礦井構(gòu)造分型定量評(píng)價(jià)與突水耦合分析

鞏起立

摘 要：構(gòu)造分定量的評(píng)估結(jié)果以及礦井突水都具有很顯著的關(guān)系，分維值的構(gòu)造越是比較復(fù)雜的，突水分布就越是比較集中，耦合關(guān)系也證明了礦井突水在一定程度上受到了地質(zhì)構(gòu)造的影響，突水點(diǎn)的空間展布和礦井西部高分維值的分布范圍也一致。采用容量維對(duì)井田構(gòu)造復(fù)雜程度進(jìn)行合理定量評(píng)價(jià)機(jī)制，可以很好反映井田構(gòu)造復(fù)雜程度問題。

關(guān)鍵詞：礦井構(gòu)造;分型定量;突水耦合

礦井突水的關(guān)鍵因素之一便是地質(zhì)構(gòu)造，同時(shí)對(duì)于礦井水文地質(zhì)條件也有著控制的作用，在研究中發(fā)現(xiàn)，關(guān)于構(gòu)造復(fù)雜程度定量評(píng)價(jià)和突水內(nèi)容聯(lián)系問題研究比較少，通過對(duì)于構(gòu)造分部規(guī)律研究，進(jìn)而對(duì)其相互之間耦合關(guān)系的分析顯得尤為重要。

1 礦井突水機(jī)制研究重點(diǎn)

某井田走向長(zhǎng)為10.6km，寬在3.2～8.5km之間，整個(gè)區(qū)中沒有基巖出露，上面覆蓋著新近系、第四系及古近系的沖積層，主要地層從老到新分別為石炭系、奧陶系、古近系及第四系等。從位置上來(lái)看，該井田在另外一個(gè)礦區(qū)的向斜西南端，為一條弧形的單斜構(gòu)造，地層傾角北部陡一些，傾角在20°～30°的范圍內(nèi)，中東部比較緩，在7°～15°之間，目前已經(jīng)查出了2個(gè)較大褶曲，共有92條斷距大于等于10m的斷層，基本上已經(jīng)控制了井田的構(gòu)造格局。該井田水文地質(zhì)邊界條件幾乎和礦區(qū)一致，具有壓扭的性質(zhì)，通過抽水試驗(yàn)，證明了其有著阻水性質(zhì)。煤層隱伏的表露區(qū)是西南部，下伏到了新生界松散層以下，南側(cè)則有著區(qū)域性斷裂隔阻，切斷了斷層以南地區(qū)的水利聯(lián)系，北部則是開放邊界，但是地下的水徑流卻比較緩慢。由以上分析可以看出，此井田已經(jīng)受到了構(gòu)造活動(dòng)的影響，形成了很完整的封閉-半封閉水文地質(zhì)單元。從該井田的含水層和隔水層的特征看，新生界松散層可以分為3個(gè)隔水層和4個(gè)含水層，由于第三個(gè)隔水層厚度很大，分部也比較穩(wěn)定，與下部的四含和基巖含水層，兩者之間的水力聯(lián)系切斷，二疊系含水層裂隙不發(fā)育，總體的富水性不強(qiáng)，因此成為了礦井的直接沖水水源。下面以該井田為背景針對(duì)礦井構(gòu)造分型定量評(píng)價(jià)與突水耦合展開進(jìn)一步分析。

1.1 礦井突水是一種非常嚴(yán)重的井下災(zāi)害事故，給煤礦開采也帶來(lái)了很多危害，會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡問題，經(jīng)過多年對(duì)于涌水現(xiàn)象的研究，面對(duì)開采工作會(huì)出現(xiàn)很多涌水現(xiàn)象，如果不能合理治理，就逐步會(huì)發(fā)展成巷道涌水形式導(dǎo)致突水問題，同時(shí)這種現(xiàn)象在時(shí)間上是很難預(yù)測(cè)的，就會(huì)在安全上帶來(lái)很大威脅問題。

