矿井构造复杂程度定量评价与涌(突)水耦合分析.pdf

工矿自动化 In d us t r y a n d Min e Aut o ma t io n Vo l .45 No .12 Dec .2019 第45卷第12期 2019年12月 文章编号1671-251X2019 12-0017-06 DOI10. 13272/j. issn . 1671251x. 2019040102 矿井构造复杂程度定量评价与涌（突）水耦合分析 刘伟吴基文胡儒毕尧山翟晓荣，徐峰 （安徽理工大学地球与环境学院％安徽淮南232000） 扫码移动阅读 摘要多数矿井涌（突）水事故与矿井地质构造有着密切关系，准确评价矿井构造复杂程度对矿井水害防 治具有重要意义。以徐庄煤矿为研究对象，选取断裂分维值、断层强度指数、褶皱平面变形系数作为影响矿 井构造复杂程度的评价指标，采用独立性权系数法确定各评价指标所占权重，通过ArcGIS建立了矿井构造 复杂程度定量评价模型，将研究区划分为复杂构造区、较复杂构造区、中等复杂构造区和简单构造区4个区 域，并分析了矿井构造复杂程度与矿井涌（突）水的耦合关系结果表明研究区以复杂构造为主，构造复杂 程度主要受控于大型断层和褶皱；断裂分维值、断层强度指数和褶皱平面变形系数越大，矿井构造复杂程度 越大，涌（突）水点分布越密集，表明矿井构造对涌（突）水具有明显的控制作用 关键词矿井构造复杂程度；；矿井涌（突）水；；矿井水害；；断裂分维值；；断层强度指数；；褶皱平面变形系 数；独立性权系数法 中图分类号TD745 文献标志码A Qua n t it a t iv ee v a l ua t io n o f min es t r uc t ur ec o mpl exit y a n d it sc o upl in g a n a l y s is w it h w a t er bur st in g LIU Wei, WUJiw en , HU Ru, BIYa o sh a n , ZHAIXia o r o n g , XU Fen g Sc h o o l o f Ea r t h a n d En v ir o n men t , An h ui Un iv er sit y o f Sc ien c e a n d Tec h n o l o g y , Hua in a n 232000, Ch in a Abstract Mo st min e in r ush a c c id en t s a r e c l o sel y r el a t e d t o min e g eo l o g ic a l st r uc t ur e , so a c c ur a t e ev a l ua t io n o f min e st r uc t ur ec o mpl exit y is o f g r ea t sig n if ic a n c ef o r min e w a t er d isa st e r pr ev en t io n a n d c o n t r o l .Ta kin g Xuzh ua n g Co a l Min ea sa r e sea r c h o bjec t Sf a ul t f r a c t a l d imen sio n v a l ueSf a ul t in t en sit y in d exa n d f o l d in g pl a n ed ef o r ma t io n c o efic ie n t w e r e sel ec t e d a se v a l ua t io n in d safec t in g min est r uc t ur e c o mpl exit y . Th e in d epen d en t w eig h t c o e fic ien t met h o d w a sused t o d e t er min e w eig h t o f ea c h ev a l ua t io n in d e x.Th e q ua n t it a t iv e ev a l ua t io n mo d el o f min e st r uc t ur e c o mpl e xit y w a se st a b l ish e d by Ar c GISt o d iv id e t h e st ud y a r ea in t o t h e mo st c o mpl ex st r uc t ur e a r ea , mo r e c o mpl ex st r uc t ur e a r ea , mid d l e c o mpl ex st r uc t ur ea r