融合突水系數(shù)和斷裂構(gòu)造分維值的工作面底板突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

韓 璐，韓 進(jìn)，趙冠宇，劉天浩，李維康

(1.山東科技大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，山東青島 266590；2.山東科技大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，山東青島 266590)

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融合突水系數(shù)和斷裂構(gòu)造分維值的工作面底板突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

韓 璐1，韓 進(jìn)2，趙冠宇1，劉天浩1，李維康1

(1.山東科技大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，山東青島 266590；2.山東科技大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，山東青島 266590)

針對(duì)北皂煤礦H2108工作面開(kāi)采受底板中砂巖突水威脅的現(xiàn)狀，在綜合分析工作面水文地質(zhì)特征和底板突水危險(xiǎn)性影響因素的基礎(chǔ)上，為解決突水系數(shù)法評(píng)價(jià)煤層底板突水危險(xiǎn)性的局限性，提出運(yùn)用信息融合的方法將突水系數(shù)與斷裂構(gòu)造分維值相融合，對(duì)工作面開(kāi)采突水的可能性進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)，并對(duì)煤層底板突水的危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行分區(qū)與預(yù)測(cè)，得出了北皂煤礦H2108工作面總體能實(shí)現(xiàn)安全開(kāi)采的結(jié)論，給出了工作面安全開(kāi)采底板突水防治措施。

突水系數(shù)；斷裂構(gòu)造分維；底板突水評(píng)價(jià)

0 言

隨開(kāi)采深度、強(qiáng)度和規(guī)模的不斷擴(kuò)大，礦井底板突水的防治成了煤礦安全生產(chǎn)迫切需要解決的問(wèn)題[1]。在研究底板突水過(guò)程中，提出了多種突水評(píng)價(jià)方法與理論，主要包括突水系數(shù)法、原位張裂與零位破壞理論、強(qiáng)滲通道說(shuō)、巖水應(yīng)力關(guān)系說(shuō)、關(guān)鍵層理論、“下三帶”理論、“下四帶”理論、突變理論、“突水優(yōu)勢(shì)面”理論等[2-10], 這些方法和理論都是隨著科學(xué)技術(shù)進(jìn)步而不斷地發(fā)展和豐富的。信息融合技術(shù)是20 世紀(jì)80 年代形成和發(fā)展起來(lái)的一種自動(dòng)化信息綜合處理技術(shù)[11]，將其應(yīng)用于礦井水害防治,已成為底板突水預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)研究的方向。影響研究區(qū)底板突水的主要因素[12]有：含水層富水性、地質(zhì)構(gòu)造、隔水層厚度、含水層水壓、礦山壓力、底板巖性組合等，針對(duì)影響底板突水因素具有量綱不一、定性、定量并舉的技術(shù)難點(diǎn)，本文運(yùn)用信息融合的方法，將突水系數(shù)和斷裂構(gòu)造分維值相互融合，獲得研究區(qū)底板突水危險(xiǎn)性綜合分區(qū)圖，指導(dǎo)煤礦安全生產(chǎn)。

1 礦井地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

北皂煤礦位于山東省龍口市區(qū)西北處，總體構(gòu)造形態(tài)為向東南傾伏的褶曲構(gòu)造，次級(jí)褶曲發(fā)育，褶曲軸短，斷層密集，均為正斷層，多呈雁行式排列，構(gòu)造類(lèi)型屬于中等。北皂煤礦H2108工作面位于井田的近中部，開(kāi)采煤層為煤2。煤層的直接頂板為17.74 m的含油泥巖，直接底板為5.37 m的泥巖，影響煤層安全開(kāi)采的含水層為厚度6.2 m的底板中砂巖(圖1)。

根據(jù)井田抽水試驗(yàn)資料，q=0.0872 ～0.1320 L/(s·m)，屬于弱-中等富水性。由于H2108工作面底板隔水層較薄， 需要對(duì)工作面開(kāi)采的突水可能性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

