關(guān)鍵詞：斷裂構(gòu)造；沖擊地壓；分形特征；分形維數(shù)；構(gòu)造應(yīng)力

中圖分類號(hào)：TD324 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0引言

沖擊地壓是井下煤巖體積聚的大量彈性變形能突然釋放的動(dòng)力現(xiàn)象，是礦井動(dòng)力災(zāi)害之一[1]。近年來，煤礦沖擊地壓災(zāi)害頻發(fā)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國沖擊地壓礦井有146 個(gè)，潛在沖擊地壓礦井有20 個(gè)，分布在全國14 個(gè)省、自治區(qū)、直轄市。斷裂構(gòu)造是誘發(fā)沖擊地壓的重要地質(zhì)因素[2]，從空間關(guān)系的角度系統(tǒng)性研究斷裂構(gòu)造對(duì)沖擊地壓的影響，對(duì)沖擊地壓危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)及防治具有指導(dǎo)意義。

礦井?dāng)嗔褬?gòu)造的復(fù)雜性和不規(guī)則性導(dǎo)致其難以定量分析。分形理論可定量描述分形幾何不規(guī)則特征[3-6]，近年來被應(yīng)用于斷裂構(gòu)造的研究。張永強(qiáng)等[7]基于分形理論，在龍灘煤礦地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育特征的基礎(chǔ)上，對(duì)礦井?dāng)嗔褬?gòu)造進(jìn)行定量分析，從而預(yù)測(cè)了礦井構(gòu)造煤的分布。張?jiān)萚8]利用分形理論對(duì)西秦嶺夏河?合作地區(qū)不同方向斷裂構(gòu)造進(jìn)行定量分析，用來表征礦床的沉積部位，劃分出3 個(gè)有利成礦區(qū)。陳學(xué)華等[9]采用多重分形理論，分析了礦區(qū)的Ⅴ級(jí)斷塊分形維數(shù)與多重分形維數(shù)的特征。劉偉等[10]運(yùn)用分形理論評(píng)價(jià)了礦井?dāng)嗔褬?gòu)造的復(fù)雜程度，并分析了其與突水災(zāi)害的耦合關(guān)系。崔中良等[11]利用分形理論中的盒維法對(duì)川滇黔斷裂構(gòu)造分形特征進(jìn)行了研究，探討了斷裂構(gòu)造分形特征與成礦空間分布的關(guān)系。然而對(duì)礦井?dāng)嗔褬?gòu)造分形特征與沖擊地壓關(guān)系研究的文獻(xiàn)較少。

筆者基于地質(zhì)動(dòng)力區(qū)劃法[12]，對(duì)峻德井田的地形地貌進(jìn)行探查，確定斷裂構(gòu)造與斷塊間的相互作用方式，并對(duì)斷裂構(gòu)造進(jìn)行劃分[13]。以峻德井田Ⅴ級(jí)斷塊為研究對(duì)象，計(jì)算Ⅴ級(jí)斷塊構(gòu)造分形維數(shù)，分析斷裂構(gòu)造分形特征，劃分17 煤層構(gòu)造應(yīng)力分區(qū)，揭示斷裂分形維數(shù)與構(gòu)造應(yīng)力分布狀態(tài)、沖擊地壓之間的耦合關(guān)系，以期為沖擊地壓危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)及防治提供地質(zhì)依據(jù)。

1礦井概況

峻德井田在2004?2016年共發(fā)生26 次沖擊地壓災(zāi)害，其中有18次沖擊地壓發(fā)生在17煤層，因此本文以17煤層為研究對(duì)象。17煤層屬全區(qū)可采煤層，煤層厚度為1.99～15.83 m，平均厚度為10.03 m，屬特厚煤層；煤層夾矸主要位于煤層的頂部和底部，含多層夾矸，夾矸為凝灰?guī)r、炭頁巖及粉砂巖，夾矸厚0.09～1.06 m。煤層傾角為29～34°，煤層走向?yàn)?85～205°，煤層結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。煤系地層走向呈北北東向，向東傾斜的單斜構(gòu)造，傾角為25～35°，平均傾角為30°。斷裂構(gòu)造分為2 組：一組走向近南北，傾向西，傾角平緩；另一組走向近東西，傾向北或南，傾角較陡。井田內(nèi)已編號(hào)斷層123 條，其中落差大于30 m 的80 條， 落差為15～ 30 m 的25 條， 落差為5～15 m 的18 條。礦井?dāng)鄬优c斷裂構(gòu)造位置關(guān)系如圖1 所示。

