程 建，竇新釗，王 偉，張春光，胡廣青

渦北井田構(gòu)造特征及其復(fù)雜程度評價

程 建，竇新釗，王 偉，張春光，胡廣青

(中國礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

在渦北煤礦地質(zhì)勘探和礦井開采資料系統(tǒng)分析和統(tǒng)計的基礎(chǔ)上，應(yīng)用分形理論和方法對礦井構(gòu)造進(jìn)行了構(gòu)造復(fù)雜程度評價。評價結(jié)果表明，影響渦北礦構(gòu)造復(fù)雜程度的主要因素是斷裂構(gòu)造，褶皺構(gòu)造基本不發(fā)育，所以相比較其他構(gòu)造評價方法，分形評價方法是比較合理和便捷的方法;礦井的中部和南部F26斷層以南區(qū)域是礦井的2個構(gòu)造復(fù)雜區(qū)，分維值均在1.5以上;可能不利于使用綜采，可以進(jìn)行其他開采方法或非正規(guī)開采。

渦北礦井;斷裂;復(fù)雜程度;分維;礦井構(gòu)造;定量評價

隨著煤礦生產(chǎn)機(jī)械化程度的不斷提高，對礦井構(gòu)造的定量評價提出了越來越高的要求，以便為煤礦提高產(chǎn)量和安全生產(chǎn)提供可靠的地質(zhì)保證［1］。在煤礦生產(chǎn)中，礦井?dāng)嗔鸭捌渌斐傻拿簩雍穸鹊膹?fù)雜變化是影響采掘生產(chǎn)最普遍、最重要的地質(zhì)問題。近年來，國內(nèi)外學(xué)者的研究已經(jīng)證明，斷裂構(gòu)造是一種復(fù)雜的、具有自相似性的分形體系［2－3］。因此，定量描述不規(guī)則性分形結(jié)構(gòu)的分維可以作為定量評價斷裂網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜程度的實用指標(biāo)。本文以渦北煤礦構(gòu)造本身的發(fā)育特征做為基礎(chǔ)，采用數(shù)學(xué)方法和手段對渦北井田構(gòu)造復(fù)雜程度進(jìn)行綜合評價。

1 地質(zhì)概況

淮北煤田位于華北板塊的東南部，除煤田的東部邊緣地區(qū)外，區(qū)內(nèi)構(gòu)造的形成和發(fā)展主要表現(xiàn)為板內(nèi)構(gòu)造變形，其主體構(gòu)造線有近東西向和北北東向兩組，一般NNE向的構(gòu)造線切割或疊加于近東西向構(gòu)造之上，自東向西構(gòu)造格局的總體特征為東部的逆沖推覆、中部的褶皺變形和西部的斷塊(方位用字母表示)。

渦北井田位于淮北煤田西部，屬安徽省渦陽縣管轄。其中心南距渦陽縣城4 km，礦井內(nèi)古生界均隱伏于新生界之下，經(jīng)鉆孔揭露，自下而上分別為奧陶系的考虎山組、石炭系的本溪組、上石炭統(tǒng)－下二疊統(tǒng)的太原組，二疊系的山西組、下石盒子組、上石盒子組、石千峰組，古近系、新近系、第四系。本井田含煤地層為太原組和山西組。

2 構(gòu)造特征

區(qū)內(nèi)構(gòu)造特點以斷層為主，褶皺不太發(fā)育，僅存在一些寬緩的波狀起伏見圖1。

圖1 渦北井田構(gòu)造簡圖

2.1 斷層的規(guī)模及方向性

全礦井共查出斷層54條，其中正斷層51條，逆斷層3條;落差≥20 m的33條、＜20 m的21條(其中＜10 m的有8條)，渦北井田內(nèi)主要斷層情況見表1。

表1 渦北井田內(nèi)主要斷層情況表

礦井內(nèi)斷層的展布方向的規(guī)律明顯，除8條近東西方向的斷層外，其它斷層均在NE～NW方向之間，其中又以NNE和NNW方向為主。而且絕大部分?jǐn)鄬?36條)斷面向西或偏西方向傾斜。這一規(guī)律與區(qū)域構(gòu)造特征基本吻合。

2.2 剖面組合特征

渦北井田在不同時期構(gòu)造運(yùn)動影響下形成了各種不同方向的斷層構(gòu)造。而渦北井田的各種性質(zhì)不同的斷裂構(gòu)造也有其普遍存在的共性是很多斷裂組合是塹、壘相間型，這種構(gòu)造形式的形成是因為一些靠近的正斷層，他們的方向背對，但是他們走向大都一致，從而塹、壘相間的構(gòu)造組合在剖面上形成了。這種構(gòu)造組合在第十勘探線地質(zhì)剖面圖上比較明顯(見圖2)，由西向東依次出現(xiàn)F12與 F26－1間的地塹、F26－1與 F26的地壘、F26與 F11的地塹。再向東，出現(xiàn)向西傾斜F11與F22組成的地壘，每一對地壘與地塹之間有階梯狀斷層過度，如F11和F22斷層。

