煤与瓦斯突出多尺度预测研究.doc

第23卷 第18期 岩石力学与工程学报 231831223126 2004年9月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Sept .,2004 2002年11月18日收到初稿,2002年12月30日收到修改稿。 * 国家“十五”攻关项目2001BA803B0402资助课题。 作者 何 俊 简介男,29岁,硕士,1995年毕业于焦作工学院采矿工程专业,现任讲师,主要从事煤矿安全方面的教学与科研工作。 煤与瓦斯突出多尺度预测研究* 何 俊1, 2 何学秋1 刘明举2 1中国矿业大学北京校区资源与安全工程学院 北京 100083 2河南理工大学资源与材料工程系 焦作 454000 摘要 采用分形几何学手段,从煤田、井田、采区等3个尺度上,研究了地质构造的分形特征,并将构造分维数与瓦斯突出危险性程度作了对比分析。结果表明,在不同尺度上,地质构造均具有分形特征,构造分维数与瓦斯突出危险性间存在正相关关系,为煤与瓦斯突出分形预测研究提供了初步的理论基础。 关键词 采矿工程,地质构造,分维,煤与瓦斯突出,预测 分类号 TD 712 文献标识码 A 文章编号 1000-6915200418-3122-05 RESEARCH ON MULTI-SCALE PREDICTION OF COAL AND GAS OUTBURST He Jun 1, 2,He Xueqiu 1,Liu Mingju 2 1School of Resource and Safety Engineering.,China University of Mining and Technology Beijing Campus , Beijing 100083 China 2Department of Resource and Material ,Henan Polytechnic University , Jiaozuo 454000 China Abstract The fractal feature of geological structure and the relation between fractal dimension of structure and danger extent of gas outburst are analyzed in three scales of coal field ,mining area and stope ,respectively. It is shown that geological structures are of fractal features ,and there is a positive correlation between fractal dimension of structure and danger extent of gas outburst over the three scales. The results indicate that multi-scale assessment of outburst tendency of coal and gas can be made based on fractal measurements independently or supplemented by other assessing s. Key words mining engineering ,geological structure ,fractal dimension ,coal and gas outburst ,prediction 1 引 言 目前,我国煤与瓦斯突出的防治工作依然存在着防御战线过长,防突措施盲目,针对性较差的问题,其主要原因是不能准确地划分突出危险带。大量实际观测资料和研究成果表明,瓦斯突出具有明显的分区分带性,地质构造是控制突出分区分带的主导性地质因素[1 ,2] 。但对地质构造复杂程度及其与 瓦斯突出关系的认识,仍然停留在定性分析和经验描述的阶段,缺乏系统的规律性分析和定量化描述。因此,定量描述瓦斯突出的地质构造特征,确定区域构造特征与瓦斯突出的关系,准确预测瓦斯突出危险带,是一项亟待解决的技术难题。 分形几何学以自然界中复杂、不规则客体为研究对象,为我们开展此项研究提供了强有力的手段。地质构造的分布是不规则的,具有不确定性,应用分形几何学研究地质构造的分布特征是一种有效的 第23卷第18期何俊等. 煤与瓦斯突出多尺度预测研究 3123 方法[37]。