許春耕，胡友彪，秦俊林

(安徽理工大學 地球與環(huán)境學院，安徽 淮南 232001)

口孜東煤礦81煤層斷裂復雜程度定量評價

許春耕，胡友彪，秦俊林

(安徽理工大學 地球與環(huán)境學院，安徽 淮南 232001)

摘要：指出了分維值是用來定量描述自相似的參數(shù)，能夠定量評價煤層斷裂網(wǎng)絡復雜程度。利用分維值對口孜東81煤層復雜程度進行了綜合評價，根據(jù)復雜程度分為四類，得出其斷裂構(gòu)造具有自相似性，比較客觀地反映了81煤層斷裂構(gòu)造的復雜程度。

關鍵詞：斷裂；分維值；復雜程度；定量評價

收稿日期：2014-12-28

作者簡介：許春耕(1989—)，男，河南商丘人，碩士，主要從事水文地質(zhì)研究。

中圖分類號：P628.1

文獻標識碼：A

文章編號：：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

在煤礦生產(chǎn)中斷裂網(wǎng)絡對開采條件、瓦斯突出、礦井突水等有著顯著的影響。定量評價斷裂網(wǎng)絡的復雜程度，對合理開采煤炭資源及防止和減少礦井地質(zhì)災害有十分重要的現(xiàn)實意義[1~3]。鑒于此，本文運用分維值定量評價口孜東煤礦地質(zhì)構(gòu)造的復雜程度，以此為煤礦的安全高效生產(chǎn)提供借鑒。

2礦井概況

2.1　地層及煤層

口孜東礦位于淮南煤田西部，地處阜陽市潁東區(qū)與潁上縣交界處，行政區(qū)劃隸屬于阜陽市，西距阜陽市30km。礦區(qū)從老到新地層，有古生界寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系，中生界三疊系，新生界上第三系、第四系。

區(qū)內(nèi)煤系地層主要為二疊系地層，其底部為太原組及奧陶系灰?guī)r，煤系地層為厚426.18～687.60m的新生界松散層所覆蓋(圖1)。

圖1　口孜東井田構(gòu)造示意圖

二疊系山西組及下、上石盒子組是該礦區(qū)主要含煤地層，其總厚為763.90m，含煤總厚為41.14m，含煤系數(shù)5.39%。其中81煤層位于第二含煤段上部，面積20.82km2，其中可采面積19.49km2，可采系數(shù)94%，煤厚0～6.18m，煤層厚度變化不大，一般厚3～4m，平均2.90m。

2.2　礦區(qū)構(gòu)造

本區(qū)位于淮南煤田的西部，淮南復向斜中的次級褶曲陳橋背斜的南翼西段，總體為一不完整向斜構(gòu)造，南翼被F1斷層切割。向斜總體軸向為北西向，向斜南翼地層傾角平緩，一般為5°～10°，向斜北翼地層傾角稍陡，一般為20°左右。

區(qū)內(nèi)共查出斷層30條。其中，正斷層26條，逆斷層4條。按斷層落差分：落差大于100m為6條；在50～100m之間為4條；在30～50m之間為4條；在20～30m之間為5條，小于20m為11條。按斷層走向可分成3組，其中，以北東向橫切斷層為主，北西向和近東西向為輔。

2.3　水文地質(zhì)條件

按照沉積物的組合特征及其含、隔水情況，可將新生界松散層自上而下大致分為一含、一隔、二含、二隔、三含、三隔和底含共4個含水層(組)和3個隔水層(組)。其中，三隔厚度介于33.67～127.70m，平均87.79m，分布穩(wěn)定，隔水性能良好，可以有效地阻止上覆地表水及一、二、三含水層向下補給入滲。

二疊系煤系砂巖分布于煤層、粉砂巖和泥質(zhì)巖石之間，其厚度小，分布不穩(wěn)定，又有煤層和泥質(zhì)巖相隔。以往勘探結(jié)果表明：井田內(nèi)斷層帶含水性極弱，導水性差，因此，砂巖含水層之間水力聯(lián)系也較差。砂巖的補給條件差，其量為儲存量，在疏放條件下，表現(xiàn)為消耗-疏干型。

3分維值的概念及統(tǒng)計步驟

分維也稱分維值，是用來定性描述相似性的參數(shù)，是定量評價斷裂網(wǎng)絡復雜程度一項良好的綜合性指標。在斷裂構(gòu)造研究中，主要運用容量維數(shù)。

分析方法是將研究區(qū)劃分為若干個邊長為r(r= 1/2、1/4、1/8、1/16)的正方形格子，構(gòu)成的二維正交網(wǎng)格覆蓋研究區(qū)，數(shù)出有斷層存在的格子數(shù)N(r)，之后按一定的規(guī)律改變r的值，并計算出相應的N(r)。把所得到的N值轉(zhuǎn)化為lnn，因為r<1，lnr<0，所以把積轉(zhuǎn)化為ln(1/r)。

在ln(1/r)-lnn坐標系中做散點圖，用一元線性回歸的方法求得一條曲線，此曲線斜率的絕對值即為所求的分維值。

研究表明，分維值包含著斷裂條數(shù)、延伸長度、交叉關系等多方面的變化信息，是一項綜合性指標。分維值越大，表示斷裂長度較長，小斷層及分支斷層繁多，則對巖體切割越嚴重；反之，分維值越小，則斷層較為稀少，小斷層及分支斷層也相應較少，對巖體的切割相對較輕。因此，利用分維值，在進行斷裂構(gòu)造復雜程度定量評價的基礎上，可以對巖體結(jié)構(gòu)進行分類和評價[4~6]。

4口孜東煤礦81煤層分維斷裂評價

根據(jù)分維值統(tǒng)計步驟并計算得出81煤層分維值，如表1所示。

表1　81煤層斷裂分維值統(tǒng)計

運用surfer做出礦區(qū)81煤層分維等值線圖并用評判指標(表2)進行構(gòu)造復雜程度分區(qū)，如圖2和圖3所示。

表2　斷裂分維值指標的復雜程度分類標準

圖2　81煤分維等值線

圖3　81煤層構(gòu)造復雜程度分區(qū)

由圖2和圖3及表2得知，礦區(qū)西部斷層較多，分維值多大于1.193地質(zhì)構(gòu)造復雜，由西向東分維值逐漸減小，礦區(qū)中部斷層較多，分維值大于1.193，地質(zhì)構(gòu)造復雜，四周逐漸減小，地質(zhì)構(gòu)造趨于簡單。礦區(qū)東部斷層較少，斷裂分維值多小于1.049，地質(zhì)構(gòu)造簡單。

5結(jié)論

(1)通過分維值能夠較好地定量描述口孜東斷裂構(gòu)造的發(fā)育復雜程度和差異等綜合變化信息。

(2)分維值越大，表示斷裂長度較長，小斷層及分支斷層繁多，對巖體切割嚴重；反之，斷層稀少。

(3)根據(jù)口孜東81煤層的分維值，可看出斷裂分布具有自相似性，較為準確地反映構(gòu)造的復雜程度，從而在生產(chǎn)過程中具有指導意義。

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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