蔣莊煤礦北十采區(qū)3號(hào)煤層構(gòu)造復(fù)雜程度評(píng)價(jià)

王自國(guó)，朱利崗，王安民，曹代勇，寧樹正，宋忠亮，郭 強(qiáng)，劉 悅

（1.中國(guó)煤炭地質(zhì)總局勘查研究總院，北京 100038；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院，北京 100083；3.棗莊礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，山東棗莊 277000）

0 引言

我國(guó)含煤盆普通遭受了強(qiáng)烈的后期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)改造［1-3］，使得盆地邊緣煤田的斷層及褶皺極為發(fā)育，嚴(yán)重影響了煤礦的高效安全生產(chǎn)［4］。礦井地質(zhì)構(gòu)造的復(fù)雜程度對(duì)煤與瓦斯突出、礦井突水、沖擊地壓等問題至關(guān)重要，因此，礦井構(gòu)造復(fù)雜程度的評(píng)價(jià)成了煤礦安全生產(chǎn)的重要工作之一［5］。

礦井構(gòu)造復(fù)雜程度評(píng)價(jià)主要以不同構(gòu)造分區(qū)單元進(jìn)行，選擇合理的評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過模糊綜合評(píng)價(jià)法［6］、層次分析法［7］、灰色關(guān)聯(lián)法［8］、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)［9］等方法進(jìn)行計(jì)算，獲得最終的評(píng)價(jià)結(jié)果。近年來，除斷裂密度、斷層強(qiáng)度、褶皺平面變形系數(shù)、煤層傾角變異系數(shù)等傳統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)［10］，研究者們提出了更多的評(píng)價(jià)指標(biāo)，以期合理且全面地進(jìn)行復(fù)雜度評(píng)價(jià)，如基于分形理論提出的分形維數(shù)［11］、斷層走向指數(shù)［12］、斷層活化程度［13］等，進(jìn)一步完善了礦井構(gòu)造復(fù)雜程度評(píng)價(jià)體系。構(gòu)造單元的劃分以及合理的評(píng)價(jià)指標(biāo)、評(píng)價(jià)方法的選取是不同地區(qū)礦井復(fù)雜程度精準(zhǔn)評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)。

蔣莊煤礦位于山東省棗莊市，該煤礦斷層較為發(fā)育，以走向NE 的地塹、地壘式構(gòu)造組合為主［14］，將礦區(qū)內(nèi)主采煤層切割為走向NE 的狹長(zhǎng)型斷層構(gòu)造。近年來，圍繞著蔣莊煤礦的安全生產(chǎn)，研究者們?cè)诘V井突水、瓦斯防治，以及安全生產(chǎn)等方面提出了新的認(rèn)識(shí)［14-18］，但對(duì)構(gòu)造復(fù)雜程度的評(píng)價(jià)卻鮮少進(jìn)行評(píng)價(jià)。本文選取礦區(qū)北十采區(qū)為研究區(qū)，選取合理的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系進(jìn)行3號(hào)煤層的構(gòu)造復(fù)雜度評(píng)價(jià)，為礦井的安全高效生產(chǎn)提供理論支撐。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

蔣莊煤礦位于滕南煤田的中部，地處華北板塊魯西南潛隆起區(qū)菏澤-兗州潛斷隆的滕州潛凹陷內(nèi)，屬于魯西諸多斷塊中的一個(gè)凹陷塊體，就東西向構(gòu)造帶而言，它位于昆侖-秦嶺緯向構(gòu)造帶的東延北支與新華夏第二沉降帶的復(fù)合部位。礦井總體構(gòu)造線呈NNE向展布（圖1），形成以地塹、地壘為特點(diǎn)的寬緩褶皺區(qū)［14］。礦區(qū)內(nèi)巖漿活動(dòng)微弱，侵入時(shí)代在晚侏羅世之后燕山期，對(duì)煤層、煤質(zhì)影響較小。礦區(qū)內(nèi)含煤地層為石炭系—二疊系月門溝群太原組及二疊系月門溝群山西組。含煤地層平均總厚為310m，共含煤19 層，煤層平均總厚8.96m，其中3號(hào)煤層全區(qū)可采。

圖1 研究區(qū)3號(hào)煤層構(gòu)造綱要圖Figure 1 Structural outline map of No.3 coal seam in the study area

2 評(píng)價(jià)單元?jiǎng)澐峙c評(píng)價(jià)指標(biāo)

