臨渙煤礦八采區(qū)10煤層構(gòu)造復(fù)雜程度評價

摘 要：【目的】建立臨渙煤礦八采區(qū)10煤層地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度評價模型，為礦井安全高效生產(chǎn)提供技術(shù)參考?！痉椒ā窟x取斷層的密度、尖滅點及交點個數(shù)、分維值、強度指數(shù)等反映構(gòu)造復(fù)雜程度的評價指標，采用層次分析法與熵權(quán)法耦合方法確定評價指標權(quán)重?；贏rcGIS軟件建立八采區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度定量評價模型，繪制研究區(qū)構(gòu)造復(fù)雜程度評價分區(qū)圖。【結(jié)果】評價結(jié)果表明，構(gòu)造相對復(fù)雜區(qū)主要分布在勘探線LJ2與LJ4之間的騎路周斷層、大吳家斷層及周吳斷層和勘探線LJ5與LJ8之間小斷層較多的區(qū)塊，其他區(qū)塊為相對簡單區(qū)?！窘Y(jié)論】研究結(jié)果為煤礦安全開采和突水預(yù)測提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：臨渙煤礦；構(gòu)造；層次分析法；熵權(quán)法；復(fù)雜程度評價

中圖分類號：TD745" " " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1003-5168（2025）01-0037-07

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2025.01.007

Evaluation on Structural Complexity of No.10 Coal Seam in No.8

Mining Area of Linhuan Coal Mine

GE Zhigang WANG Laibin SONG Ziqi

（School of Earth and Environment， Anhui University of Science and Technology， Huainan 232001， China）

Abstract： [Purposes] In order to provide technical reference for safe and efficient production of mines， an evaluation model of geological structure complexity of 10 coal seam in No.8 mining area of Linhuan Coal Mine was established. [Methods] The evaluation indexes reflecting the complexity of structure， such as the density of faults， the number of pinch-out points and intersections， the fractal dimension value and the strength index are selected， and the weight of evaluation indexes is determined by the coupling method of analytic hierarchy process and entropy weight method. Based on ArcGIS software， a quantitative evaluation model of geological structure complexity in the eighth mining area was established， and a zoning map of structural complexity evaluation in the study area was drawn. [Findings] The evaluation zoning map shows that the relatively complex structural areas are mainly distributed in the Qiluzhou fault， Dawujia fault and Zhouwu fault between the exploration line LJ2 and LJ4， and the blocks with more small faults between the exploration line LJ5 and LJ8， and the other blocks are relatively simple areas. [Conclusions] The research results provide a basis for coal mine safety mining and water inrush prediction.

Keywords： Linhuan coal mine; structure; analytic hierarchy process; entropy weight method; complexity evaluation

收稿日期：2024-07-03

作者簡介：葛志剛（1999—），男，碩士生，研究方向：水文地質(zhì)與工程地質(zhì)。

0 引言

煤礦區(qū)地下水是地質(zhì)環(huán)境中最為活躍、動態(tài)變化最為顯著的構(gòu)成要素［1］，也是威脅礦井生產(chǎn)安全的重要因素，井田構(gòu)造尤其是斷裂構(gòu)造是突水的主要影響因素之一。據(jù)統(tǒng)計，我國華北煤田約80%的工作面突水事故發(fā)生在斷層破碎帶附近［2］。眾多學(xué)者在構(gòu)造復(fù)雜程度評價方面開展了大量研究，取得了豐碩的研究成果。徐文軍等［3］和張小東等［4］通過選取評價指標，引入煤層厚度分異系數(shù)，應(yīng)用層次分析法定量評價了各自研究區(qū)構(gòu)造的復(fù)雜程度；郭強等［5］選取斷層分維值、密度值、交變點個數(shù)及強度指數(shù)特征指標，使用博弈論思想構(gòu)建序關(guān)系分析法和熵權(quán)法的組合賦權(quán)方法，評價了研究區(qū)構(gòu)造的復(fù)雜程度；薛喜成等［6］采用免疫遺傳算法（IGA）優(yōu)化的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法（IGA-BP）綜合評價了礦井地質(zhì)構(gòu)造的復(fù)雜程度；劉德民等［7］基于GIS組件與ANN耦合技術(shù)，評價了研究區(qū)構(gòu)造的復(fù)雜程度；傅先杰等［8］統(tǒng)計了4個構(gòu)造評價指標值，基于GIS與灰色模糊法，繪制了研究區(qū)構(gòu)造復(fù)雜程度分區(qū)圖；張文嫻［9］運用灰色模糊法，確定評價指標權(quán)重并劃分了研究區(qū)構(gòu)造復(fù)雜程度分區(qū)等級。上述評價方法有的強調(diào)主觀，很容易受到評價者主觀意識影響；有的強調(diào)客觀，但對具體的評價對象，不能完全反映其構(gòu)造特征。鑒于此，在前人的研究基礎(chǔ)上，本研究采用層次分析法（AHP）與熵權(quán)法的耦合方法，將主觀和客觀相結(jié)合，更加精準地評價臨渙煤礦八采區(qū)10煤層構(gòu)造復(fù)雜程度，為礦井安全高效生產(chǎn)提供技術(shù)參考，具有重要的實際意義。

