張騰飛　王濤　岳磊

摘要：?jiǎn)卧獦?gòu)造復(fù)雜程度綜合系數(shù)方法、構(gòu)造分形方法、構(gòu)造曲率法三種煤層構(gòu)造定量分析評(píng)價(jià)的方法，有助于提高瓦斯突出危險(xiǎn)區(qū)域預(yù)測(cè)，并在根據(jù)不同程度構(gòu)造背景采取相對(duì)應(yīng)的防治措施，避免煤礦災(zāi)害的發(fā)生。

關(guān)鍵詞：地質(zhì)構(gòu)造；構(gòu)造分形；構(gòu)造曲率；定量分析

煤與瓦斯突出常發(fā)生在地質(zhì)構(gòu)造破壞地帶已為大量實(shí)踐所證實(shí)，煤與瓦斯突出的危險(xiǎn)性與地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度有密切的關(guān)系[1]。礦區(qū)構(gòu)造特征控制煤與瓦斯突出的分布，構(gòu)造的分級(jí)、分區(qū)和分帶造成煤與瓦斯突出分布的不均衡[2]，研究突出危險(xiǎn)性與地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度間的關(guān)系，對(duì)于煤與瓦斯突出區(qū)域性預(yù)測(cè)具有很現(xiàn)實(shí)的意義。目前隨著對(duì)煤礦安全要求逐漸提高，瓦斯突出區(qū)域性預(yù)測(cè)也需更加準(zhǔn)確，定量評(píng)價(jià)較之前的定性評(píng)價(jià)具有更準(zhǔn)確的特點(diǎn)，本文對(duì)目前幾種煤礦地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度定量評(píng)價(jià)作簡(jiǎn)要介紹和探討。

1. 理論與方法

1.1單元構(gòu)造復(fù)雜程度綜合系數(shù)

影響煤與瓦斯突出的地質(zhì)因素主要包括斷層、褶皺和傾角，B.B.魯基諾夫提出了綜合評(píng)定方法——構(gòu)造復(fù)雜程度綜合系數(shù)法[3]。該方法分別評(píng)定斷層、褶皺和傾角的復(fù)雜程度，最后將這3個(gè)系數(shù)綜合得出構(gòu)造復(fù)雜程度綜合系數(shù)。

1.1.1斷層復(fù)雜程度系數(shù)

該系數(shù)是計(jì)算單元內(nèi)所有斷層的斷距同斷層長(zhǎng)度的乘積之和與單元

面積的比值， 以下式表示： 式中K斷——斷層復(fù)雜程度；H——斷層斷距；L——斷層長(zhǎng)度；S——單元面積。

1.1.2褶皺復(fù)雜程度系數(shù)

該系數(shù)定義為單元內(nèi)所有等高線的長(zhǎng)度和該單元內(nèi)各條等高線兩端點(diǎn)之間的最短距離的差與這條等高線長(zhǎng)度的比，以下式表示：

1.1.3傾角復(fù)雜程度系數(shù)

該系數(shù)定義為計(jì)算單元內(nèi)煤層的最小傾角和最大傾角之和除以180o，即：

1.1.4構(gòu)造復(fù)雜程度綜合系數(shù)

1.1.5研究方法

以上給出的定量評(píng)價(jià)分析構(gòu)造復(fù)雜程度系數(shù)的方法屬于統(tǒng)計(jì)分析方法，在實(shí)際生產(chǎn)中，可將計(jì)算區(qū)劃分為一系列面積相等的正方形網(wǎng)格計(jì)算單元，單元的劃分可根據(jù)具體情況確定。該方法可在地質(zhì)勘探圖件上進(jìn)行[1]。

1.2構(gòu)造分形理論與方法

分形幾何學(xué)將不規(guī)則形態(tài)的幾何體集合視為分形體，按分形幾何學(xué)的方法定量求得分形體空間分布特征的重要參數(shù)——分維，從而有效地刻畫出幾何體的形態(tài)[4]，分形的定義式為：

式中r——標(biāo)度；N（r）——該標(biāo)度下所測(cè)得的量值；D——分維值。

該方法給煤中斷裂的定量研究提供了一種全新方法。利用該方法結(jié)合礦區(qū)資料所得分維等值線圖能夠有效地反映煤中斷裂分布的復(fù)雜程度、分布范圍和展布方向，分維值是煤中斷裂分布長(zhǎng)度、條數(shù)和分布均勻程度等參數(shù)的綜合指標(biāo)[5]。

1.2.1研究方法

研究采用計(jì)盒維數(shù)法，在煤層底板等高線圖上的構(gòu)造資料為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算。