隨著科技進(jìn)步，各種新的勘探方法層出不窮，很多之前不清楚地小斷層也被勘察出來，這些小斷層以NNE向最多，NNW向次之，這兩組的條數(shù)占一多半，近東西向再次之，其它方向較少(見圖3)。說明渦北煤礦的小斷層是多期不同方向構(gòu)造應(yīng)力作用的結(jié)果。

3 構(gòu)造定量評價

斷層斷裂將渦北井田切割成一塊一塊的網(wǎng)絡(luò)，而這種網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜程度就代表著渦北井田的構(gòu)造復(fù)雜程度，怎樣選取正確評價這種斷裂網(wǎng)絡(luò)的指標(biāo)是評價渦北井田構(gòu)造復(fù)雜程度的關(guān)鍵。斷裂在渦北井田中的密度和斷裂延展的程度以及斷裂下切的深度是構(gòu)造評價中常用的指標(biāo)。然而，通過圖1發(fā)現(xiàn)，這些指標(biāo)對于完整表現(xiàn)出構(gòu)造的實際復(fù)雜程度都存在著不全面性。在渦北井田中有些斷層的延展的長度差不多，但是斷裂的條數(shù)存在差異，或者條數(shù)大致相同而延展長度有差異時，就能很清楚地在圖1上發(fā)現(xiàn)構(gòu)造復(fù)雜程度有很大不同，所以僅用其中一個指標(biāo)很難全面并且準(zhǔn)確展現(xiàn)出構(gòu)造復(fù)雜程度。但通過分形中的分維指標(biāo)的計算則可以很好的彌補(bǔ)這種不足，比較準(zhǔn)確的對渦北井田整體的構(gòu)造復(fù)雜程度做出合理客觀的評價，與直觀感覺相符合，還能對渦北井田的復(fù)雜程度進(jìn)行很好地量化，它是定量評價斷裂構(gòu)造復(fù)雜程度的一種有效而準(zhǔn)確的指標(biāo)［3，4］。據(jù)學(xué)者研究，根據(jù)分形計算出的渦北井田的相似維DS和井田斷裂的長度，斷層的條數(shù)以及斷層的組合型式有很好的相關(guān)性，因此，可以用分維代替其它指標(biāo)，來定量評價渦北井田斷裂構(gòu)造的復(fù)雜程度。

3.1 評價方法

分?jǐn)?shù)維的求解方法有很多，通過實際驗證與分析發(fā)現(xiàn)，用盒計維數(shù)統(tǒng)計的方法測出的斷裂分?jǐn)?shù)維與實際吻合度較高［5］。該方法具體是：用CAD在渦北構(gòu)造簡圖上劃出邊長為r的正方形的格子，然后輸出有渦北井田斷裂存在的格子數(shù)，計為N(r)然后將格子的長度縮減一半，并輸出有渦北井田斷裂存在的格子數(shù)，接著進(jìn)行，得出渦北井田斷層構(gòu)造在一定范圍內(nèi)具有自相似性結(jié)構(gòu)：

式中：

D—分維值;

C—常數(shù)。

將點N(r)畫在雙對數(shù)的座標(biāo)紙上。lg N(r)－lg r散點圖在無標(biāo)度區(qū)內(nèi)靠近斜率為－D的一條直線。該直線方程可寫為：

用一元線性回歸方法對所生成的直線段進(jìn)行擬合，即可求得該直線的斜率－D和相關(guān)系數(shù)R2。

3.2 具體步驟

本次研究中，先將渦北井田劃分為40個正方形大小的網(wǎng)格，每個網(wǎng)格的具體長度為4 km，再不斷改變每個格子的長度從1 km到4 km不等，再數(shù)出有斷裂進(jìn)入的網(wǎng)格數(shù)Ni，從而就可以做出關(guān)系曲線。從計算的結(jié)果看出，尺度與盒子數(shù)目有很好的相關(guān)性，其相關(guān)值達(dá)0.96以上，良好的線性擬合關(guān)系反映了該區(qū)斷裂網(wǎng)絡(luò)空間分布的統(tǒng)計自相似性特征和分形分布特征，見表2。

表2 斷層構(gòu)造網(wǎng)絡(luò)分維值及R2

3.3 評價結(jié)果與分析

根據(jù)渦北礦區(qū)斷層構(gòu)造的分維值D，在渦北礦井的各個斷裂網(wǎng)格中，D＞1.4的為構(gòu)造復(fù)雜，D＜1.0為構(gòu)造簡單區(qū)，1.0＜D＜1.4為構(gòu)造中等復(fù)雜區(qū)。表3中的渦北礦井單元的斷層容量維值，是代表其所在的礦井構(gòu)造單元中心點處的分維值，是將渦北井田斷裂網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜程度的量化，將各單元中心的坐標(biāo)和該單元斷層容量維數(shù)據(jù)輸入電腦，運(yùn)用Surfer軟件生成渦北煤田斷層容量維等值線圖，見圖4。