圖1 北皂煤礦H2108工作面柱狀Figure 1 Columnar section of Beizao coalmine working face H2018

2 工作面底板突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

2.1 突水系數(shù)計(jì)算

根據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》[13]，突水系數(shù)計(jì)算公式為：

(1)

其中：T為突水系數(shù)，MPa/m；P為隔水層底板承受水壓，MPa；M為底板隔水層厚度，m。突水系數(shù)的臨界值：即正常地質(zhì)塊段不大于0.10 MPa/m，構(gòu)造破壞塊段不大于0.06 MPa/m。

根據(jù)北皂煤礦鉆孔資料及礦井充水性圖,利用突水系數(shù)計(jì)算公式(1)計(jì)算，并借助Surfer軟件繪制出煤2底板突水系數(shù)等值線圖(圖2)。

圖2 北皂煤礦煤2底板突水系數(shù)等值線Figure 2 Isogram of Beizao coalmine coal No.2 floor water bursting coefficient

2.2 斷裂構(gòu)造分維特征

井田內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育，導(dǎo)致煤巖層中儲(chǔ)存著大量的裂隙水。井田內(nèi)的含水層從上至下主要有：第四系砂礫層含水層，煤1、煤2底板砂巖含水層，煤3至煤4間砂巖含水層。其中煤2底板砂巖含水層是開(kāi)采煤2的間接充水含水層。

開(kāi)采煤層時(shí)，煤層頂板冒裂帶范圍內(nèi)的砂巖、泥灰?guī)r等含水層水為涌入礦井的直接水源。在斷層影響層間距減小情況下，采掘及工作面開(kāi)采有可能直接揭露各含水層，發(fā)生突水事故。由于斷裂構(gòu)造對(duì)底板砂巖裂隙發(fā)育及其富水性起著重要的控制作用，所以本井田斷裂構(gòu)造復(fù)雜程度是工作面底板突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)。本文采用斷裂構(gòu)造分維值[14]定量化描述斷裂構(gòu)造的復(fù)雜程度。

首先以構(gòu)造綱要圖為底圖，建立坐標(biāo)，記錄下該范圍的左下角和右上角坐標(biāo)。此次計(jì)算選取的左下角坐標(biāo)為 (0，0)，右上角坐標(biāo)為 (70，80)，并劃分出56個(gè)塊段，篩選出有效塊段為39個(gè)，統(tǒng)計(jì)每一個(gè)塊段內(nèi)斷裂構(gòu)造的數(shù)量。將每一個(gè)含斷裂構(gòu)造的塊段分別縮小為原先的1/2和1/4(即令r=1/2和r=1/4)，然后分別數(shù)出r=1/2和r=1/4時(shí)的斷裂構(gòu)造數(shù)量N(r)值。由相似維定義式[15]：

(2)

統(tǒng)計(jì)計(jì)算得到個(gè)塊段的分維值。

把塊段的分維值賦給該塊段的中心點(diǎn)，然后用Surfer軟件進(jìn)行樣條插值，繪制出煤層底板斷裂構(gòu)造分維等值線圖(圖3)。分維值的大小與疏密反映了斷裂帶分布的復(fù)雜程度，在斷裂帶發(fā)育的區(qū)域，構(gòu)造越復(fù)雜，斷裂構(gòu)造分維值越大，等值線越密集。

圖3 煤層底板斷裂構(gòu)造分維等值線Figure 3 Isogram of coal floor faulted structure fractal dimension value

根據(jù)分維值(D)的大小，將斷裂構(gòu)造的復(fù)雜程度劃分為3個(gè)不同的等級(jí)，分別為：復(fù)雜、中等、簡(jiǎn)單，即，分維值小于1.0的為簡(jiǎn)單構(gòu)造區(qū)，分維值在1.0～1.2的為中等構(gòu)造區(qū),分維值大于1.2的為復(fù)雜構(gòu)造區(qū)。