1.2 國(guó)內(nèi)外關(guān)于礦井突水機(jī)制研究主要集中在幾個(gè)方面，第一，水壓作為是外部荷載，考慮隔水層水效應(yīng)公式，可以對(duì)突水系數(shù)法進(jìn)行研究;第二，通過隔水底板采東和礦壓作用下變形和破壞來(lái)研究突水機(jī)制的力學(xué)模型問題，可以使用原位張裂和零位破壞理論模式;第三，使用系統(tǒng)為理論，多源信息復(fù)合分析理論方式進(jìn)行研究工作。

1.3 有的時(shí)候?qū)τ谕凰畣栴}解決會(huì)存在一定缺陷性和局限性，可以基于各個(gè)類型突水危險(xiǎn)性的影響因素綜合分析方法評(píng)價(jià)經(jīng)驗(yàn)建立模型，很多學(xué)者都發(fā)現(xiàn)耦合突水模擬有非常重要作用，但是理論上存在很多松散空隙問題，要對(duì)于滯后突水發(fā)生機(jī)制進(jìn)行合理分析。

1.4 根據(jù)理論分析可以看出巖體和地下水相互作用機(jī)制，同時(shí)建立應(yīng)力場(chǎng)和滲流場(chǎng)耦合數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用水頭壓力和巖體之間關(guān)系建立橋梁實(shí)現(xiàn)合理耦合，然后再進(jìn)行合理斷裂構(gòu)造滯后理論基礎(chǔ)研究工作。另外，將斷裂帶物質(zhì)看作流變材料，以巖體的流變模型為基礎(chǔ)，建立流變應(yīng)力場(chǎng)和滲流場(chǎng)進(jìn)行相互耦合模型對(duì)流，對(duì)于雙場(chǎng)耦合理論進(jìn)行補(bǔ)充和研究。還可以利用模擬計(jì)算方法，如果斷層物質(zhì)被假設(shè)為流變材料時(shí)候，可以對(duì)于流變和流滲進(jìn)行模擬計(jì)算，這樣就可以很好地確定斷裂構(gòu)造中最危險(xiǎn)滯后的突水時(shí)間問題。還可以對(duì)于變參數(shù)流變的耦合模型利用實(shí)驗(yàn)方法滲透一定系數(shù)和應(yīng)力的耦合關(guān)系，最終實(shí)現(xiàn)滲流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的偶合，也就是對(duì)于模型滲流參數(shù)變化進(jìn)行機(jī)制性解釋工作，通過一定編程語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)對(duì)于參數(shù)流變耦合條件研究，合理構(gòu)造滯后突水耦合機(jī)制模型。礦井?dāng)嗔褬?gòu)造帶滯后突水會(huì)直接威脅到煤礦深度開采工作，基于對(duì)于流水耦合理論的研究，要提出非常合理研究方法，更加深入對(duì)于礦井構(gòu)造分型定量評(píng)價(jià)和突水耦合進(jìn)行合理分析。

2 關(guān)于礦井的構(gòu)造分形定量評(píng)價(jià)

2.1 分形和分維的關(guān)系，分形幾何學(xué)研究的主要內(nèi)容是相似不規(guī)則曲線，或具有一定反演性的不規(guī)則圖形問題。對(duì)于地質(zhì)構(gòu)造，其實(shí)主要指自相性存在，在對(duì)斷裂構(gòu)造的研究中，斷層和節(jié)理斷層在幾何學(xué)和動(dòng)力學(xué)中有著相似性。

2.2 分形的一個(gè)非常重要的參數(shù)問題是分維，可以通過容量維對(duì)于礦井整體構(gòu)造進(jìn)而進(jìn)行精密定量評(píng)價(jià)的機(jī)制，會(huì)包括一個(gè)矩形，可以把這個(gè)矩形分成若干個(gè)小方格形式。

2.3 針對(duì)于構(gòu)造復(fù)雜的分形評(píng)價(jià)研究，斷層資料和底板等資料齊全，能夠利用煤層的采掘平面圖，用網(wǎng)格覆蓋法進(jìn)行計(jì)算，再進(jìn)行一定合理評(píng)價(jià)機(jī)制。所有的斷層容量維值數(shù)據(jù)都代表一定分維值，反映了斷裂網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜程度問題，還可以通過各種軟件制作斷面分維平面圖，對(duì)于各種數(shù)據(jù)，可以通過克里格法對(duì)其進(jìn)行加密的處理，最終找到斷層容量平面的分布圖。

