专门的防治水对策以防止底板突水事故的发生。