2.1 評(píng)價(jià)單元?jiǎng)澐?/h3>

評(píng)價(jià)單元?jiǎng)澐质菢?gòu)造復(fù)雜程度定量評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)，也是首要工作。傳統(tǒng)來講，單元?jiǎng)澐侄嘁源笮蜆?gòu)造邊界、自然地理邊界為限，但研究區(qū)構(gòu)造相對(duì)復(fù)雜，無論是以大型斷層邊界或自然地理邊界均無法進(jìn)行合理劃分，因此，對(duì)研究區(qū)采用網(wǎng)格狀均勻分布的方式確定評(píng)價(jià)單元，以北十采區(qū)3下煤底板等高線圖為底圖，以400m×400m 為單元，將北十采區(qū)劃分為40 個(gè)評(píng)價(jià)單元，覆蓋于可采煤層之上，編號(hào)1～40，作為本次評(píng)價(jià)的基本單元（圖2）。

圖2 評(píng)價(jià)單元?jiǎng)澐諪igure 2 Evaluation unit division

2.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)

評(píng)價(jià)指標(biāo)的合理選取是構(gòu)造復(fù)雜程度準(zhǔn)確與否的重要前提，每一個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)須完整地反映研究區(qū)構(gòu)造發(fā)育情況，并以定量的形式表現(xiàn)出來，使之可以相互比較，同時(shí)，各個(gè)指標(biāo)間應(yīng)互相彌補(bǔ)，選擇的所有指標(biāo)可以全面地定量表征地質(zhì)構(gòu)造的復(fù)雜程度。通過對(duì)礦井構(gòu)造發(fā)育特征的分析，結(jié)合前人的研究成果，本次研究綜合選定礦井構(gòu)造定量評(píng)價(jià)指標(biāo)中的斷裂分維值（D）、斷層強(qiáng)度（F）、斷層密度（M）、褶皺平面變形系數(shù)（K）、煤層傾角變異系數(shù)（S）5個(gè)指標(biāo)為本次評(píng)價(jià)用指標(biāo)。

2.2.1 斷裂分維值（D）

分形理論在近年來發(fā)展較為迅速，容量維（又稱盒維數(shù)）、信息維、多重分形相繼被應(yīng)用于構(gòu)造地質(zhì)分析［19］。斷裂在地質(zhì)體上的參數(shù)可以長(zhǎng)度、數(shù)量、規(guī)模、組合形式進(jìn)行表征，這些具有構(gòu)造涵義的參數(shù)在不同尺度條件下被證明具有相似性［20-21］。分形維數(shù)逐漸被用于地質(zhì)斷裂特征屬性，相似維（D）是應(yīng)用最多的一種分維，對(duì)于某一具有自相似性的地質(zhì)體斷裂系統(tǒng)，則定義相似維：

式中：N為劃分的單元數(shù)量；r為每一單元與整體的相似比。

分維值包含斷裂長(zhǎng)度、數(shù)量及組合關(guān)系等信息，是一項(xiàng)綜合性的指標(biāo)。斷裂信息越復(fù)雜，其對(duì)應(yīng)的分維值就越大。計(jì)算斷裂分維值的具體有很多，如碼尺法、康托塵集法和網(wǎng)格覆蓋法等，其中最常用的方法是網(wǎng)格覆蓋法［22］，本次同樣也采用網(wǎng)格覆蓋法進(jìn)行斷裂分維值的計(jì)算，具體步驟如下。

1）如圖3所示，在劃分的標(biāo)準(zhǔn)單元格r0=400m的基礎(chǔ)上，以r=r0/2 將標(biāo)準(zhǔn)單元格均分為4 個(gè)單元格，并數(shù)出含有斷裂的單元格數(shù)量，即N（r）。以此類推，分別設(shè)定r值為r0/2、r0/4、r0/8，將網(wǎng)格尺寸不斷按倍數(shù)縮小，從而得到相對(duì)應(yīng)的N（r），直至將劃分的單元格內(nèi)的含斷裂網(wǎng)格統(tǒng)計(jì)完為止。

圖3 網(wǎng)格覆蓋法示意圖Figure 3 Schematic diagram of grid-coverage method

2）將步驟1）獲得的N（r）與r值在lg（1/r）-lgN（r）坐標(biāo)系中做相關(guān)性分析，如圖4 所示，獲得相關(guān)系數(shù)R2較高的線性公式，其斜率即為分維值D。最終求得各單元的分維值如表1所示。

表1 評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算結(jié)果Table 1 Calculation results of evaluation indicators

圖4 斷裂分維值求解過程示意圖Figure 4 Schematic diagram of fracture fractal dimension solution process