圖4 渦北井田斷層容量維等值線圖

從圖4看出，斷層系的分維值較好地反映出渦北井田構(gòu)造的復(fù)雜程度。渦北礦區(qū)褶皺構(gòu)造基本上不發(fā)育，用渦北井田斷層分維值的評價能很好的定量化渦北井田的構(gòu)造復(fù)雜程度。渦北井田斷裂的分維值大多數(shù)處于1.0～1.6，表明渦北井田的總體構(gòu)造特征是較為復(fù)雜的，但渦北井田構(gòu)造復(fù)雜性具有區(qū)域之間不均衡的特點，在較為復(fù)雜的總體背景上存在著多個相對比較簡單的區(qū)域。通過對渦北礦井的構(gòu)造復(fù)雜程度進(jìn)行分析可以看出渦北井田北部地段的分維值變化程度比較大，分布區(qū)間主要為0～1.5，低值區(qū)主要有3個，分別為北部西側(cè)(圖4中單元01、02、06、07、11和12)、北中部(圖4中單元08和13)和北東部(圖4中單元05、10、14和15)區(qū)域。西側(cè)低值區(qū)分布范圍為F8斷層以東、劉樓斷層以南。分維值一般小于1，表明構(gòu)造較為簡單，煤層產(chǎn)狀較為穩(wěn)定，其多數(shù)區(qū)域可實現(xiàn)綜采;NW部分維低值區(qū)位于F63斷層以東、分維值也是一般小于1;中部低值區(qū)位于F22斷層與F8斷層之間的區(qū)域，范圍比較小。渦北礦區(qū)南部區(qū)域構(gòu)造復(fù)雜程度相對較高，分維值一般均在1.5左右，不利于使用綜采，只能進(jìn)行其他方式開采，僅在采區(qū)的南部西側(cè)(圖4中單元29、33和37)分維值略低，相對來說是較為簡單的區(qū)域。而且本次評價中主要考慮的是斷層因素，該區(qū)域內(nèi)發(fā)育了較多的次級褶皺構(gòu)造，復(fù)雜程度相對較高。

4 結(jié)論

1)渦北煤礦礦井構(gòu)造復(fù)雜程度主要體現(xiàn)在斷裂構(gòu)造上，斷裂構(gòu)造較為發(fā)育的區(qū)域也就成為構(gòu)造復(fù)雜區(qū)，而褶皺基本不發(fā)育，相比其他評價方法如模糊評判等評價方法，用分維值能評價渦北井田構(gòu)造復(fù)雜程度是比較有效的。

2)渦北煤礦構(gòu)造以中等構(gòu)造和復(fù)雜構(gòu)造為主，前者17個塊段，面積占全區(qū)42%;后者為6個，面積占全區(qū)15%，前者適合利用綜采工藝開發(fā)。后者為構(gòu)造復(fù)雜類型，具有塊段多面積小的特點，只能采取其他的開采或非正規(guī)開采。而分維值低于1的簡單塊段為17個，可使用綜采。

［1］ 劉 磊，姜 波.巨野煤田趙樓井田構(gòu)造發(fā)育規(guī)律［J］.中國煤炭地質(zhì)，2009，21(4)：358－363.

［2］ 徐鳳銀，魏銘康.礦井構(gòu)造預(yù)測與評價的理論、方法及其應(yīng)用［M］.北京：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1993：103－105.

［3］ 汪吉林，姜 波.鮑店煤礦礦井構(gòu)造復(fù)雜程度評價［J］.中國煤炭地質(zhì)，2008，10(25)：134－136.

［4］ 李耀民.基于構(gòu)造構(gòu)造控制的地應(yīng)力預(yù)測理論與方法［D］.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)，2009.

［5］ 王 偉.朱仙莊礦斷裂分形研究及其對瓦斯賦存的控制［J］.中國煤炭地質(zhì)，2010(5)：42－43.

Analysis on Geological Structure Features and Complicated Degree Evaluation in Wobei Mine

Cheng Jian，Dou Xin－zhao，Wang Wei，Zhang Chun－guang，Hu Guang－qing

On the basis of the analysis and statistics of the coal mine geology exploration and mining information system in Wobei mine，the mine tectonic structure has been deeply evaluated based on the fractal theory and methods.The evaluation results show that the main factors which influence the complicated degree of Wobei mine structure are the fracture structure and fold structure which are basically not development，so compared to other tectonic evaluation method，fractal evaluation method is more reasonable and convenient method;F26fault south area of the mine in the central and the southern are the two complex structure areas，their fractal dimension are both more than 1.5;it may be bad for using the full－mechanized mining，other mining method or informal mining can be used.

Wobei mine;Fault;Complex degree;Fractal dimension;Mine structure;Quantitative evaluation

TD163

A

1672－0652(2011)11－0017－04

2011－10－18

程 建(1987—)，男，山東寧陽人，2009級中國礦業(yè)大學(xué)在讀碩士研究生，主要從事煤田地質(zhì)方面的研究(E －mail)sdny05@163.com