最近几年来对地质构造分布特征的研究结果证实,地质构造的分布,尤其是断层的分布具有自相似性,是一个分形。对地层褶曲的分形研究虽然不多见,但是,地层褶曲的自相似性特征早已为人们所认识[8],可以应用分形方法进行研究。本文以几个典型煤田、井田、采区为研究对象,应用分形几何理论和方法,从不同尺度上对地质构造控制瓦斯突出的分布这一问题进行了定量化研究。进一步丰富了瓦斯突出分形预测研究的理论基础,为煤层瓦斯突出区域预测研究提供了新的方法和手段。 2 煤田地质构造与瓦斯突出关系分形 研究 2.1研究矿区的瓦斯地质概况 根据突出的严重程度,瓦斯突出矿区可以划分为严重突出、一般突出、弱突出3种类型[9]。严重突出矿区是指瓦斯突出矿井占矿井总数的80以上;一般突出矿区是指突出矿井所占比例小于80大于20;弱突出矿区是指突出矿井数低于矿井总数的20。 按照上述突出分类标准,选择6个严重突出矿区涟邵、梅田、萍乡、南桐、焦作、安阳,4个一般突出矿区抚顺、乐平、铜陵、阳泉,4个弱突出矿区平顶山、大同、合山、潞安作为研究对象。为研究突出与构造的分形规律而选取的矿区基本上可以代表我国各大区的地质构造及突出情况,在选择矿区时注意到了所研究矿区具有区域特征和突出类型的代表性。 严重突出矿区一般具有煤层厚度变化大,煤田内构造较为复杂,中小型断裂构造十分发育,煤变质程度高等特点。例如,萍乡矿区,矿区面积约为175 km2,区内褶皱及断裂构造异常发育,隆起凹陷相间出现,复式向斜,背斜平行伸展,轴面倾向东南,逆冲、逆掩断层平行展现,并有火成岩侵入,横张断裂伴随等情况。 一般突出矿区煤田内构造比较复杂,在区域构造的控制下,发育有次级的断层和褶曲,矿区内扭性、压扭性构造所占比重下降,但整个矿区仍然受到区域性构造的破坏。 弱突出矿区煤田内构造一般比较简单,次级的小构造不甚发育,煤层厚度变化不大,煤层瓦斯含量也较低,多数井田不具有煤层瓦斯突出危险性。2.2各类煤田地质构造的分形特征 计算构造的分维数采用数盒子法,这种计算方法包含了维数的多种不同定义[10]。首先,矿区瓦斯地质图中标注的大、中型构造的迹线和轴线按断层和褶曲两种类型分别转绘到透明纸上;然后,用小方格边长等于16 cm的方格网盖在断层迹线或褶曲轴线图上,记录断层或褶曲占有的格子数目Nr。因为待量测对象相对于初始化格子的角度、位置等的不同,可导致出现偏差[11,12],所以,方格网的放置应使断层或褶曲占有的格子数目Nr最小。然后固定方格网,缩小正方形格子的边长,依次使用边长为8,4,2,1 cm的方格网重复该过程。 将各矿区的格子边长r和格子数目Nr按照断层和褶曲分类,分别标在ln r-ln Nr双对数坐标系中图1,拟合直线的斜率即为相应的分维数D表1。 a 断层分维数拟合曲线 格子边长的负对数 b 断层分维数拟合曲线 ◆抚顺矿区■乐平矿区▲阳泉矿区○铜陵矿区 图1 瓦斯一般突出矿区地质构造分维数拟合曲线Fig.1 Regression curves of fractal dimensions for common mining area with gas outburst 构造分维数是煤田内地质构造复杂程度的一项综合性反映指标。由表1可以看出,部分矿区的构造分维数小于1。很粗略地看,分维数给出了一个集充满空间程度的描述,它是在用很小比例尺度下观测一个集时,对这个集的不规则性的极好量度, 0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 -3.0-2.0-1.00.0 占 有 格 子 数 目 的 对 数 0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 -3.0-2.0-1.00.0 格子边长的负对数 占 有 格 子 数 目 的 对 数 3124 岩石力学与工程学报 2004年 表1 矿区瓦斯突出性质与分维数计算结果 T able 1 Gas outburst categories and fractal dimension values of mining area 矿区名称 突出性质[9] 断层分维数 褶曲分维数 焦作 严重 1.499 0.970 萍乡 严重 1.390 1.251 涟邵 严重 1.360 1.213 南桐 严重 1.323 1.111 安阳 严重 1.318 1.153 梅田 严重 1.216 1.296 抚顺 一般 1.385 0.921 乐平 一般 1.212 1.005 阳泉 一般 1.141 0.991 铜陵 一般 1.130 1.164 合山 弱 0.980 1.011 潞安 弱 1.100 0.887 平顶山 弱 1.049 0.960 大同 弱 0.857 0.997 分维数包含相应集合的几何性质的许多信息[5]。