e a a n d simpl e c o mpl ex st r uc t ur e a r e a Sa n d c o upl in g r el a t io n sh ip bet w een min e st r uc t ur e c o mpl e xit y a n d min ew a t er bur st in g w a sa n a l y z ed .Th er esul t ssh o w ed t h a t t h est ud y a r ea isd o min a t ed by t h emo st c o mpl exst r uc t ur ea n d min es t r uc t ur e c o mpl exit y is ma in l y c o n t r ole d by l a r g e f a ul t s a n d f o l d s . Th ew a t e r bur s t in g po in t sa r e mo r e d en sel y d ist r ibut e d w it h in c r ea se o f min e st r uc t ur e c o mpl exit y w h en f a ul t f r a c t a l d imen sio n v a l ue Sf a ul t in t en sit y in d ex a n d f o l d in g pl a n e d ef o r ma t io n c o efic ien t bec o me 收稿日期收稿日期2019-04-29;修回日期修回日期2019-11-28;责任编辑责任编辑盛男。 基金项目基金项目国家自然科学基金资助项目1272278安徽高校自然科学重点资助项目KJ2017A073；安徽高校科研平台创新团队建设资助项 目2016-2018-24O 作者简介作者简介刘伟伟1992 ,男，安徽亳州人，硕士研究生，研究方向为地质资源与地质工程,E-ma ilbl a t h y l iu 163. c o m。通通信作者吴基文 1961 男，安徽舒城人，教授，博士，主要从事煤矿工程地质与水害防治、矿山地质灾害及煤田地质学等方面的教学与科研工作, E-ma iljw w ua ust . ed u. c n。 引用格式引用格式刘伟，吴基文，胡儒，等矿井构造复杂程度定量评价与涌突水耦合分析工矿自动化2019,45121722. LIU WeiWUJiw enHU Ru et a l 8Qua n t it a t iv eev a l ua t io n o f min est r uc t ur ec o mpl exit y a n d it sc o upl in g a n a l y sisw it h w a t e r bur s t in g In d ust r y a n d Min e Aut o ma t io n, 2019,4512 17-22. ・18・ 工矿自动化 45 g r ea t e r . It in d ic a t es t h a t min e st r uc t ur e h a s a n o bv io us c o n t r o l ef f ec t o n w a t er bur st in g . Key words min e st r uc t ur e c o mpl exit y; min e w a t er bur st in g; min e w a t er d isa st e r; f a ul t f r a c t a l d imen sio n v a l ue; f a ul t in t en sit y in d ex; f o l d in g pl a n e d ef o r ma t io n c o ef f ic ien t; in d epen d en t w eig h t c o ef ic ien t met h o d 0引言引言 我国煤矿的水文地质条件、矿井充水条件复杂 多样，煤矿在生 程中受 各 害 分 重，煤矿防 工作是矿井生 难点M。矿井 造 程度是影响水害的重要 ，多数矿 i （突）水事故与 造（尤其是断层与 ）有着密 -近年来，众多学者对矿 造 程度评 行了大量研究。魏大勇等⑷采 模糊综合评判 法对恒源煤矿6煤底 造 程 行评价, 了 矿 造 程 与 矿 合 李骏等囚采分形理论和趋势面分析方法对阳泉二 矿矿 造 程度进行了定量分析。施龙青等「6） 针对 造 而导致频繁 状，提出了断层影响 ，结合统计分析法对 矿 造 程 行了评价。徐文军等⑺选 I 造曲率、断层 、断层密度、断层分形维 采用层次分析法构建了矿 造 程度评价指标 体系，并结合分形理论对煤层构造 程 行了 定 评价。