2礦井?dāng)嗔褬?gòu)造劃分

地質(zhì)動(dòng)力區(qū)劃法是基于地質(zhì)構(gòu)造形成原理，通過查明區(qū)域地形地貌的形態(tài)與特征，進(jìn)而確定斷裂構(gòu)造及斷塊間相互作用方式[14]。利用地應(yīng)力測(cè)試、數(shù)值仿真模擬、3S 技術(shù)、無人機(jī)測(cè)量等手段，并結(jié)合影片判讀、井上下考查、區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)調(diào)查等方法，采用繪圖法，對(duì)區(qū)域斷裂構(gòu)造進(jìn)行趨勢(shì)分析，劃分出Ⅰ?Ⅴ級(jí)斷塊，見表1[15]。

峻德井田Ⅰ級(jí)斷塊如圖2 所示，可看出峻德井田受控于Ⅰ?1 斷裂和Ⅰ?2 斷裂，其中Ⅰ?1 斷裂與地質(zhì)界查明的依蘭?伊通斷裂有直接聯(lián)系，Ⅰ?2 斷裂與地質(zhì)界查明的通河斷裂、穆棱河斷裂有直接聯(lián)系。

峻德井田Ⅴ級(jí)斷塊如圖3 所示，包含15 條斷裂，其中Ⅲ級(jí)斷裂1 條，Ⅳ級(jí)斷裂2 條，Ⅴ級(jí)斷裂12 條。根據(jù)盆地構(gòu)造斷層配套模式[16]，將峻德井田的斷裂劃分為4 組： Ⅳ?15， Ⅳ?19， Ⅴ?4 為近南北向斷裂；Ⅴ?10，Ⅴ?11，Ⅴ?9 為北西西向斷裂；Ⅴ?12，Ⅴ?17，Ⅴ?18， Ⅴ?23， Ⅴ?27 為北西向斷裂； Ⅲ?9， Ⅴ?7，Ⅴ?13，Ⅴ?14 為北東向斷裂。其中北西向斷裂占多數(shù)。峻德井田Ⅴ級(jí)斷塊基本特征見表2。

峻德井田斷裂走向如圖4 所示。Ⅲ級(jí)斷裂以北東和近南東向?yàn)橹?；Ⅳ?jí)斷裂以北東、近南北向?yàn)橹?；Ⅴ?jí)斷裂在各個(gè)方位都有體現(xiàn)，北東和北北東向相對(duì)占優(yōu)勢(shì)。整體斷裂走向主要為北東向分布。

3斷裂構(gòu)造分形特征對(duì)沖擊地壓的影響

3.1分形維數(shù)計(jì)算

分形維數(shù)是描述斷裂構(gòu)造特征的參數(shù)，能定量反映斷裂構(gòu)造的空間分布特征。計(jì)算分形維數(shù)的方法有盒維法、信息維法和相似維法，其中盒維法具有易操作、便于統(tǒng)計(jì)的特征，是斷裂構(gòu)造分形維數(shù)計(jì)算最常用的方法。

盒維法是以邊長為r 的正方形網(wǎng)格覆蓋研究區(qū)，統(tǒng)計(jì)覆蓋到斷裂的網(wǎng)格數(shù)N（r）[15]。N（r）與r 滿足如下經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式：

由式（2）可知，若ln （r/m）與ln N（r）為擬合線性關(guān)系，則斜率的絕對(duì)值D 即分形維數(shù)。

分形維數(shù)D 和相關(guān)系數(shù)R² 的具體計(jì)算步驟：① 整體分形：以Ⅴ級(jí)斷塊圖為研究底圖，確定分形計(jì)算尺寸為8 000 m×5 000 m（實(shí)際尺寸），將由邊長為r 的正方形網(wǎng)格去覆蓋底圖，基于MapGIS 空間分析[16]，分別計(jì)算邊長r 為1 000.000，500.000，250.000，125.000，62.500，31.250，15.625 m 時(shí)整體斷裂、北西向斷裂、北東向斷裂、南北向斷裂和北西西向斷裂的N（r）值，并擬合出不同邊長的ln （r/m）與ln N（r）之間的線性關(guān)系。② 分區(qū)分形：將研究底圖劃分為40 個(gè)分區(qū)單元，每個(gè)分區(qū)尺寸為1000 m×1000 m，分區(qū)結(jié)果如圖5 所示。在每個(gè)分區(qū)中，分別以邊長為500，250，125，62.5，31.25，15.625 m 的正方形網(wǎng)格去覆蓋每個(gè)分區(qū)， 并計(jì)算出對(duì)應(yīng)的N（r） 值， 擬合出ln （r/m）與ln N（r）之間的線性關(guān)系，得到每個(gè)分區(qū)的分形維數(shù)和相關(guān)系數(shù)。