一个点对空间的充满程度是0维,一条直线对空间的充满程度是1维,一个平面对空间的充满程度是2维,一条破碎的间断的线对空间的充满程度大于0维而小于1维,一条曲线对空间的充满程度大于1维而小于2维。煤田内多数构造的分维数D 大于1而小于2,意味着对空间的充满程度类似于一条曲线对空间的充满;具有相同取值范围的分维数,说明构造在煤田中的展布是较为连续的,分布是比较稠密的,构造的数目较多且构造迹线较长。少数矿区构造分维数小于1,说明煤田内构造对空间的充满程度介于一个点和一条直线之间,构造在煤田中的分布比较破碎,构造迹线展布连续性差,长度较短,且整体分布比较稀疏。 2.3 构造的分形特征与突出的关系 由表1可以看出,严重突出矿区断层分维数为1.2161.499,平均值为 1.357 5;褶曲分维数为0.9701.296,平均值为1.133;一般突出矿区断层分维数为1.1301.385,平均值为1.257 5;褶曲分维数为0.9211.164,平均值为1.042 5;弱突出矿区断层分维数为0.8571.100,平均值为0.978 5;褶曲分维数为0.8871.011,平均值为0.949。 其中两类分维数随着矿区突出类型的提高具有增大的趋势,矿区突出类型从弱突出过渡到严重突出,断层分维数平均值从0.978 5增加到1.357 5, 褶曲分维数平均值从0.949增加到1.133。矿区的这两类分维数与矿区突出类型呈正相关关系,均是影响矿区突出类型的指标,决定着矿区瓦斯的突出严重程度,可以用来有效地划分矿区的突出类型见图 2。研究表明,具有不同分维数的构造经历了不同地质时代或不同地质动力过程[7],因而具有不同的力学性质,对突出的影响程度也不同。所以,构造分维数与突出危险性之间存在相关关系。 褶曲分维数 ▲严重突出 ●一般突出 ◆弱突出 图2 瓦斯突出类型划分诺模图 Fig.2 Nomogram of gas outburst category 3 井田地质构造与瓦斯突出关系分形 研究 从全国范围内,选取了5个典型瓦斯突出矿井和4个非突出矿井作为研究对象,各矿井有关情况见表2。在这9个井田中,位于南方矿区的井田有 4个,北方矿区的井田为5个。瓦斯突出井田多数具有构造复杂,小断层发育,煤变质程度高,煤层厚度变化大等特点。例如,老虎台矿井田内大中型断裂有13条,煤层被分为5大断块。井田内小型断层发育,煤层被切割成阶梯状,煤层走向及倾角变化较大。 3.1 矿井断层分维特征 各个井田断层分布的分维数计算结果见表2。由这些计算结果可以看出,拟合曲线的线性相关系数均大于0.99,说明瓦斯突出与非突出井田断层的分布均具有自相似的特征,服从分形规律。由表2可以发现,矿井断层构造的复杂程度与其分维数呈正相关关系,构造越复杂,分维数越高。例如,构造复杂、瓦斯突出严重的利民煤矿的分维数为1.3880,而构造简单、没有突出危险的西河矿的分维数为1.050 1。因此,可用分维数来描述矿井断层网络的复杂程度。 0.81.01.21.41.60.7 0.9 1.1 1.3 1.5 断层分维数 第23卷 第18期 何 俊等. 煤与瓦斯突出多尺度预测研究 3125 表2 矿井构造与瓦斯基本情况和分维数计算结果 Table 2 General conditions and calculated results of fractal dimension for the mines with gas outburst 序号 矿区名称 突出危险性 矿井构造 平均强度/kN 次 -1 平均次数/次a - 1 分维数D 相关系数R 1 湖南渣渡矿区利民煤矿 严重突出 复杂 990 4.8 1.388 0 0.999 2 2 贵州六枝矿务局大用矿 严重突出 复杂 850 4.3 1.373 6 0.998 5 3 丰城矿务局建新井田 严重突出 复杂 820 4.3 1.355 0 0.996 6 4 抚顺矿务局老虎台矿 一般突出 复杂 800 4.1 1.336 0 0.999 2 5 四川省什邡县红星煤矿 一般突出 复杂 770 3.9 1.307 3 0.998 7 6 新汶矿务局孙村矿 非突出 简单 1.075 6 0.998 2 7 晋城矿务局凤凰山矿 非突出 简单 1.059 7 0.998 7 8 义马矿务局陈村井田 非突出 简单 1.050 9 0.999 6 9 淄博矿务局西河煤矿 非突出 简单 1.050 1 0.998 4 3.2 断层分布分形特征与突出的关系 根据上述研究,由表2可以看出,全部9个井田的分维数D 在1.050 11.388 0。