周阳等囚以基于分形理论 性指 法评价煤层底 造复杂程度。舒建生等「9）采用 分析方法和等性块段综合指数评 法， 对矿 造 程 了定 综合评价和 分类。 本文以大屯煤电（集团）有限责任公司徐庄煤矿 为例，采 立性 法确定影响矿 造 ； 程 各指标权重，通过Ar c GIS对各指标进行融 合分析，从而对矿井构造 程 行定量评价，为 矿 （突 性预测 害防治提供重要 依据。 1 研究区概况研究区概况 徐庄煤矿位于江苏省徐州市沛县大屯矿区，是 典型的华北型全 式煤田，含煤地层 生代 二 原组、山西组、下石盒子组。含煤 20多层，4层可采煤层（7,8,17,21号），总厚度平均 为 9. 95 mo 徐庄煤矿井田位于滕沛复向斜中南部，大部分 区域呈一走向北东、倾向北 斜构造，倾角为 10〜36,平均为17. 3。其北 层F20，落差 I 1 000 m,切割了井田西南部煤层，构成了 自 然边界。根据勘探、物探与 采掘的实测资 ’ 知，徐庄煤矿井田内地质构造主要是断层，共有 400 ，正断层相对逆断层较 ，并 呈束 状、枝状分布，断层的倾向主要有北西和北东2组, 按照力学性质不同可分 扭性和压扭性2组，以 扭性为主，大 高角 层。 矿区由于多次受构造运动的影响，在井田中西 部 成了不同 、不同方向 ，其中有魏 营背斜、魏营向斜、贾庙西向斜、刘家向斜、陈楼东向 斜，如图1所示。 图1构造纲要 Fig 1 St r uc t ur a l o ut l in e 2基于基于ArcGIS与独立性权系数法的矿井构造复与独立性权系数法的矿井构造复 杂程度定量杂程度定量 2. 1 评价指标选取 和 是矿 造 重要组成部分 本文对 研究 矿 造 程 定 评 主要 考虑了 、 影响，具体评价指标包括 分维值、断层 指数和 平面变 ；数。 2. 1. 1 分维值 分维值包含断裂条数、延伸长度和相互交 叉 变 , 综合性指 标，充分 造 程度（10）。 分维值 和 长度、小断层和分 层 呈 分维值越大, 造 。采用滑动窗口 法（1门计算矿 分维值，运用不同边长正 格 研究 ，网格数目 匚正 格边长和网格密集程度变化而变化。 N （1） 式中N（）为网格数目；％为正方形网格边长；C为 率2 分维值。 对式（1）两边同取对数可得 l gN（） -21ge A （2） 2019 12 刘伟等矿井构造复杂程度定量评价与涌（突）水耦合分析 ・19・ 式中A为待定常数。 根据计算所得的矿井区域断裂分维值绘制断裂 分维值等值线，如图2所示。由图2 ，研究区断 分维值为1. 1〜1 9,变化范围不大，分布趋势整 体为东部高西部低，东部采 分维值为1. 5〜 1. 9,西部采 分维值为1. 1〜1. 8,且与断裂发 有很好的对应 ，断裂发育聚集 分维值比较大;在矿井东部的中心部位，断层F14 以浅区域断裂分维值较大，达1. 8以上，至一700 m 以深，断裂分维值减小，在1. 6以下，但整体还是较 大，即矿 向深部水平开拓生 程中，可能会存 较多小断层，特别是F7 ,F62 2 大型断层附近；在 矿 部采区，断裂分维值从南向北呈减小趋势，靠 近南部断层F21陈楼东向斜附近 分维值大于 1.8。 ，研究 东部采 部采区中南 部 分维值较大 集， F14 ,兀，F21等 大型断层附近 分维值 最大。 图2断裂分维值等值线 Fig .2 Fa ul t f r a c t a l d imen sio n v a l ueiso l in e 目前徐庄煤矿主要开采的是东部和浅部区域, 西部和深部 尚未开采。对已开采的东部 【涌 （突）水点信 行整理，将涌（突）水点坐标投影于 图2上。可看出断裂分维值为1. 6〜1. 7的区域内 分布3 （突）水点，占比21.43，断裂分维值为 1. 7〜1. 8的区域内分布5个涌（突）水点，占比 35.71，断裂分维值为1. 8〜1. 9 分布 6 （突）水点，占比42.86, 分维值越 大，涌（突）水点分布越密集。 2.1.2断层强度指数 断层 指数是指单位面积内所有断层的落差 与水平延伸长 乘 和 F （3） 式中7为断层强度指数；（为第8 （ 1,2, ・・・，， 层 ）条断层水平延伸长度，m；乩为第8条 层落差，m；s为统计 ,万m2。 采用滑动窗口法对研究区断层强度指数进行统 计,并绘制断层强度指 值线,如图3所示。由 图3可知,断层强度指数为0. 02〜0. 21；由于断层 F7 , F14和F15差较大,断层强度指数受 层 影响较大,其等值线形态在矿井中北部大致 层 呈 分布（断层F7附近 （约在10勘探 线深部）断层 指数最大值达0. 21）,在矿井东部 大致 层F14, F15呈 分布（断层 指数最 大值达0.16）；矿 部（约在4勘探线以西）断层 指数基本小于0.10。