以各單元中心點(diǎn)為坐標(biāo)，繪制出研究區(qū)斷裂分維值等值線圖（圖5）。斷裂分維值在中東部變化較大，在東北部變化較小，值也較低，說明東北部斷層分布相對(duì)較為均勻，中東部斷層分布差異較大。

圖5 斷裂分維值等值線Figure 5 Contour of fracture fractal dimension value

2.2.2 斷層強(qiáng)度（F）

斷層強(qiáng)度用于表征不同單元內(nèi)斷層的發(fā)育程度，不同于斷層密度僅能表示斷層的數(shù)目，斷層強(qiáng)度以劃分的單元格內(nèi)所有斷層的延伸長(zhǎng)度與其落差的乘積之和，來反映斷層的綜合復(fù)雜程度［8］。其表達(dá)式為

式中：li為斷層的水平延伸長(zhǎng)度，m；hi為斷層的落差，m；S為單元格面積，萬m2；n為斷層條數(shù)，條。

按照公式依次統(tǒng)計(jì)出每個(gè)單元的斷層強(qiáng)度，結(jié)果見表1。以各單元中心點(diǎn)為坐標(biāo)，繪制出研究區(qū)斷層強(qiáng)度等值線圖（圖6）。斷層強(qiáng)度值在中西部較大，變化也較大，在中東部變化較小。

圖6 斷層強(qiáng)度等值線Figure 6 Contour of fault strength

2.2.3 斷層密度（M）

在一定范圍內(nèi)，斷層密度（M）可以直接反映斷層的發(fā)育程度，能夠反映斷裂構(gòu)造在空間分布中的密度，在研究斷層的發(fā)育和分布時(shí)通常用它來進(jìn)行定量分析和表征。單位長(zhǎng)度或面積內(nèi)斷層的條數(shù)就是要量化的密度，它指示了斷層的發(fā)育程度，其表達(dá)式為

式中：n為斷層條數(shù)，條；S為單元格面積，km2。

按照公式3 統(tǒng)計(jì)出每個(gè)單元格的斷層密度，結(jié)果見表1。以各單元中心點(diǎn)為坐標(biāo)，繪制出研究區(qū)斷層強(qiáng)度等值線圖（圖7）。斷層強(qiáng)度值在西部較大，變化也較大，在中部及中東部變化較小，斷層密度也較小。

圖7 斷層密度等值線（條/km2）Figure 7 Contour map of fault density（number of pieces/km2）

2.2.4 褶皺平面變形系數(shù)（K）

褶皺平面變形系數(shù)（K）用于衡量褶皺的變形。蔣莊煤礦除斷裂構(gòu)造外，同樣也發(fā)育較多的寬緩褶皺，與斷層一樣，需要在不同的構(gòu)造單元內(nèi)，對(duì)其進(jìn)行變形程度的定量表征。褶皺構(gòu)造發(fā)育越微弱，褶皺平面變形系數(shù)越??；反之，褶皺構(gòu)造發(fā)育越復(fù)雜，對(duì)應(yīng)的系數(shù)值就越大。其計(jì)算公式如下：

式中：h為相鄰兩條等高線的標(biāo)差，m；L1為在單元內(nèi)靠近單元中心的等高線的實(shí)際長(zhǎng)度，m；L0為計(jì)算單元中心的兩條等高線之間的水平距離，m；L2為在單元內(nèi)靠近單元中心的等高線的割線長(zhǎng)度，m（圖8）。

圖8 褶皺平面變形系數(shù)計(jì)算參數(shù)示意圖Figure 8 Schematic diagram of calculation parameters of fold plane deformation coefficient

按照公式（4）統(tǒng)計(jì)出每個(gè)單元格的褶皺平面變形系數(shù)，結(jié)果見表1。以各單元中心點(diǎn)為坐標(biāo)，繪制出研究區(qū)褶皺平面變形系數(shù)等值線圖（圖9）。褶皺平面變形系數(shù)在北部較大，變化也較大，在中部及南部變化較小，褶皺平面變形系數(shù)也較小。

圖9 褶皺平面變形系數(shù)等值線Figure 9 Contour map of fold plane deformation coefficient

2.2.5 煤層傾角變異系數(shù)（S）

煤層傾角變異系數(shù)（S）指煤層傾角相對(duì)于統(tǒng)計(jì)單元內(nèi)平均值的變化程度，反映了褶皺、斷層等構(gòu)造的發(fā)育情況，計(jì)算公式如下：