在瓦斯突出矿井中,利民煤矿的分维数最大为1.388 0,什邡县红星煤矿最小为1.307 3,平均值为1.347 7。非突出矿井的分维数在1.050 11.075 6,平均值为1.059 0。突出矿井的断层分维数明显地大于非突出矿井的断层分维数,突出越严重,分维数越大。 根据表2绘制的分维数与突出强度和突出频率的二维坐标图,如图3,4所示。由图可见,瓦斯突出矿井断层分维数与瓦斯突出之间存在着正相关关系,随着断层分维数的增大,矿井瓦斯的突出强度和突出频率均表现出上升趋势。 断层分维数 图3 断层分维数与突出强度关系 Fig.3 Relation between fractal dimension of fault and outburst intensity 断层分维数反映断层形成过程中变形和运动的方向。D ≈1代表变形和运动集中于一个主剪切带或断层上;较大的分维数,则反映变形分散于小型剪切带上,不发育在一条主剪切带,断层的展布方向不规则,次级断层发育[5 ,6,13] 。因此,断层分维数 断层分维数 图4 断层分维数与突出频率关系 Fig.4 Relation between fractal dimension of fault and outburst frequency 是断层构造复杂程度的一项综合性指标,这一点通过表2也得到了很好的证实。而断层的这种分布特征与地应力的大小和方向有关,根据研究[1 ,2,4] ,我 们认为断层多方向展布的特征表明地应力较大,主应力方向不明显。在构造复杂,次级断层发育,地应力较大,主应力方向不明显的井田,煤层被切割成阶梯状,煤体结构破坏严重,煤体构造发育,煤 层蕴含大量瓦斯,瓦斯压力较高,根据突出综合假说,这些井田往往是瓦斯突出或严重突出井田。 4 采区地质构造与瓦斯突出关系分形 研究 为了进一步研究井田内采区中瓦斯突出与构造的分形关系,选取了焦作矿区九里山井田中的3个采区采一区,采二区,采三区作为研究对象,分别计算了它们的构造分维数,并与突出点的分布作了比较。 3.5 4.0 4.5 5.0 1.30 1.32 1.34 1.36 1.38 1.40 突出频率/次a -1 7508008501.3 1.32 1.34 1.36 1.38 1.40 突出强度/k N 次- 1 3126 岩石力学与工程学报 2004年 在计算各个采区的构造分维数时,不但要考虑 井田内的中小型断层,而且要考虑煤体中的小断裂, 进行综合性的分析计算。分维数的量测如图5,分 维数计算结果如表3。 a 采三区b 采一区图中圆圈符号代表突出点 c 采二区 图5 煤中断裂与突出分布图 Fig.5 Distribution maps of faults and outbursts in coal mining 表3 分维数计算结果 Table 3 Calculated results of fractal dimension for different stopes 采区分维数D相关系数R 采一区采二区采三区1.172 1 0.883 4 0.842 1 0.998 6 0.995 7 0.998 5 所得计算结果表明,煤中断裂分布也服从分形规律,具有较好的自相似性采一区R 0.998 6,采二区R 0.995 7,采三区R 0.998 5。 采一区分维数D 1.172 1,采二区分维数D 0.883 4,采三区分维数D 0.842 1。各个采区内断裂构造的分维数存在着差异,采一区煤中断裂分维数最大,可见突出点主要分布在采一区的煤层中图5。因而可知,分维数D也是采区内煤层瓦斯突出危险性的一项重要指标。由初步研究可知,可以采用采区煤层中断裂分维数来评价井田中不同采区的瓦斯突出危险程度。 5 结论 把构造分维数用于煤与瓦斯突出预测的研究工作才刚刚起步,它为突出区域预测提供了一种新思路。从煤田、井田、采区3个尺度上的初步研究结果均表明1 突出与非突出区的地质构造分布均服从分形规律,地质构造分布越复杂,构造分维数就越大,分维数可以用来定量描述构造网络的复杂程度;2 构造分维数与瓦斯突出倾向性之间存在着正相关关系,突出区构造分维数大于非突出区,分维数越大,突出越严重;3 地质构造的分维数可以作为瓦斯突出区域预测的一项重要参考指标。 参考文献 1 焦作工学院瓦斯地质研究所.瓦斯地质概论[M].北京煤炭工业 出版社,1992 2 Shepherd J,Rixon L K,Griffith L. 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