将已开采的东部地区涌 （突）水点坐标投影于图3上，可看 层 指数 0 02 〜0 07 分 布 3 （ ） 点 2143 层 指 0 07 〜0 12 分 布 4 （ ） 点 28 57 层 指 0. 12〜0. 16的区域内分布7个涌（突）水点，占比 500 层 指 大 （ ） 点分 布 集。 图3断层强度指 值线 Fig 3 Fa ul t in t e n sit y in d exiso l in e 213 平 变 平面变 定量表征了构造应力场下层 状岩层发生 变形程度，与 程 较 好对应 （12）,通 平面变 分布可直 范围 程 。 式中Kp为褶皱平面变形系数皿为相邻2条等高 线标高差，m；L为计算单元中心相邻2条等高线 平 ，m；L1为靠近计算单元中心 高 线 元 实际长度，m；L2为计算单元中心轮 廓附近 高线 元 割线长度，m。 统 计 研 究 平 变 并 绘 制 平 面变 值线，如图4所示。由图4 ，研究 平 变 0 19 〜0 62 ； 受 部 采 大 影 响 矿 部 平 变 高 东部，在刘家向斜附近（约在4勘探线的浅部与西 部 ） 平 变 最 大 0 50 矿 东 部 采 较弱，约在10勘探线以东 平 变 基本小于0.4,仅在7199工 小区 平 变 0 48 。 已 开 采 东 部 （突）水点坐标投影于图4上，可看 平 ・20・ 工矿自动化 45 面变形系数为0. 20〜0. 30的区域内分布3个涌 （突）水点，％ 21.43打 平面变 0.30〜0.40的区域内分布2个涌（突）水点，占比 14.28，褶皱平面变 0. 40〜0. 48的区域 内分布9 （突）水点，占比64. 29 , 平 变 大，涌（突）水点分布越密集。 N1 000 m 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 H涌（突）水点分布 匡断层 H 7199工作面 区已釆区边老 0勘探线 图4 平面变 值线 Fig . 4 Fo l d in g pl a n e d ef o r ma t io n c o ef f ic ien t iso l in e 2. 2 数据归一化处理 各评价指标不同量纲数据对矿 造复 程度评价结果的影响，需要对各评价指标原 C 据进行归 理。考虑到本文选 分维 值、断层 指数、褶皱平面变 3个评价指 标与矿 造 程 相 （13），采用 最小-最大标 法对数据进行归 理「14）。 2. 3 权重确定 分 值、 层 指 、 平 变 3个评价指标 信息重叠部分“16）， 些评价指标 矿 造 程度评价，则 会降低评价结果 确度。 ，采 立性 ； 法确定各评价指标权重。 计算评价指标X； （ e 1,2,3）与其他评价指标 相 3 -Y） -） R； 丰 亍 5） ；1 ；1 式中；为评价指标矩阵;为除去X；的其他评价 指标平均值矩阵;为除去X；的其他评价指标 矩阵。 相 大，表明评价指标X；与他评 指标 线性 ， 重 信 ， 评价指标 重 小「16）。考虑 相 与 重 呈负相 ，选 相 倒 1 评分，纟 标椎 理计算，可得各评价指标 重 1 分 值、 层 指 、 平 变 评价指标 重 1 表1评价指标权重 Ta bl e1Ev a l ua t io n in d ex w eig h t 评价指标相重 断裂分维值 0.35310.2210 断层强度指数 0.32820.2377 平变 0.14410.5413 2. 4矿井构造复杂程度定量评价 将各评价指标归 据导入Ar c GIS 中，建立 分维值、断层 指数和 平面变形 归 专题图。将通 立性 法得到 重分 予3个评价指标，应用Ar c GIS对各 评价指标的归一化专题图进行融合计算，得到矿井 构造 程度定量评价模型 3 Q * 6； 0. 221 06] ;1 0. 237 762 0. 541 363 （7） 式中Q为评价指数;6；为第；个评价指标的归一 化值。 根据矿井构造复杂程度定量评价模型，通过对 Q进行统计分析，运用Na t ur a l Br ea ks （Jen ks）（自 然 分级法）进行分级，确定分级阈值分 丁 0. 468 1,0. 525 4,0. 580 7,见表 2。Q 越大，表明矿 井构造 程 大。 表2矿井构造复杂程度分级 Ta bl e 2 Min es t r uc t ur e c o mpl e xit y c l a ssif ic a t io n Q值造 程 Q〉0. 580 7复杂 0. 525 4Q0. 580 7较复杂 0. 468 1Q0. 525 4中等复杂 Q0. 468 1简单 依据分级阈值将研究区划分为复杂构造区、较 造区、中 造区和 造区4 域，如图5所示。