3.2斷裂整體分形特征

峻德井田Ⅴ級(jí)斷塊分形維數(shù)計(jì)算結(jié)果見表3，并根據(jù)表3 繪制出不同走向斷裂線性關(guān)系擬合， 如圖6 所示?？煽闯稣w斷裂、南北向斷裂、北東向斷裂、北西向斷裂、北西西向斷裂5 種類別的斷裂構(gòu)造擬合曲線的相關(guān)系數(shù)分別為0.9954，0.9999，0.9990，0.9987和0.9997，表明V 級(jí)斷塊與分形維數(shù)具有良好的線性關(guān)系，峻德井田的Ⅴ級(jí)斷塊具有統(tǒng)計(jì)自相似性和空間幾何分形特征。整體斷裂、南北向斷裂、北東向斷裂、北西向斷裂、北西西向斷裂分形維數(shù)分別為1.1130，1.0048，0.9574，1.0162，0.9570，即整體斷裂分形維數(shù)＞北西向斷裂分形維數(shù)＞南北向斷裂分形維數(shù)＞北東向斷裂分形維數(shù)＞北西西向斷裂分形維數(shù)，表明不同走向斷裂在空間展布上表現(xiàn)出明顯的差異性，反映出不同走向斷裂的交織會(huì)增加斷裂的復(fù)雜程度。如果分形維數(shù)接近1，說明斷裂構(gòu)造的變形和運(yùn)動(dòng)受控于某個(gè)斷裂[17]。因此，從斷裂分形維數(shù)角度看，斷裂整體分形維數(shù)與北西向斷裂分形維數(shù)有較好的一致性，表明峻德井田Ⅴ級(jí)斷塊受控于北西向斷裂。從對(duì)沖擊地壓的影響來看，北西向斷裂對(duì)峻德井田的沖擊地壓起控制作用。

3.3斷裂分區(qū)分形特征

各分區(qū)斷裂構(gòu)造分形維數(shù)及相關(guān)系數(shù)見表4，可看出有斷裂分布的分區(qū)的相關(guān)系數(shù)均較高，只有12 分區(qū)的相關(guān)系數(shù)最小，且8 分區(qū)、36 分區(qū)和38 分區(qū)的相關(guān)系數(shù)為1，表明各分區(qū)的線性擬合程度高，各斷裂在各分區(qū)中具有空間幾何分形特征的一致性和統(tǒng)計(jì)自相似性。各分區(qū)斷裂構(gòu)造分形維數(shù)不同，其中， 最小分形維數(shù)為0.8801，最大分形維數(shù)為1.5301，表明斷裂構(gòu)造在不同分區(qū)的空間分布具有差異性。

由圖5 可知， 西南部的1，2，3，4，9，10，12，17，25 等分區(qū)穿過的斷裂數(shù)目較少。由前文分析可知，Ⅴ?12，Ⅴ?17，Ⅴ?18 和Ⅴ?23 斷裂穿過的15，21，27，28， 29， 30， 31 和38 分區(qū)的分形維數(shù)相近。由前所述，北西向斷裂對(duì)峻德井田沖擊地壓的發(fā)生起控制作用， 而北西向斷裂主要為Ⅴ?12， Ⅴ?17， Ⅴ?18，Ⅴ?23，Ⅴ?27，其中，Ⅴ?27 斷裂位于井田外，對(duì)沖擊地壓發(fā)生的影響較小，因此分析得出峻德井田的Ⅴ?12，Ⅴ?17，Ⅴ?18 和Ⅴ?23 斷裂控制著沖擊地壓的發(fā)生。

由圖5和表4 分析得出，分形維數(shù)與斷裂構(gòu)造復(fù)雜程度呈正相關(guān)。例如12 分區(qū)與23 分區(qū)的分形維數(shù)分別為0.9911和0.8801，小于整體斷裂分形維數(shù)，且在分區(qū)單元內(nèi)只有1 條斷裂通過，表明分形維數(shù)越小，斷裂越稀少； 11分區(qū)、16 分區(qū)、26 分區(qū)與40 分區(qū)的分形維數(shù)分別為1.5301，1.4465，1.4577和1.4764，大于整體斷裂分形維數(shù)，且在分區(qū)單元內(nèi)有多條斷裂穿過，表明分形維數(shù)越大，斷裂越密集。為了量化分析斷裂構(gòu)造的復(fù)雜程度，將各分區(qū)的分形維數(shù)賦給相應(yīng)分區(qū)的中點(diǎn)，在Surfer 軟件上實(shí)現(xiàn)樣條插值， 繪制出斷裂分形維數(shù)等值線， 如圖7所示。

