首山一礦己組煤層地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度研究

孫向成 張友誼

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083；2.中國平煤神馬能源化工集團有限責(zé)任公司，河南省平頂山市，467000)

礦井地質(zhì)構(gòu)造是影響煤礦生產(chǎn)的重要因素之一，不僅制約著礦井采區(qū)、巷道的布置，同時也是誘發(fā)煤與瓦斯突出、礦井涌水等事故的重要原因。大量研究表明，煤與瓦斯突出經(jīng)常發(fā)生在斷層、褶皺軸部等地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜帶，造成大量人員傷亡和財產(chǎn)損失，準(zhǔn)確評價礦井地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度對礦井安全生產(chǎn)具有重要意義。目前，應(yīng)用于礦井地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜度定量評價的數(shù)學(xué)方法有熵函數(shù)法、灰色理論法及等性塊段法等，但這些方法由于主觀性太強而具有一定的局限性。等性塊段法計算方法過于簡單，在指標(biāo)賦值方面具有較大的經(jīng)驗性；熵函數(shù)法、灰色理論法對模糊的事物不能充分評價，這些因素都會使評價結(jié)果與實際相差較大，而模糊綜合評價法是基于指標(biāo)數(shù)據(jù)對模糊對象進行系統(tǒng)評價，能較為客觀、準(zhǔn)確地反映地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度。本文依據(jù)平頂山首山一礦礦井生產(chǎn)地質(zhì)資料對己組煤層地質(zhì)構(gòu)造進行定性分析，并采用模糊綜合評價方法對己組煤層地質(zhì)構(gòu)造進行定量評價，據(jù)此劃分首山一礦己組煤層地質(zhì)構(gòu)造等級，為合理開采己組備采區(qū)域煤層和防治瓦斯突出等災(zāi)害提供了科學(xué)依據(jù)。

1 礦井地質(zhì)特征

1.1 礦井地質(zhì)背景

首山一礦位于平頂山市東北襄城縣內(nèi)，井田內(nèi)褶皺及斷裂構(gòu)造較發(fā)育，主體構(gòu)造白石山背斜及其北東向的靈武山向斜和南西向的李口向斜均屬于縱彎褶皺，軸向均為320°左右，兩翼傾角10°～20°；礦井已探明的大斷層有14條，走向為NEE向和NNE向，溝李封正斷層和高溝逆斷層在井田內(nèi)延展長度最大，其中溝李封正斷層位于井田西側(cè)，切割白石山背斜和靈武山向斜，落差約為150 m，井田內(nèi)延展長度達5500 m；高溝逆斷層位于井田東部白石山背斜軸部附近，落差約為40 m，井田內(nèi)延展長度達2070 m；其余斷層均位于溝李封正斷層?xùn)|側(cè)附近，落差10～30 m，延展長度均小于1000 m；除此之外，己二采區(qū)巷道編錄的小斷層多達352條，多以落差為0.5 m左右的正斷層為主，走向多為NEE向和NWW向。首山一礦地質(zhì)構(gòu)造綱要圖見圖1。

圖1 首山一礦地質(zhì)構(gòu)造綱要圖

1.2 地質(zhì)演化分析

平頂山煤田位于華北板塊南緣，受加里東運動的影響，該區(qū)在中奧陶及早石炭世地殼處于抬升階段，導(dǎo)致地層沉積間斷；中石炭世，加里東運動結(jié)束，地殼再次沉降，接受沉積，自石炭世煤系地層沉積以來，該地區(qū)經(jīng)歷了印支、燕山、喜山三期構(gòu)造運動。不同地質(zhì)時期，該區(qū)受到來自不同方向的構(gòu)造運動，在不同擠壓應(yīng)力下所形成的構(gòu)造形式不同。