式中：ai為第i點(diǎn)的煤層傾角大小，°；為在單元格內(nèi)煤層的傾角平均值大小，°；n為在單元格內(nèi)煤層的傾角數(shù)量，個(gè)。

按照公式（5）統(tǒng)計(jì)出每個(gè)單元格的煤層傾角變異系數(shù)，結(jié)果見表1。以各單元中心點(diǎn)為坐標(biāo)，繪制出研究區(qū)煤層傾角變異系數(shù)等值線圖（圖10）。煤層傾角變異系數(shù)在北部及西南部較大，變化也較大，在中部及中東部變化較小，煤層傾角變異系數(shù)也較小。

圖10 煤層傾角變異系數(shù)等值線Figure 10 Contour map of coal seam dip variation coefficient

2.2.6 評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算結(jié)果

評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算結(jié)果如表1所示。

3 評(píng)價(jià)方法與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

3.1 基于獨(dú)立性權(quán)系數(shù)法的評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重賦值

獨(dú)立性權(quán)系數(shù)法是一種確定客觀權(quán)重的方法。本次所選取的五個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)之間的信息存在部分信息重疊，重疊信息容易使得評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確度降低，對(duì)所選取的5 個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行獨(dú)立性權(quán)分析是必要的［23］。

假設(shè)有m個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)X1，X2，X3，……，Xm，如果評(píng)價(jià)指標(biāo)Xj若與其他指標(biāo)之間的復(fù)相關(guān)系數(shù)（R）越大，表明評(píng)價(jià)指標(biāo)Xj與其他指標(biāo)之間的重復(fù)信息越多，則該評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重也就相對(duì)較小。計(jì)算公式為

式中：X為X的平均值；為X中除去Xj的剩余矩陣。

將原始數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理后，運(yùn)用SPSS 軟件，計(jì)算獲得5個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重如表2所示。

表2 獨(dú)立性權(quán)重系數(shù)法確定的權(quán)重Table 2 Weights determined by independence weight coefficient method

3.2 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及賦值

本次研究以前人工作為基礎(chǔ)［22］，確定本次評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如表3 所示，評(píng)價(jià)等級(jí)分A、B、C、D 四檔，并對(duì)每一檔進(jìn)行賦值（以10分為滿分），以線性關(guān)系對(duì)具體每一個(gè)值進(jìn)行計(jì)算賦分。

表3 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及賦值Table 3 Evaluation criteria and assignment

4 評(píng)價(jià)結(jié)果

據(jù)表1、表3，對(duì)研究區(qū)內(nèi)40 個(gè)分區(qū)單元進(jìn)行賦值，再乘以表2中的權(quán)重系數(shù)，計(jì)算出每個(gè)分區(qū)單元的最終分值，并將大于6 分的定為I 級(jí)（構(gòu)造簡(jiǎn)單），4～6 分的定為II 級(jí)（構(gòu)造中等），小于4 分的為III 級(jí)（構(gòu)造復(fù)雜），獲得最終評(píng)價(jià)表4及評(píng)價(jià)等級(jí)圖11。I級(jí)評(píng)價(jià)區(qū)塊主要位于研究區(qū)中部的東西兩側(cè)，占比7.5%，II級(jí)評(píng)價(jià)區(qū)塊占據(jù)了研究區(qū)大部分位置，占比高達(dá)70%，III 級(jí)評(píng)價(jià)區(qū)塊主要位于研究區(qū)東北部和中西部，占比22.5%。

表4 研究區(qū)評(píng)價(jià)結(jié)果Table 4 Evaluation results of the study area

圖11 研究區(qū)評(píng)價(jià)等級(jí)Figure 11 Assessment grade of the study area

5 結(jié)論

本次研究以蔣莊煤礦北十采區(qū)為研究區(qū)，以3號(hào)煤層為研究對(duì)象，綜合選定斷裂分維值、斷層強(qiáng)度、斷層密度、褶皺平面變形系數(shù)、煤層傾角變異系數(shù)5 個(gè)指標(biāo)對(duì)3 號(hào)煤層構(gòu)造復(fù)雜程度進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，結(jié)論如下：

1）3 號(hào)煤層斷裂較為發(fā)育，東北部斷層分布相對(duì)較為均勻，而中東部斷層分布差異較大；斷層強(qiáng)度值與斷層密度以中西部為最，褶皺平面變形系數(shù)在北部較大，變化也較大，而煤層傾角變異系數(shù)則在北部及西南部較大。

2）以400m×400m 為單元，將北十采區(qū)劃分為40 個(gè)評(píng)價(jià)單元，基于獨(dú)立性權(quán)系數(shù)法對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重賦值，評(píng)價(jià)出構(gòu)造簡(jiǎn)單級(jí)單元占比7.5%，構(gòu)造中等級(jí)單元占比70%，構(gòu)造復(fù)雜級(jí)單元占比22.5%。