礦井典型斷層導(dǎo)水性解析及復(fù)雜程度判識(shí)

董現(xiàn)鋒 鄒 宇 姚孟杰

（1.平頂山天安煤業(yè)股份有限公司13 礦，河南 平頂山 467000； 2.河南理工大學(xué)資環(huán)學(xué)院，河南 焦作 45400）

1 前言

斷層的存在不但降低煤層底板隔水層性能而且破壞隔水層的完整性，一旦成為煤層和含水層之間的導(dǎo)水通道，將對(duì)礦井的安全采掘造成很大的威脅。近年來(lái)，很多學(xué)者利用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪、地球物理勘探、室內(nèi)模擬、理論分析等方法，針對(duì)斷層發(fā)育規(guī)律、導(dǎo)水性及其對(duì)區(qū)域水文地質(zhì)條件的影響開展了系統(tǒng)的研究[1-5]，取得的成果對(duì)礦井突水預(yù)測(cè)預(yù)警具有重要的意義。

本文以平頂山煤田十三礦己四采區(qū)為典型，在分析地質(zhì)構(gòu)造和含水層特征的基礎(chǔ)上，基于瞬變電磁勘探結(jié)果解析了斷層的導(dǎo)水性，定量評(píng)價(jià)了斷層的復(fù)雜程度并劃分了復(fù)雜程度分區(qū)，以期為礦井巷道和工作面的布置、底板灰?guī)r水害的防治提供技術(shù)支持。

2 概況

研究區(qū)主采二疊系山西組己組煤，東以下謝正斷層為界，南至己組煤-525 m 底板等高線為界，西部是人為劃定的邊界，北到煤層露頭線，走向長(zhǎng)3.15 km，傾斜寬1.32 km，共布置14010、14020、14030、14040 四個(gè)工作面。研究區(qū)及斷層位置圖如圖1 所示。

圖1 研究區(qū)及斷層位置圖

2.1 褶皺特征

研究區(qū)北部邊界附近發(fā)育襄郟背斜，貫穿整個(gè)14020、14010 兩個(gè)工作面上部，延展區(qū)域覆蓋整個(gè)采區(qū)。采區(qū)南部邊界附近發(fā)育有張溝向斜。褶曲構(gòu)造發(fā)育特征見表1。

2.2 斷層特征

己四采區(qū)內(nèi)落差較大的斷層包括邵灣正斷層、徐莊正斷層、劉莊正斷層、陳莊正斷層和彥張正斷層。典型斷層發(fā)育特征見表2。

表1 褶曲構(gòu)造發(fā)育特征

表2 典型斷層發(fā)育特征

2.3 節(jié)理特征

己四采區(qū)節(jié)理發(fā)育玫瑰花圖如圖2 所示，其基本特征如下：（1）按照節(jié)理發(fā)育的展布方向，將節(jié)理構(gòu)造劃分為A、B、C、D 四組，與斷層展布方向基本相同。（2）節(jié)理A 與B、C 和D 均構(gòu)成共軛剪切面，兩組共軛剪切面的鈍角平分線分別與襄郟背斜和白石山背斜平行。（3）A、B 組節(jié)理的發(fā)育程度明顯高于C、D 組，并且發(fā)生C、D 組節(jié)理對(duì)A、B 組的節(jié)理進(jìn)行截切，表明C、D 組節(jié)理的形成時(shí)間比A、B 組要晚。

圖2 己四采區(qū)節(jié)理發(fā)育玫瑰花圖

2.4 充水含水層

對(duì)己組煤采掘有影響的底板充水含水層為太原組L2、L7 灰?guī)r含水層和寒武系灰?guī)r含水層（如圖3 所示）。L2 含水層厚度薄且富水性差，對(duì)己組煤的影響較??；L7 含水層距寒武系含水層較近，加之受斷層的影響，與寒武系含水層水位基本一致，對(duì)己組煤的影響較大；寒武系含水層與己組煤距離在80～90 m 之間，由于其厚度大且在斷層發(fā)育地帶的富水性強(qiáng)，通過(guò)L7 含水層對(duì)己組煤的威脅較大。

3 斷層導(dǎo)水性分析

斷層構(gòu)造是造成局部富水的主要因素，同時(shí)也會(huì)成為突水的良好通道。這里根據(jù)實(shí)施的瞬變電磁探測(cè)資料，分析邵灣正斷層、徐莊正斷層、劉莊正斷層、陳莊正斷層和彥張正斷層的導(dǎo)水性。1220、1740、2220、3740 四條瞬變電磁探測(cè)線位置見圖1。

從1220 線視電阻率剖面圖圖4 可見，在1180～1260 號(hào)點(diǎn)和1540～1620 號(hào)點(diǎn)下方的等值線發(fā)生扭曲變化，同一地質(zhì)層位在垂向上發(fā)生錯(cuò)動(dòng)，解釋為斷層DF1 和DF5。經(jīng)與已知地質(zhì)資料對(duì)比，確定DF1 和DF5 斷層分別為邵灣正斷層和陳莊正斷層。從圖中可以看出，兩斷層附近均呈現(xiàn)出范圍較小的低阻異常區(qū)，結(jié)合已知的水文地質(zhì)資料分析可知，邵灣正斷層和陳莊正斷層具有一定的導(dǎo)水性，但導(dǎo)水性不強(qiáng)。