印支期由于南北板塊擠壓作用在該區(qū)域形成最大主應(yīng)力方向近NS向的構(gòu)造應(yīng)力場，板塊碰撞帶附近沉積的地層由于構(gòu)造擠壓作用而強烈變形，形成一系列軸向近EW向的褶皺構(gòu)造以及走向近EW向的逆斷層與走向近SN向的正斷層；燕山早期，太平洋板塊向歐亞板塊俯沖，在該地區(qū)形成最大主應(yīng)力方向近似NW向擠壓應(yīng)力場，地層由于擠壓應(yīng)力的影響而發(fā)生褶皺作用，當(dāng)所受構(gòu)造應(yīng)力達到巖層破裂強度時形成一系列NW向正斷層及NE向逆斷層；燕山晚期，區(qū)域應(yīng)力方向發(fā)生變化，最大主張應(yīng)力方向近似NW向，最大主擠壓應(yīng)力方向近似NE向，在該區(qū)域形成一系列軸向近NW向的褶皺，白石山背斜、李口向斜以及靈武山向斜均是在此時期形成，由于白石山背斜兩翼巖層受構(gòu)造應(yīng)力作用變形強烈，局部巖層發(fā)生斷裂，形成一系列NW向逆斷層和NE向正斷層；喜山期，印度板塊沿NNE向作用于歐亞板塊，在該區(qū)形成最大主應(yīng)力方向近似SN向的構(gòu)造應(yīng)力場，此時煤層遭受進一步的破壞。

根據(jù)對該地區(qū)褶皺構(gòu)造及斷裂構(gòu)造特征的分析發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造主要以近NW向的褶皺以及走向近NE向、NW向的斷層為主，如表1所示，只有F12正斷層為NS走向，未發(fā)現(xiàn)EW向構(gòu)造，表明該地區(qū)地層主要受近NE-SW向構(gòu)造應(yīng)力作用影響最大，其次為NW-SE向構(gòu)造應(yīng)力作用，由此可知，印支期與喜山期板塊運動對該地區(qū)造成的影響主要表現(xiàn)為地層的抬升而未進一步發(fā)生其他構(gòu)造運動，燕山運動造成該區(qū)域地層發(fā)生強烈的褶皺與斷裂作用，對該礦井含煤地層改造、破壞作用最大。

表1 首山一礦己二采區(qū)巷道小斷層特征

2 己組煤層地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度評價

2.1 己組煤層地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度定性評價

首山一礦鉆孔揭露己組煤層厚度為3～10 m，平均厚度為6 m，己組煤層以厚煤層(3.5～8 m)為主，局部區(qū)域出現(xiàn)特厚煤層(>8 m)，煤層厚度總體有一定的變化，厚煤區(qū)相對薄煤區(qū)反映在走向上呈波浪式變化，礦井中南部區(qū)域，煤層分叉為己15煤層和己16-17煤層，兩層煤之間的夾矸厚度約為3 m，巖性以泥巖、砂質(zhì)泥巖為主，含煤地層沿走向、傾向的產(chǎn)狀有一定的變化，走向在290°～320°之間，傾角在8°～20°之間。礦井所探明的斷層均切割己組煤層。

在礦井西部區(qū)域，由于溝李封大斷層(F14)的影響，白石山背斜被切割，附近斷層發(fā)育較為密集，落差較大，呈雁形排列，斷層走向多為NNE向及NEE向，含煤地層受構(gòu)造運動影響較大，煤層破壞嚴(yán)重。

礦井中部區(qū)域，斷層密度較小，且斷層多為延伸長度較小的小斷層，含煤地層受構(gòu)造運動影響相對較弱。

在礦井中東部區(qū)域，發(fā)育有高溝逆斷層(F13)，落差較大，并切割白石山背斜北東翼，造成北東翼較陡，南西翼較緩，形成大范圍的封閉空間。

通過分析己組煤層地質(zhì)特征發(fā)現(xiàn)，井田內(nèi)斷層較為發(fā)育，對采區(qū)的合理劃分和采煤工作面的連續(xù)推進有一定影響，依據(jù)《煤礦地質(zhì)工作規(guī)定》將礦井己組煤層地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度定性的劃分為中等-復(fù)雜。