1 研究區(qū)概況

臨渙煤礦位于淮北煤田中部，地層總體上為一走向近東西，呈S形向北傾斜的單斜構(gòu)造，斷裂構(gòu)造發(fā)育。八采區(qū)位于礦井西翼，為二疊系含煤地層，主采7、8、9、10等四層煤。采區(qū)東以2-3勘探線為界；西、北以騎路周斷層上盤斷煤交線為界；南部以大吳家斷層上盤斷煤交線為界；采區(qū)上限標高-455 m（7煤層），下限標高-1 050 m（10煤層）。該煤礦走向長4 900 m，傾向長1 200 m，面積為5.11 km2，具體如圖1所示。根據(jù)三維地震、鉆探及井下巷道揭露，斷裂構(gòu)造較發(fā)育，以北東向斜切正斷層為主，走向大多為北東向和近南北向，傾角為60°～70°。已基本查明采區(qū)內(nèi)發(fā)育斷層104條，均正斷層。按落差H的大小分類：H≥50 m的斷層4條；20 m≤H＜50 m的斷層8條；10 m≤H＜20 m的斷層26條；5 m≤H＜10 m的斷層45條；落差H＜5 m的斷層21條。

2 構(gòu)造復(fù)雜程度定量評價指標

2.1 單元格劃分

單元格劃分是評價研究區(qū)構(gòu)造復(fù)雜程度的第一步。本研究運用AutoCAD軟件打開采區(qū)10煤層底板等高線圖，以采區(qū)邊界為限，遵循既要兼顧大斷層，又要兼顧小斷層的原則。經(jīng)過試驗，發(fā)現(xiàn)邊長為200 m的單元格能較好描述構(gòu)造復(fù)雜程度。故采用邊長為200 m的正方形網(wǎng)格鋪滿研究區(qū)，編號為1～295的單元格，作為評價的基本單元，具體如圖2所示。

2.2 評價指標值求取

影響八采區(qū)構(gòu)造復(fù)雜程度的因素以斷裂構(gòu)造為主，依據(jù)斷層的空間展布特征，選取了4個評價指標分別為斷裂分維值、斷層強度指數(shù)、斷層密度、斷層尖滅點及交點個數(shù)，對八采區(qū)構(gòu)造復(fù)雜程度進行評價。

2.2.1 斷裂分維值。分維是用來定量評價具有自相似性特征的某種結(jié)構(gòu)參數(shù)。具有自相似性特征的斷裂構(gòu)造可以被分維統(tǒng)計，經(jīng)常采用容量維、信息維、廣義維數(shù)、相似維等4種方法［10］。本研究采用相似維方法來描述斷裂構(gòu)造，設(shè)[F（r）]是[Rn]上任意非空有界子集，[Nr]為覆蓋[F（r）]所需的分型基元[B]的相似集[r?B]的最小個數(shù)集合，如果[r→0]時，[Nr→∞]，則定義集合[F（r）]相似維見式（1）［11］。

[Ds=dimF（r）=limr→0lgNr?lgr]" （1）

式中：[Ds]為斷裂分維值；[F（r）]是[Rn]上任意非空有界子集；[Nr]為在一個單元格內(nèi)統(tǒng)計斷層跡線穿過的網(wǎng)格數(shù)；[r]為網(wǎng)格邊長，m。

具體做法：以編號為11的單元格為例，邊長[r]為200 m。將其劃分為4個100 m×100 m、16個50 m×50 m和64個25 m×25 m的網(wǎng)格，依次統(tǒng)計邊長為200、100、50和25 m網(wǎng)格數(shù)量[Nr]值為1、3、10、27，具體如圖3所示。利用Excel把獲得的[Nr]與[r]值在lnN（r）-lnr坐標系中做相關(guān)性分析，其斜率的絕對值即為所求單元格的斷裂分維值，具體如圖4所示。

根據(jù)此方法計算出所有單元格的斷裂分維值，賦值其中心點，使用Surfer畫出等值線圖，如圖5所示。研究區(qū)斷裂分維值區(qū)間為0～1.9。由圖5可知，勘探線LJ6和LJ7之間區(qū)域小斷層眾多，斷裂分維值大于1.5，小斷層較發(fā)育。數(shù)值小于1的區(qū)域出現(xiàn)在研究區(qū)周邊，斷層數(shù)量較少。