（1） 選取邊長(zhǎng)r的正方形網(wǎng)格覆蓋研究區(qū)，每個(gè)正方形網(wǎng)格作為一個(gè)統(tǒng)計(jì)樣本，對(duì)每個(gè)網(wǎng)格所圈閉的格子進(jìn)行編號(hào)，記錄每個(gè)方格的中心坐標(biāo)；

（2） 在每個(gè)樣本內(nèi)用ri=r/2、r/4、r/8、r/16正方形網(wǎng)格分別統(tǒng)計(jì)斷裂穿過(guò)的網(wǎng)格數(shù)N（r）1、N（r）2、N（r）3、N（r）4。在lg（r）與lgN（r）坐標(biāo)系中作回歸擬合直線，其斜率即為分維值D，同時(shí)求得相關(guān)系數(shù)R，依次類推，求得各塊段的分維值D和相關(guān)系數(shù)R2。

（3） 繪煤層斷裂構(gòu)造分形維數(shù)等值線。

1.3構(gòu)造曲率理論與方法

數(shù)學(xué)上，曲率描述的是曲線上任意一點(diǎn)的彎曲程度，曲率越大則曲線越彎曲。煤層的彎曲程度等地質(zhì)信息可由礦井底板等高線的變化反映出來(lái)。當(dāng)巖層受到構(gòu)造應(yīng)力擠壓時(shí)，水平巖層會(huì)沿某一方向發(fā)生彎曲，中性面以上區(qū)域主要受張應(yīng)力作用，而中性面以下則主要受壓應(yīng)力影響，假設(shè)構(gòu)造曲率在向斜為負(fù)而背斜為正，構(gòu)造應(yīng)力從擠壓應(yīng)力向拉張應(yīng)力過(guò)渡，則構(gòu)造曲率的表達(dá)式為[6]：

2. 分析探討

單元構(gòu)造復(fù)雜程度綜合系數(shù)方法從斷層、褶皺、傾角的角度定量分析構(gòu)造的復(fù)雜程度，具有良好的使用效果但該方法對(duì)于煤礦瓦斯突出危險(xiǎn)區(qū)域預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性主要取決于對(duì)地質(zhì)構(gòu)造情況的掌握程度，對(duì)煤田構(gòu)造查明程度要求很高，低成本下較難實(shí)現(xiàn)。構(gòu)造分形方法相對(duì)于前者僅對(duì)斷裂系統(tǒng)進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，但其對(duì)構(gòu)造的定量評(píng)價(jià)的分維值可以反應(yīng)斷裂多個(gè)特征，是煤中斷裂分布長(zhǎng)度、條數(shù)和分布均勻程度等參數(shù)的綜合指標(biāo)，可在一定成度下反映煤層構(gòu)造復(fù)雜程度。構(gòu)造曲率法是對(duì)煤層頂?shù)装宓钠鸱澢潭榷糠治?，相?duì)與前兩種方法構(gòu)造曲率法具有煤田構(gòu)造查明程度要求低，低成本下容易實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)。低于煤層開(kāi)采初期構(gòu)造定量評(píng)價(jià)具有良好的實(shí)用性和效果。

3. 結(jié)論

本文列舉并探討了單元構(gòu)造復(fù)雜程度綜合系數(shù)方法、構(gòu)造分形方法、構(gòu)造曲率法三種煤層定量分析評(píng)價(jià)的方法，煤田在不同構(gòu)造復(fù)雜程度下采用相應(yīng)的定量評(píng)價(jià)，有助于幫助煤炭開(kāi)采過(guò)程中，根據(jù)不同程度構(gòu)造背景采取相對(duì)應(yīng)的防治措施，避免煤礦災(zāi)害的發(fā)生。

參考文獻(xiàn)：

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[2] 劉彥偉，陳攀，魏建平.煤層地質(zhì)構(gòu)造對(duì)煤與瓦斯突出的控制作用[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2010，38（01）：24-27

[3] B.B魯基諾夫，袁崇孚.為確定煤層突出危險(xiǎn)性對(duì)構(gòu)造條件的綜合評(píng)定[J].中州煤炭，1992，03：47.

[4] K.Falconer著，曾文曲等譯.分形幾何—數(shù)學(xué)基礎(chǔ)及其應(yīng)用.沈陽(yáng)[M]：東北大學(xué)出版社，1993.

[5] 陳江峰，胡誠(chéng).煤中斷裂分布的分形特征[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，1999，27：07-08.

[6] 申建，傅雪海，秦勇，等.平項(xiàng)山八礦煤層底板構(gòu)造曲率對(duì)瓦斯的控制作用[J].煤炭學(xué)報(bào)，2010，35（04）：586-589.