新集煤礦地質構造發育特征及充水因素分析

王沙沙　宋寶來　林禮祺

摘要：本文以永春縣新集煤礦為例，針對其水患現狀，在分析研究區地質、水文地質特征、構造特征的基礎上，用分維理論定量分析了礦井斷層構造的空間發育特征，分析了礦井充水因素及潛在的水害威脅，并給出了相應的建議，對于礦井安全生產具有一定的理論和現實意義。

關鍵詞：構造；分維理論；充水因素

中圖分類號：TD745 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）44-0106-02

一、引言

礦井水是影響煤礦安全生產的重要危險源之一，應全面分析充水因素，合理、科學地預測礦井水害威脅類型及程度，才能為煤礦安全開采提供保障。利用礦井構造的分維理論能夠定量分析斷裂構造空間展布的復雜程度，分維值可以綜合體現構造跡線的發育規模、疏希多寡、組合展布方式等特征。本文在綜合分析研究區的水文地質條件的基礎上，詳細搜集永春縣新集煤礦構造及水文資料，利用分形理論的相關研究方法對斷裂構造進行定量評價，最后指出了潛在的水害因素，并給出相應的建議。

二、礦井地質及水文地質概況

新集煤礦位于永春縣境內，礦區地貌為中低山型侵蝕構造類型。地勢總體上北東部位較高，向西南逐漸變低，地形復雜，基巖陡坎，溝谷切割深。井田內出露的地層為二疊系下統童子巖組地層，本井田內所揭露的含煤地層包括童子巖組第三段（P1t3）、第二段（P1t2）和第一段（P1t1）。

含水層（組）主要包括第四系含水巖組和二疊系下統童子巖組含水巖組。二疊系下統童子巖組第二段地層為主要隔水巖組。區內構造較復雜，斷層較為發育。小型斷層及褶皺對巷道滲水影響較大。所揭露的巷道，頂板滴水主要位于裂隙帶附近，而其余巷道頂板干燥或偶滴水。

研究區地下水的補給來源主要為大氣降水，大氣降水通過包氣帶以活塞式及捷徑式兩種入滲方式下滲，對第四系松散沉積物及風化帶中的孔隙、裂隙潛水含水層補給，層層遞進最終補給到基巖裂隙水，這個過程中斷層及后期形成的構造裂隙是主要的導水通道，也是大氣降水向礦井排泄的部分途徑之一。礦井淺層的地下水主要以泉水形式從低洼溝谷等處排出，由于多年開采的影響，礦區大部分泉點已接近枯竭。

礦區斷層裂隙等構造是重要的充水因素，雖然大部分斷層含、導水性都較弱，但斷層分布的隨機性及不均一性等都有可能使之成為礦井充水通道。除此之外，礦井的延續開采會打破礦體周圍巖體的力學平衡狀態，斷層的水文地質特征、含導水性等都有可能發生變化，一旦斷層切割到了含水層，就有可能導通含水層與工作面，此時斷層導水的威脅比較大。

三、礦區地質構造分形特征研究

1.礦井構造規律量化研究。目前國內外對斷層、節理及顯微斷裂構造等復雜程度的研究逐漸由定性向定量定性相結合的方向轉變，其中定量評價方面，大多是依據構造在幾何特征、運動學理論和動力力學特征等方面具有統計學的自相似性，利用顯微規模的斷裂構造分析來推測研究宏觀規模的斷裂，或借助宏觀的區域性和礦區范圍內的斷裂構造來推測、研究井田、礦井范圍內的斷裂構造特征，這即為分形思想在定量分析斷裂構造特征時的具體應用。目前，礦井構造的分維評價在一些礦井研究中的應用卓有成效，日益受到人們的重視。

2.構造分維值的計算方法。分形理論是近年來新興發展起來的一門新學科。分形是指系統具有“自相似性”和“分數維度”。不管用什么類型和大小的尺度去測量，不論是從時間角度或者空間角度上看，物體的形狀都是相似的；系統的局部同整體性質相似，為沒有特征尺度的自相似的結構。同樣在統一對象的各個部分之間或者不同整體之間，彼此也都具有較高的自相似性。但自相似性的表現形式通常是十分復雜的，簡單地放大一定倍數并不能完全和整體重合。