2.2.2 斷層強度指數(shù)。斷層強度指數(shù)是指單位面積內(nèi)發(fā)育的所有斷層的落差與其延伸長度的乘積之和，反映單位面積內(nèi)斷層的規(guī)模和發(fā)育情況［12］，具體見式（2）。

[F=i=1nli?iS]" （2）

式中：[F]為斷層強度指數(shù)；[li]為第[i]條斷層延伸長度，m；[?i]為第[i]條斷層的落差，m；[S]為單元格面積，取200 m×200 m；[n]為斷層總條數(shù)，條。

將每一個單元格計算的斷層強度指數(shù)賦值于單元格中心點，使用Surfer繪制出等值線圖，如圖6所示。研究區(qū)內(nèi)斷層強度指數(shù)區(qū)間為0～2.6，由圖6可知，其變化分布具有一定的規(guī)律。較大值出現(xiàn)區(qū)域沿騎路周、周吳、大吳家等3個大斷層的走向分布。較小值區(qū)域出現(xiàn)在騎路周斷層和大吳家斷層之間，斷層較多，但落差較小。

2.2.3 斷層密度。斷層密度是指單位面積內(nèi)發(fā)育斷層的條數(shù)［13］，具體見式（3）。

[M=NS] （3）

式中：[M]為斷層密度，條/km2；[N]為斷層條數(shù)，條；[S]為單元格面積，取200 m×200 m。

將每一個單元格計算的斷層密度賦值于單元格中心點，使用Surfer畫出等值線圖，如圖7所示。斷層密度值范圍為0～155。由圖7可知，研究區(qū)內(nèi)斷層密度在勘探線LJ6和LJ7之間區(qū)域出現(xiàn)極值，較發(fā)育，研究區(qū)四周區(qū)域斷層發(fā)育較弱。

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圖7 斷層密度等值線

2.2.4 斷層尖滅點及交點個數(shù)。研究區(qū)10煤層底板斷層尖滅點和斷層相交區(qū)域，構(gòu)造裂隙帶較發(fā)育，可能其導(dǎo)水性較好，在開采時極易成為礦井突水的良好通道［14］。統(tǒng)計每個單元格內(nèi)的該指標個數(shù)，用Surfer軟件繪制等值線圖，如圖8所示。斷層尖滅點及交點個數(shù)數(shù)值區(qū)間為0～6.2。由圖8可知，研究區(qū)內(nèi)斷層交點和尖滅點個數(shù)在勘探線LJ6和LJ7之間出現(xiàn)極值，導(dǎo)水危險性較高。較小值出現(xiàn)在研究區(qū)四周，導(dǎo)水危險性較小。

3 構(gòu)造復(fù)雜程度定量評價

3.1 層次分析法（AHP）

AHP模型分為3個層次［15］：目標層（A層）為構(gòu)造復(fù)雜程度評價；準則層（B層）為4個評價指標，即斷裂分維值（B1層）、斷層強度指數(shù)（B2層）、斷層密度（B3層）和斷層尖滅點及交點個數(shù)（B4層）；決策層（C層）為上述4個評價指標數(shù)值的具體范圍。構(gòu)造復(fù)雜程度評價層次結(jié)構(gòu)模型如圖9所示。

用專家的經(jīng)驗衡量各評價指標之間相對重要程度，對照T.L.Saaty創(chuàng)立的1～9標度法進行打分，構(gòu)建判斷矩陣［16］，見式（4）。經(jīng)一致性檢驗，CR=0.005lt;0.1，通過一致性檢驗。確定各評價指標的權(quán)重，具體見表1。

D= [AB1B2B3B4B11253B21/2132B31/51/311/2B41/31/221] （4）

3.2 熵權(quán)法

熵權(quán)法屬于客觀賦權(quán)法，根據(jù)各指標的變異程度賦予權(quán)值。根據(jù)熵權(quán)法理論，利用標準化后的各評價指標的數(shù)據(jù)計算各自信息熵值，而后基于各項評價指標的變異程度，利用信息熵計算各個評價指標的權(quán)重，得到構(gòu)造復(fù)雜程度評價指標的客觀權(quán)重值［17］。

然后，將原始數(shù)據(jù)進行標準化處理。設(shè)決策目標是由n個評價指標、m個評價對象構(gòu)成的原始矩陣見式（5）。

[X=xij=x11……x1n…………xm1……xmn]" "（5）

將[X]矩陣標準化，對于越小越優(yōu)型指標，公式見式（6）。

[yij=maxxi?xijmaxxi?minxi]" " " " " " （6）

式中：[yij]為標準化得出的指標； [maxxi]為第[i]評價指標最大值；[xij]為第[i]評價指標第[j]個評價對象；[minxi]為第[i]評價指標最小值。