2.2 己組煤層地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度定量評價

模糊綜合評價法是一種能夠較為客觀、準(zhǔn)確地反映事物本質(zhì)的數(shù)學(xué)方法，評價步驟為：選取評價指標(biāo)-確定指標(biāo)權(quán)重-確定評語集-確定白化函數(shù)-模糊運算。

為準(zhǔn)確劃分出己組煤層不同區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度等級，以便在煤層開采時針對不同地質(zhì)構(gòu)造等級區(qū)域采取相應(yīng)的安全生產(chǎn)措施，在己15-17煤層底板等高線圖(1∶5000)上分別以平行與垂直經(jīng)緯線的方向劃分為200 mm×200 mm的正方形單元格，將覆蓋井田范圍的29個單元格進行編號，利用模糊綜合評價法對己組煤層不同單元格地質(zhì)構(gòu)造等級進行評價。

2.2.1 評價指標(biāo)的選取

現(xiàn)有礦井地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度評價指標(biāo)有斷層強度、斷層密度、褶皺復(fù)雜程度系數(shù)、褶皺平面變形系數(shù)以及煤巖層傾角復(fù)雜程度系數(shù)等，通過礦井瓦斯地質(zhì)資料分析發(fā)現(xiàn)該礦煤巖層傾角較小，整體煤層延伸較為平緩，故本次評價不考慮煤巖層傾角變化的影響，依據(jù)首山一礦己15-17煤層底板等高線圖(1:5000)，選取斷層密度、斷層強度以及褶皺復(fù)雜程度系數(shù)作為定量評價該礦井復(fù)雜程度的指標(biāo)。

(1)斷層密度(M)反映了斷層發(fā)育程度的強弱：

(1)

式中：M——指定單元格內(nèi)的斷層密度，條/106m2；

K——指定單元格內(nèi)的斷層總條數(shù)，條；

S——指定單元格的面積，106m2。

通過首山一礦己15-17煤層底板等高線圖計算出每個單元格內(nèi)斷層密度值，見表2。

表2 首山一礦各單元格內(nèi)斷層密度值

(2)斷層強度(K斷)反映了斷層對煤巖層的破壞程度；本文斷層斷距用落差來表示：

(2)

式中：K斷——指定單元格內(nèi)的斷層強度；

Hi——指定單元格內(nèi)第i條斷層落差，m；

Li——指定單元格內(nèi)第i條斷層的延伸長度，m；

s——指定單元格的面積，103m2。

通過首山一礦己15-17煤層底板等高線圖計算出每個單元格內(nèi)斷層強度值，見表3。

表3 首山一礦各單元格內(nèi)斷層強度值

(3)褶皺復(fù)雜程度系數(shù)(K褶)反映了褶皺的發(fā)育程度，為了更好地反映單元格內(nèi)褶皺最大復(fù)雜程度系數(shù)以及預(yù)測瓦斯突出，本文采用單元格內(nèi)褶皺變形量最大值作為褶皺復(fù)雜程度系數(shù)值。公式為：

(3)

式中：K褶——指定單元格內(nèi)的褶皺復(fù)雜程度系數(shù)；

Lmax——指定單元格內(nèi)彎曲度最大的等高線長度，m；

Lmaxo——指定單元格內(nèi)等高線兩端點間最短距離，m。

通過首山一礦己15-17煤層底板等高線圖計算出每個單元格內(nèi)褶皺復(fù)雜程度系數(shù)值，見表4。

表4 首山一礦各單元格內(nèi)褶皺復(fù)雜程度系數(shù)值

2.2.2 確定指標(biāo)權(quán)重

由于不同的指標(biāo)在定量評價地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度中相對重要程度不同，因此為了得到更準(zhǔn)確的評價結(jié)果，本文采取雙權(quán)重對指標(biāo)進行評價，然后確定每個指標(biāo)的權(quán)重。

(1)程度權(quán)重(Wi)。計算指定單元格內(nèi)某個評價指標(biāo)程度權(quán)重的計算公式為：

(4)