本文所用的數盒子法是對斷裂分形圖形進行分維值計算中較為有效且廣泛應用的方法。數盒子方法具體為：首先用邊長為r的正方形盒子覆蓋構造圖形，由于構造分形圖形并不是連續面狀覆蓋分布的，故會出現一些空的盒子，也會有部分盒子遮進了圖形的一少部分，數點非空盒子總個數，記為N（r）。不斷級數倍的減小格子的邊長，使r=r0/2、r0/4、r0/8、r0/16，與邊長r相對的N（r）將不斷增大，統計每一個通過構造跡線的格子數目N（ri）。投放到lgN（r）-lgr坐標系中擬合出一條直線，該擬合直線斜率的絕對值即為該塊段的斷層分維值，以此為指標定量計算構造的分維數。

本文以煤層底板等高線為基礎圖，用大小為100m×100m的格子將井田劃分區塊，并依次將非空格子編號，后將每個格子劃分為100m×100m、50m×50m、25m×25m的小格子，并分別算出每個級別小格子里中斷層跡線的條數，利用分維理論分別求出相關系數及特征值，利用計算機軟件繪制出井田斷層分維值等值線圖（見圖1）。

分析計算所得數據及所做的等值線圖，總結可知。

（1）研究區內斷層分維值為0.4551-1.2772，各單元分形維數的相關系數均大于0.8771，說明斷層跡線的分布在所選擇的標度下表現出較高的自相似性，線性擬合關系良好。

（2）井田內斷層跡線分維值變化較為規律，等值線整體變化趨勢與主體斷層跡線展布情況一致：斷層長度較大，斷層分布密集的部位，分維值較大，如井田北部鉆孔K28以北地區；斷層稀疏，分布相應較少的部位，斷裂構造不發育，分維值低，復雜程度相對簡單，如井田東南部鉆孔K91～K2連線以南。其余大斷層分布較少的地區，分維值大小居中，構造復雜程度中等；而在研究區內幾組大斷層相互交錯的地方，斷層的分維值都較大，斷裂構造發育程度復雜。

四、結論與建議

1.結論。本文分析了永春縣新集煤礦地質及水文地質特征，對礦井的充水條件進行了詳細的分析、歸納與總結，并利用分維分形理論，定量分析了斷層的發育情況，得出下列結論：（1）煤系地層受兩組斷裂切割。礦井開拓范圍內可見的斷層可分為二組：一組以北東向逆斷層為主，如西北邊界的F48、F49號斷層；另一組為北西向正斷層，如F18號斷層和南界的F25號斷層。斷層的發育破壞了煤層分布的連續性及本身和圍巖的穩定性。斷層雖大部分為弱導水性，但隨著開采的進行，仍有活化的可能性，是重要的充水因素。（2）利用分形理論統計分析作圖可知：①斷層分布密集的部位，分維值較大，如研究區北部。②斷層稀疏，分布相應較少的部位，分維值低，如研究區東南部。③井田內斷層跡線分維值變化較為規律，等值線整體變化趨勢與主體斷層跡線展布情況一致。

2.建議。礦山目前沒有存在水害隱患，但隨著時間的推移，開采條件會發生變化，斷層也會進一步發育。因此，礦山在今后開采中，必須做好以下幾方面的防治水措施：（1）礦井開采過程中應進行必要的超前探水，配備探放水設備，對可疑地段必須認真執行規程中規定的相關探放水原則。（2）加強礦山地質勘察、水文地質監測等工作，詳細搜集有關井巷工程、斷裂破碎帶等位置資料，水文地質動態及鉆孔涌水量變化的資料，預防老空積水區同開采井巷因斷層活化導水而發生水力連通；雨季要加強地表巡查，若發現地面沉陷坍塌、地裂縫等隱患應及時采取有效防范措施。

參考文獻：

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