圖3 己組煤下伏地層柱狀

圖4 1220 線視電阻率剖面圖

同理，從1740 線瞬變電磁探測(cè)結(jié)果推斷DF2是徐莊正斷層。該斷層附近基本不存在低阻異常區(qū)，結(jié)合已知的水文地質(zhì)資料綜合分析可知徐莊正斷層不導(dǎo)水。由2220 線推斷DF3 為劉莊正斷層，斷層帶巖層表現(xiàn)為較明顯的低阻反應(yīng)且范圍較大，說(shuō)明在構(gòu)造作用下斷層帶巖層較破碎，富水性較強(qiáng)，并且具有良好的導(dǎo)水性。從3740 線推斷DF4 為彥張正斷層，斷層附近的低阻異常不明顯，結(jié)合已知的水文地質(zhì)資料綜合分析可知這條斷層導(dǎo)水性較弱。

總之，己四采區(qū)劉莊正斷層帶的巖層破碎，富水性好，導(dǎo)水性強(qiáng)；徐莊正斷層附近基本不存在低阻異常區(qū)，因此判定斷層具有阻水性質(zhì)；陳莊正斷層、彥張正斷層及邵灣正斷層附近都存在偏微弱的異常區(qū)，雖具有一定的導(dǎo)水性但性能不強(qiáng)。

4 斷層復(fù)雜程度評(píng)價(jià)

4.1 分形維數(shù)

分形理論是非線性科學(xué)的重要理論之一，其中的分形維數(shù)是表征事物內(nèi)在聯(lián)系的重要參數(shù)。在地質(zhì)構(gòu)造研究中，常采用自相似維數(shù)定義。一般地，如果某圖形是由N（a）個(gè)與它相似比為a 的相似形所組成，則其自相似維數(shù)可表示為：

為計(jì)算分形維數(shù)，首先將研究區(qū)按經(jīng)緯網(wǎng)劃分成若干個(gè)正方形塊段，如圖5 所示。然后將含有斷層跡線的塊段逐一編號(hào)，相似比取a=1、1/2、1/4、1/8，統(tǒng)計(jì)各標(biāo)度下包含斷層跡線的塊段數(shù)N（a）。針對(duì)每一塊段，根據(jù)式（1）進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，并運(yùn)用最小二乘法求得擬合直線的斜率，其值即為所求塊段的分形維數(shù)。計(jì)算結(jié)果見表3。

圖5 研究區(qū)分塊及斷層復(fù)雜程度分區(qū)

表3 斷層分形維數(shù)計(jì)算結(jié)果

4.2 復(fù)雜程度評(píng)價(jià)

己四采區(qū)斷層分形維數(shù)的最大值、最小值、平均值分別為1.516、0.876 和1.118。根據(jù)《煤礦地質(zhì)工作規(guī)定》地質(zhì)構(gòu)造4 類劃分法，將研究區(qū)斷層網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜程度劃分為簡(jiǎn)單、中等、復(fù)雜和極復(fù)雜4 個(gè)等級(jí)，對(duì)應(yīng)的分形維數(shù)見表4。己四采區(qū)斷層復(fù)雜程度分區(qū)見圖5，基于分形維數(shù)可知，14010、14030 以及14020 工作面斷層復(fù)雜程度較低，14040工作面南部因?yàn)閿鄬臃植驾^多且相互交匯，其復(fù)雜程度較高。

表4 斷層復(fù)雜程度評(píng)價(jià)分級(jí)

上述研究表明，研究區(qū)南部劉莊正斷層和彥張正斷層附近，受多個(gè)斷層交匯的影響，斷層復(fù)雜程度較高。尤其是劉莊正斷層導(dǎo)水性強(qiáng)，因此該區(qū)域巷道掘進(jìn)和工作面回采時(shí)應(yīng)制定相應(yīng)的對(duì)策以防止斷層和煤層底板灰?guī)r水害的發(fā)生。

5 結(jié)論

（1）研究區(qū)主要發(fā)育斷層有邵灣正斷層、徐莊正斷層、劉莊正斷層、陳莊正斷層和彥張正斷層五個(gè)。劉莊正斷層富水性好，導(dǎo)水性強(qiáng)，徐莊正斷層具有阻水性質(zhì)，其余斷層的導(dǎo)水性一般。

（2）研究區(qū)斷層分形維數(shù)平均值為1.118，總體復(fù)雜程度表現(xiàn)為中等程度。14010 工作面斷層復(fù)雜程度處于簡(jiǎn)單到中等狀態(tài)，14020、14030、14040 工作面南部斷層復(fù)雜程度處于中等水平。

（3）劉莊正斷層和彥張正斷層附近的多個(gè)斷層交匯部位，斷層復(fù)雜程度較高，尤其是劉莊斷層導(dǎo)水性強(qiáng)，該區(qū)域巷道掘進(jìn)和工作面回采時(shí)應(yīng)制定專門的防治水對(duì)策以防止底板突水事故的發(fā)生。