式中：Wi——指定單元格內(nèi)第i個評價指標(biāo)的程度權(quán)重；

xi——指定單元格內(nèi)第i個評價指標(biāo)的計算值；

Si1——指定單元格內(nèi)第i個評價指標(biāo)評語集中一級和二級的分界值。

(2)因素權(quán)重(Ai)。單元格內(nèi)某個評價指標(biāo)因素權(quán)重計算采用的數(shù)學(xué)方法為灰色關(guān)聯(lián)分析法，首先通過確定某項指標(biāo)作為參考數(shù)列，其他指標(biāo)作為比較數(shù)列，把所計算單元格內(nèi)的數(shù)據(jù)無量綱化、初始化、均值化，然后計算參考數(shù)列與某一項比較數(shù)列相對應(yīng)指標(biāo)數(shù)據(jù)之差的絕對值，之后選取最大的絕對值差與最小的絕對值差，計算出評價指標(biāo)的關(guān)聯(lián)系數(shù)與關(guān)聯(lián)度，最后再歸一化處理得到權(quán)重系數(shù)，由于白石山背斜為該礦井的主體構(gòu)造，因此將褶皺復(fù)雜程度系數(shù)作為參考數(shù)列，其他兩項指標(biāo)作為比較數(shù)列，經(jīng)過計算得出3項指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)度以及因素權(quán)重，見表5。

表5 評價指標(biāo)關(guān)聯(lián)度與因素權(quán)重系數(shù)

(3)雙權(quán)重(ηi)。通過計算每一個特定單元格內(nèi)某一評價指標(biāo)的程度權(quán)重與因素權(quán)重的乘積，得出不同單元格每個評價指標(biāo)的雙權(quán)重ηi：

ηi=Ai×Wi

(5)

式中：ηi——指定單元格內(nèi)第i個評價指標(biāo)的雙權(quán)重；

Ai——指定單元格內(nèi)第i個評價指標(biāo)的因素權(quán)重；

Wi——指定單元格內(nèi)第i個評價指標(biāo)的程度權(quán)重，i=1,2,3。

2.2.3 確定評語集

采用《煤礦地質(zhì)工作規(guī)定》中地質(zhì)構(gòu)造四類劃分法將該礦井地質(zhì)構(gòu)造劃分為簡單、中等、復(fù)雜、極復(fù)雜4個等級，評語集V={v1，v2，v3，v4}，v1代表簡單，v2代表中等，v3代表復(fù)雜，v4代表極復(fù)雜。根據(jù)各個評價指標(biāo)數(shù)據(jù)特征，采用每一個評價指標(biāo)的最大值、最小值、平均值以及整體數(shù)據(jù)的分布特征確定等級標(biāo)準(zhǔn)，最終確定各個指標(biāo)數(shù)據(jù)范圍相對應(yīng)的構(gòu)造等級，見表6。

表6 首山一礦各指標(biāo)的復(fù)雜程度分類標(biāo)準(zhǔn)

2.2.4 確定白化函數(shù)與灰色模糊運算

通過分析各指標(biāo)數(shù)據(jù)與構(gòu)造復(fù)雜程度的關(guān)系，確定該礦井分級類的白化函數(shù)，以褶皺復(fù)雜程度系數(shù)為例，得出構(gòu)造等級分別為：簡單f11(x)、中等f12(x)、復(fù)雜f13(x)、極復(fù)雜f14(x) 4個等級的函數(shù)，具體如下：

同理可以得出其他指標(biāo)的白化函數(shù)，此處不一一列舉。

每個單元格內(nèi)構(gòu)造復(fù)雜等級是通過計算每個單元格內(nèi)的聚類系數(shù)σij來確定的，通過分別計算確定單元格內(nèi)每一個參數(shù)不同等級j的白化函數(shù)值fij(x)與雙權(quán)重乘積之和得出聚類系數(shù)σij，聚類系數(shù)的計算公式為：

(6)