由图5可知，复杂构造区主要分布 矿井东部（大致 层F14 ,码5 呈条带 分布）、矿井中部（约在10勘探线深部）、矿 南角 4勘探线以西）及岩浆岩 北侧局部，矿 井东部 分维值较大，矿井中部断层 指数较 大， 矿 南角 分 值和 平 变 较 大， 岩浆岩 北 局部 平 变 较大; 较 造区主要集中在矿井中北部；中 造区主要分布在矿 部靠近岩浆岩侵入体 1及 10勘探线与19勘探线 北部； 造区主 要分布在矿 北部。 2019 12 刘伟等矿井构造复杂程度定量评价与涌（突）水耦合分析・21・ 图5矿井构造复杂程度分区 Fig 5 Min e st r uc t ur ec o mpl exit y zo n in g 3矿井构造复杂程度与涌（突）水耦合分析矿井构造复杂程度与涌（突）水耦合分析 由图2-图4可知，断裂分维值、断层强度指数 和 平面变 大，涌（突）水点分布 集, （突）水点分布密集程度与评价指标 相关性。由图5 ，涌（突）水点分布 和 较 造区内，其中较 造 有3 I （突）水点，占比21. 43，复杂构造区内涌（突）水点 高达11个，占比78. 57，表明矿 （突）水与构 造 程 合 ，即矿 造 程 大，涌（突）水点分布 集；涌（突）水点 主要分布在断层F14 ,兀附近，分布方向与F14 ,兀 走向一致， （突）水点 和断层 ，其 原因是断层附近构造 和 资源富集。 4结论结论 （1） 研究区断裂分维值为1. 1〜1.9,总体呈东 高西低的分布趋势，在F14 ,F15 ,F21等大型断层附近 分维值 最大；断层强度指 0. 02〜 0. 21,受大型断层影响，其等值线形态在矿井中北部 大致 层F7呈 分布，在矿井东部大致沿断 层F14 ,F15呈 分布； 平面变形另 0. 19〜0.62,矿井西部褶皱平面变形系数高于东部, 在刘家向斜附近（约在4勘探线的浅部与西部）的褶 平面变 最大，东部采 较弱。结 合已开采的东部 （突）水点 分布可知，断 分 值 、 层 指 和 平 变 大 涌（突）水点分布越密集。 （2） 采 立性 法确定影响矿井构造复 程 分 值 、 层 指 和 平 变 重，利用Ar c GIS建立矿 造 程 度定量评价模型，将研究区划分 造区、较复 造区、中 造区和 造区4个区域。 研究区以 造为主，构造 程度主要受控于 大型断层和 。 （3） 通过分析已开采东部地区涌（突）水点的空 分 布 点 主 要 矿 和 较 造 矿 造 程 大 点分 布 集，表明矿 造对矿 突水具有 L 控制 。 参考文献References 1 李东东.红柳林煤矿2-2煤顶板涌突水危险性评价 [D.西安西安科技大学2017. 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Qu/n t it /t iv e /ss ess men t o f st r uc t ur e c o mpl exit y o f 22 - 工矿自动化 45 c o /l r e ser v o ir b/se d o n /n /l y t ic /l h ie r /r c h y pr o c ess [J. Jo ur n a l o f Hen a n P o l y t ec h n ic Un iv e r sit y Na t ur a l Sc ien c e ,2019,382 20-26. [8 周阳，陈江峰，肖新成，等断裂构造分形及其在矿山 突水评价中的应用中国地质灾害与防治学报, 2017,281115-1208 ZHOU Ya n g, CHEN Jia n g f en g, XIAO Xin c h en g, et a l 8Fr a c t a l a n a l y sis o f f a ul t st r uc t ur es a n d it s a ppl ic a t io n in t h e a ssessmen t o f w a t er bur s t [J. Th e Ch in e seJo ur n a l o f Geo l o g ic a l Ha za r d a n d Co n t r o l, 2017,281115-1208 [9 舒建生，贾建称，王跃忠，等.地质构造复杂程度定量 化评价一一以涡北煤矿为例煤田地质与勘探, 2010,38622-268 SHU Jia n sh en g, JIA Jia n c h en g, WANG Ya o zh o n g, et a l . Qua n t it a t iv e ev a l ua t io n o f g eo l o g ic a l st r uc t ur e c o mpl exit y w it h Guo beiCo a l Min ea sexa mpl e [J 8 Co a l Ge o l o g y a n d Expl o r a t io n,2010,38622-268 0彭涛.