從圖4中可以看到：(1)井田西北部地區(qū)等值線稀疏且分維值不高，說(shuō)明斷裂分布稀疏；(2)井田中部等值線疏密不均，局部密集，形成封閉的高值區(qū)，說(shuō)明斷裂分布不均勻，以密集成帶為特點(diǎn)；(3)井田西南部、東北部和東部，等值線密集，分維值變化不大，說(shuō)明斷裂分布均勻，但分維值很小，說(shuō)明斷層和褶曲較少。

2.3 底板突水危險(xiǎn)性綜合評(píng)價(jià)

若僅采用突水系數(shù)法評(píng)價(jià)底板突水危險(xiǎn)性，方法過(guò)于單一性，本文采用突水系數(shù)和斷裂構(gòu)造分維值相融合來(lái)綜合評(píng)價(jià)底板突水危險(xiǎn)性[16]。

具體的評(píng)價(jià)做法是：將井田的突水系數(shù)等值線圖(圖2)與斷裂構(gòu)造分維等值線圖(圖3)進(jìn)行疊加，具體的融合規(guī)則見(jiàn)圖4，由此得到煤層底板突水危險(xiǎn)性分區(qū)圖(圖5)。

圖4 突水系數(shù)與斷裂構(gòu)造分維值融合規(guī)則Figure 4 Data fusion regulation of water bursting coefficient and faulted structure fractal dimension value

圖5 北皂煤礦煤2底板突水危險(xiǎn)性分區(qū)Figure 5 Beizao coalmine coal No.2 floor water bursting hazard partitioning

圖6中Ⅰ區(qū)為安全區(qū)，分布在東部、西北部以及中部偏北區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育程度低，且突水系數(shù)較小，故突水可能性較小。Ⅱ區(qū)為較危險(xiǎn)區(qū)域，該區(qū)位于井田北部、中部的部分區(qū)域和西南部，斷裂構(gòu)造較發(fā)育，因此具有較大的突水可能性。Ⅲ區(qū)為突水危險(xiǎn)區(qū)，分布在井田中部和西南部的部分區(qū)域，該區(qū)域斷裂構(gòu)造復(fù)雜，有多條斷層與褶皺匯集于此，造成區(qū)域內(nèi)巖體破碎，且突水系數(shù)較高，也最易發(fā)生突水事故。

由圖3可看出H2108工作面底板突水系數(shù)小于臨界值0.06 MPa/m，屬于安全區(qū)，然而根據(jù)圖6，可見(jiàn)H2108工作面絕大部分屬于安全區(qū)，但在東部一角屬于較危險(xiǎn)區(qū)。

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Working Face Floor Water Bursting Hazard Assessment through Data Fusion of WaterBursting Coefficient and Faulted Structure Fractal Dimension Value

Han Lu1, Han Jin2, Zhao Guanyu1, Liu Tianhao1and Li Weikang1

(1.College of Earth Science and Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao, 266590;2.College of Computer Science and Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao, Shandong 266590)

In allusion to the status quo of the Beizao coalmine working face H2108 mining threatened by floor sandstone aquifer water bursting, on the basis of working face hydrogeological features and floor water bursting hazard impacting factor integrated analysis, to avoid limitations from water bursting coefficient method coal floor water bursting hazard assessment, put forward the data fusion of water bursting coefficient and faulted structure fractal dimension value. Then comprehensively assessed working face mining water bursting possibility and carried out coal floor water bursting hazard area partitioning and prediction. The conclusion is that the working face safe mining can be realized, and working face floor water bursting control measures worked out.

water bursting coefficient; faulted structure fractal dimension; floor water bursting assessment

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.06.10

1674-1803(2017)06-0055-03

國(guó)家自然科學(xué)基金(41572244)；教育部高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)科研基金(20133718110004)；山東省自然科學(xué)基金(ZR2015DM013)。

韓璐(1993—)，女，山東菏澤人，在讀碩士研究生，現(xiàn)從事礦井水害防治研究工作。

2017-01-12

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責(zé)任編輯：樊小舟