式中：σij——指定單元格內(nèi)第i個參數(shù)第j等級的聚類系數(shù)值；

fij(x)——指定單元格內(nèi)第i個參數(shù)第j等級的白化函數(shù)值；

ηij——指定單元格內(nèi)第i個指標(biāo)的雙權(quán)重值；i=1,2,3，j=1,2,3,4。

通過比較不同等級j的聚類系數(shù)大小，遵循最大聚類系數(shù)值原則，從而確定單元格的構(gòu)造復(fù)雜程度等級，見表7，并得到首山一礦己組煤層構(gòu)造復(fù)雜度定量評價結(jié)果，如圖2所示。

表7 首山一礦地質(zhì)構(gòu)造等級百分比

3 己組煤層地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度綜合分析

通過分析首山一礦礦井地質(zhì)構(gòu)造及煤層產(chǎn)狀特征，將礦井地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度等級劃分為中等-復(fù)雜，且構(gòu)造較復(fù)雜區(qū)域主要分布在礦井西部溝李封正斷層附近及中東部高溝逆斷層附近區(qū)域。采用模糊綜合評價法更精確地顯示出礦井不同區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造等級，分析覆蓋礦井己組煤層的29個單元格內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度定量評價結(jié)果，見表7，構(gòu)造等級簡單單元格共12個，占總單元格數(shù)的41.4%，中等及中等以上的單元格17個，占總單元格數(shù)的58.6%，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度等級為中等-復(fù)雜，且構(gòu)造較復(fù)雜單元格分布區(qū)域與定性評價結(jié)果一致；評價結(jié)果與礦井己組煤層實際生產(chǎn)區(qū)域已揭露的情況進行對比，情況基本一致，證明了評價的合理性，根據(jù)圖2所示，將己組煤層按地質(zhì)構(gòu)造等級劃分為以下3個區(qū)域：

(1)北西向溝李封正斷層(F14)附近，受白石山背斜與溝李封正斷層的影響，發(fā)育一系列走向NE-SW斷層，斷層密度與斷層強度較大，構(gòu)造等級程度復(fù)雜、極復(fù)雜；

(2)中南部區(qū)域，斷層密度與斷層強度較小，整體構(gòu)造等級為簡單偏中等；

(3)北東向高溝逆斷層(F13)附近，主要受高溝逆斷層的影響，該區(qū)域構(gòu)造等級呈中等偏復(fù)雜。

圖2 首山一礦己組煤層構(gòu)造復(fù)雜度定量評價圖

4 結(jié)論

(1)首山一礦地質(zhì)構(gòu)造特征統(tǒng)計分析表明：礦井含煤地層自中石炭世沉積以來，受燕山期構(gòu)造運動作用影響較大，印支期和喜山期對該區(qū)域地層影響相對較弱，燕山運動使該區(qū)域煤巖層發(fā)生褶皺變形，形成一系列軸向近NW向的褶皺，局部區(qū)域由于構(gòu)造應(yīng)力較大，煤巖層發(fā)生斷裂，形成斷裂構(gòu)造。

(2)己組煤層地質(zhì)構(gòu)造等級整體呈中等偏復(fù)雜，區(qū)塊構(gòu)造等級受斷層影響較大，斷層密度與斷層強度值較大的區(qū)域，構(gòu)造等級呈復(fù)雜、極復(fù)雜，斷層發(fā)育較弱的區(qū)域構(gòu)造等級呈簡單偏中等；依據(jù)構(gòu)造復(fù)雜程度綜合評價結(jié)果將該礦井按構(gòu)造等級劃分為3個區(qū)域，構(gòu)造等級呈復(fù)雜、極復(fù)雜的北西向溝李封斷層附近區(qū)域，構(gòu)造等級呈簡單偏中等的中南部區(qū)域，構(gòu)造等級呈中等偏復(fù)雜的北東向高溝逆斷層附近區(qū)域。

(3)首山一礦溝李封斷層附近區(qū)域及高溝逆斷層附近區(qū)域己組煤層為現(xiàn)階段主采煤層，瓦斯壓力大，構(gòu)造等級較高，在開采備采區(qū)域己組煤層時，應(yīng)嚴(yán)格采取防突措施。