根據(jù)圖7，并基于ArcGIS 自然間斷分級(jí)法，對(duì)構(gòu)造復(fù)雜程度進(jìn)行劃分：分形維數(shù)小于0.8 為簡(jiǎn)單構(gòu)造區(qū)，分形維數(shù)介于0.8～1.1 為中等構(gòu)造區(qū)，分形維數(shù)大于1.1 為復(fù)雜構(gòu)造區(qū)。由圖7 可知，峻德井田構(gòu)造復(fù)雜程度以中等和復(fù)雜構(gòu)造為主：中等構(gòu)造區(qū)主要分布在井田南北兩翼，其中有Ⅴ?10，Ⅴ?11，Ⅴ?12，Ⅴ?17，Ⅴ?18 和Ⅴ?23 斷裂穿過；復(fù)雜構(gòu)造區(qū)分布在井田中部區(qū)域，其中有Ⅴ?9，Ⅴ?13，Ⅴ?17 和Ⅴ?23斷裂穿過。前文已述， 峻德井田的Ⅴ?12， Ⅴ?17，Ⅴ?18 和Ⅴ?23 斷裂控制著沖擊地壓的發(fā)生，因此確定中等構(gòu)造區(qū)是沖擊地壓發(fā)生的潛在區(qū)域。

3.4斷裂構(gòu)造分形特征與沖擊地壓的關(guān)系

斷裂構(gòu)造控制著巖體構(gòu)造應(yīng)力分布狀態(tài)，沖擊地壓主要發(fā)生在構(gòu)造應(yīng)力集中程度較高的區(qū)域，并且構(gòu)造應(yīng)力是引發(fā)沖擊地壓的主導(dǎo)因素[18]。因此，要建立斷裂構(gòu)造分形特征與沖擊地壓之間的關(guān)系，基礎(chǔ)在于分析構(gòu)造應(yīng)力的分布狀態(tài)[19]。

峻德井田地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果： 最大主應(yīng)力為33.42 MPa，方位角為87°；垂直應(yīng)力為10.81 MPa，方位角為267°； 最小主應(yīng)力為18.73 MPa， 方位角為177°。通過確定的地應(yīng)力參數(shù)、巖體變形參數(shù)和斷裂構(gòu)造影響范圍，利用巖體應(yīng)力狀態(tài)分析系統(tǒng)軟件[20]，計(jì)算得到17 煤層的最大主應(yīng)力，之后在Surfer軟件上實(shí)現(xiàn)樣條插值，繪制17 煤層最大主應(yīng)力等值線，如圖8 所示。

由于構(gòu)造復(fù)雜程度、斷塊間的作用及巖體力學(xué)性質(zhì)的多樣性，構(gòu)造應(yīng)力常表現(xiàn)出區(qū)域性特點(diǎn)[21]。將應(yīng)力集中系數(shù)作為劃分應(yīng)力區(qū)域的標(biāo)準(zhǔn)：應(yīng)力集中系數(shù)＞1.2 的區(qū)域?yàn)楦邞?yīng)力區(qū)；應(yīng)力集中系數(shù)＜0.8 的區(qū)域?yàn)榈蛻?yīng)力區(qū)；1≤應(yīng)力集中系數(shù)≤1.2 的區(qū)域?yàn)閼?yīng)力梯度區(qū)。17 煤層最大主應(yīng)力區(qū)域劃分結(jié)果如圖9 所示。

將圖5 與圖9 疊合，如圖10所示。

從圖10可看出，17煤層沖擊地壓主要發(fā)生在高應(yīng)力區(qū)，且處于Ⅴ?18 斷裂影響范圍內(nèi)；構(gòu)造復(fù)雜程度較高的區(qū)域，也是構(gòu)造應(yīng)力集中程度較高的區(qū)域，構(gòu)造復(fù)雜程度與構(gòu)造應(yīng)力集中程度具有很好的一致性。

4結(jié)論

1）用分形維數(shù)作為量化斷裂構(gòu)造特征的參數(shù)，揭示了斷裂構(gòu)造統(tǒng)計(jì)自相似性和空間分布特征：峻德井田斷裂整體分形維數(shù)與北西向斷裂分形維數(shù)具有良好的一致性，北西向斷裂對(duì)峻德井田的沖擊地壓起控制作用；分形維數(shù)與斷裂構(gòu)造復(fù)雜程度呈正相關(guān)，即分形維數(shù)越大，斷裂構(gòu)造空間分布特征越復(fù)雜，越容易誘發(fā)沖擊地壓。

2）對(duì)V 級(jí)斷塊構(gòu)造分區(qū)和應(yīng)力分區(qū)綜合研究可知，構(gòu)造復(fù)雜程度越高，構(gòu)造應(yīng)力集中程度越高，越容易發(fā)生沖擊地壓。