2.4 井田構(gòu)造復(fù)雜的程度，通常可以通過一般斷層的分維值來(lái)反映，其復(fù)雜程度具有非常明顯的不對(duì)稱性，總體上也是比較復(fù)雜背景參數(shù)，從全部礦井構(gòu)造復(fù)雜程度分析可以看出，井田邊緣地區(qū)構(gòu)造都是比較簡(jiǎn)單的，各個(gè)分布取值都不一樣也和勘探揭露程度有一定關(guān)系。構(gòu)造中等發(fā)育期的分維值區(qū)間，也有著一定的范圍，通常會(huì)在構(gòu)造的復(fù)雜區(qū)與簡(jiǎn)單區(qū)的過濾處，一旦對(duì)其進(jìn)行綜合性評(píng)價(jià)，就會(huì)使得復(fù)雜程度更高。突水點(diǎn)空間展布以及井西部高分維值的分布也基本上一致，斷層附近構(gòu)造發(fā)育和地下水的富集，使得突水點(diǎn)位于小斷層的旁邊，由突水點(diǎn)位于大的斷層端部，在大的斷層影響帶范圍內(nèi)進(jìn)行一定合理研究。

3 構(gòu)造分型定量評(píng)價(jià)機(jī)制和礦井突水耦合分析

3.1 通過突水點(diǎn)的坐標(biāo)值把突水點(diǎn)投影到平面圖上，就能夠看到圖水電的平面分布圖，根據(jù)分析可以看住突水點(diǎn)可以采用影響多個(gè)分布方式對(duì)于煤層儲(chǔ)藏比較多的地方進(jìn)行合理區(qū)域性研究，但是構(gòu)造分形復(fù)雜的程度以及礦井突水也有明顯的耦合關(guān)系。

3.2 突水點(diǎn)及分布和分維的耦合關(guān)系，統(tǒng)計(jì)可以表明不同的突水點(diǎn)都具有不同的分維值，構(gòu)造簡(jiǎn)單的區(qū)域和構(gòu)造復(fù)雜區(qū)域突水點(diǎn)分維值也比較復(fù)雜，同時(shí)突水點(diǎn)也相對(duì)比較密集，這就說明了耦合關(guān)系在地質(zhì)構(gòu)造中對(duì)于礦井具有非常明顯的控制作用。

3.3 突水點(diǎn)的空間展布范圍，以及構(gòu)造展布特征之間的耦合關(guān)系，兩者之間的方向也可以相互吻合，這和斷層的多數(shù)性有著一定的關(guān)系。通過突水點(diǎn)位置和礦井構(gòu)造耦合關(guān)系的分析會(huì)發(fā)現(xiàn)，突水點(diǎn)的位置和斷層的聯(lián)系也是非常緊密的，很大一部分都在小斷層的附近。斷層附近構(gòu)造裂隙發(fā)育是主要的原因，地下水的富集會(huì)破壞煤層頂?shù)装宓膸r石強(qiáng)度，這也就大大降低了隔水層的隔水功能，所以極易在小的斷層密集區(qū)發(fā)生突水現(xiàn)象。

4 結(jié)論

根據(jù)分型定量的評(píng)價(jià)和對(duì)于斷層系分維值，基本上可以反映出對(duì)構(gòu)造復(fù)雜程度的分析研究，在一定的范圍內(nèi)，井田內(nèi)部分維值表明了總體結(jié)構(gòu)層全部相對(duì)復(fù)雜。礦井突水以及溝槽分形評(píng)價(jià)之間也存在著耦合的關(guān)系。假如分維值較大，突水點(diǎn)分布就會(huì)很密集，所以說耦合關(guān)系在一定程度上也體現(xiàn)出了地質(zhì)構(gòu)造對(duì)于礦井突水有著很明顯的控制作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]張春光，姜波，朱慎剛.礦井構(gòu)造分形定量評(píng)價(jià)與突水耦合分析[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2011（05）：40-43.

[2]魏大勇，王飛，許進(jìn)鵬，許慶青.基于分形與模糊綜合評(píng)價(jià)法的礦井突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)[J].煤礦安全，2013（08）：184-186.