淮北煤田断裂构造系统及其形成演化机理 [D淮南安徽理工大学，2015. 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XUAN Lia n g r ui Th e ev a l ua t io n o n t h e w a t er 上接第16页 1贺天才，王保玉，田永东晋城矿区煤与煤层气共采研 究进展及急需研究的基本问题煤炭学报，2014, 3991779-1785 HE Tia n c a iWANG Ba o y uTIAN Yo n g d o n ge t a l Dev el o pmen t a n d issues w it h c o a l a n d c o a l -bed met h a n esimul t a n eo use xpl o it a t io n in Jin c h e n g min in g a r ea[J Jo ur n a l o f Ch in a Co a l So c iet y201439 9 1779-1785 [12李国富，何辉，刘刚，等.煤矿区煤层气三区联动立体 抽采理论与模式煤炭科学技术，2012,4010 7-11 LI Guo f uHE HuiLIU Ga n ge t a l Th r e er e g io n l in ka g e t h r ee-d imen sio n a l g a s d r a in a g e t h eo r y a n d mo d eo f c o a l bed met h a n ein c o a l min in g a r e a[J Co a l Sc ien c ea n d Tec h n o l o g y 2012 40107-11 a bun d a n c eo f K3 s a n d s t o n e a n d t h e a n a l y s is o n t h e so ur c e o f w a t er in r ush o f 8101 w o r kin g f a c e in Wo l o n g h uCo a l Min e[D Hua in a nAn h uiUn iv er s it y o f Sc ie n c e a n d Tec h n o l o g y 2014 3 施龙青，滕超，韩进，等.基于层次分析法-系统聚类 分析的井田构造复杂程度评价中国科技论文, 2015 10212550-2554 SHI Lo n g q in g, TENG Ch a o, HAN Jin, et a l . Ev a l ua t io n o f min ef iel d st r uc t ur e c o mpl exit y ba sed o n a n a l y t ic a l h ier a r c h y pr o c ess a n d h ie r a r c h ic a l c l ust e r a n a l y sis [J Ch in a Sc ien c epa per201510 21 2550-2554 4 王汉斌.基于Ar c GIS的首旺煤矿突水水害危险性评 价[D北京中国地质大学北京2017. WANG Ha n bin Ris k a ssessmen t o f w a t er in r ush f r o m c o a l min e o f t h e Sh o uw a n g Colier y ba sed o n Ar c GIS[D Beijin gCh in a Un iv er sit y o f Geo sc ien c es Beijin g 2017 5 李飞，杨滨滨，张金陵，等.矿井断层构造复杂程度的 GISSf值耦合评价研究中国煤炭地质，2014, 26860-63 LIFeiYANG Bin binZHANG Jin l in g et a l GISa n d en t r o py c o upl in g ev a l ua t io n o n min e f a ul t st r uc t ur a l c o mpl exit y ]〕. Co a l Geo l o g y o f Ch in a , 2014,26 8 60-63 6 张淑莹，胡友彪，邢世平.基于独立性权-灰色关联度 理论的突水水源判别水文地质工程地质,018, 45636-41 ZHANG Sh uy in gHU Yo ubia oXING Sh ipin g Disc r imin a t io n o f t h emin e w a