對于越大越優(yōu)型指標，公式見式（7）。

[yij=xij?maxximaxxi?minxi] （7）

標準化得到式（8）。

[Y=y11…y1m………yn1…ynm] （8）

標準化后4個指標數(shù)據(jù)的處理值見表2。確定評價因子的熵[Hi]見式（9）。

[Hi=?j=1mpijlnpijlnm]" （9）

當[pij]=0時，[lnpij]無意義。為保證[pij]有意義，將[pij]的公式定義為式（10）。

[pij=（1+yij）i=1m（1+yij）]" （10）

確定評價因子的熵權(quán)[wi]，見式（11）。

[wi=1?Hin?i=1nHi]" （11）

根據(jù)熵權(quán)法的計算公式，得出各評價指標的熵值向量[Hi]和權(quán)重[wi]如下：

[Hi=0.966 80.886 50.956 50.881 8T]

[wi=0.107 70.368 20.141 00.383 1T]

由此，利用熵權(quán)法得出構(gòu)造復(fù)雜程度評價指標的權(quán)重值，見表3。

3.3 綜合權(quán)重

利用乘數(shù)歸一法將熵值權(quán)重和層次分析法得到的權(quán)重相耦合［18］，得到綜合權(quán)重，公式見式（12）。

[w3i=w1iw2ii=1mw1iw2i] （12）

式中：[w3i]為綜合權(quán)重； [w1i]為層次分析法權(quán)重；[w2i]為熵權(quán)法權(quán)重。通過公式計算得出綜合權(quán)重，見表4。

3.4 定量評價模型

通過ArcGIS軟件將各評價指標數(shù)據(jù)量化生成評價指標專題圖，并將層次分析法和熵權(quán)法得出的綜合權(quán)重與各評價指標進行耦合，從而構(gòu)建出構(gòu)造復(fù)雜程度定量評價模型，具體見式（13）。

[V=k=14Wk×fkx，y=0.253 6f1x，y+0.420 6f2x，y+0.040 0f3x，y+0.282 8f4x，y]" （13）

式中： [V]為構(gòu)造復(fù)雜性指數(shù)； [Wk]為各評價指標權(quán)重；[fkx，y]為各評價指標函數(shù)； [x、y]為其坐標。

利用ArcGIS軟件自有的自然間斷點分級法（Jenks），將研究區(qū)劃分為4個評價區(qū)域，各級的分級閾值分別為0.20、0.30、0.38。V＜0.20為簡單構(gòu)造區(qū)；0.20≤V＜0.30為中等構(gòu)造區(qū)；0.30≤V＜0.38為復(fù)雜構(gòu)造區(qū)；V≥0.38為極復(fù)雜構(gòu)造區(qū)。由此得出臨渙煤礦八采區(qū)構(gòu)造復(fù)雜程度分區(qū)如圖10所示。

由圖10可知，極復(fù)雜構(gòu)造區(qū)約占總面積的17%，主要分布于勘探線LJ1與LJ5之間騎路周斷層、勘探線LJ8與LJ10之間大吳家斷層和勘探線LJ6與LJ8之間小斷層眾多的區(qū)塊。兩個斷層的落差最大，中間區(qū)域小斷層眾多，構(gòu)造發(fā)育程度極為復(fù)雜；復(fù)雜構(gòu)造區(qū)約占總面積的35%，主要分布于勘探線LJ2與LJ4之間的騎路周斷層、大吳家斷層、周吳斷層和勘探線LJ5與LJ8之間小斷層較多的區(qū)塊；中等構(gòu)造區(qū)約占總面積的30%，分布在復(fù)雜區(qū)的邊緣，其斷層分維值、強度指數(shù)、密度、尖滅點及交點個數(shù)較為均衡，構(gòu)造發(fā)育程度中等；簡單構(gòu)造區(qū)約占總面積的18%，大多分布研究區(qū)的四周，斷層數(shù)量較少，地層發(fā)育較為穩(wěn)定。

4 結(jié)論

①通過層次分析法權(quán)重與熵權(quán)法權(quán)重進行乘數(shù)歸一法耦合，得到了斷裂分維值、斷層強度指數(shù)、斷層密度、斷層尖滅點及交點個數(shù)等評價指標的綜合權(quán)重依次為0.253 6、0.420 6、0.04 0、0.282 8。該綜合權(quán)重將主觀和客觀相結(jié)合，使評價結(jié)果更加準確合理。

②利用4個評價指標的綜合權(quán)重，基于ArcGIS軟件建立構(gòu)造復(fù)雜程度評價模型，將研究區(qū)劃分為簡單構(gòu)造區(qū)、中等構(gòu)造區(qū)、復(fù)雜構(gòu)造區(qū)、極復(fù)雜構(gòu)造區(qū)，各約占總面積的18%、30%、35%、17%。構(gòu)造相對復(fù)雜區(qū)主要分布在勘探線LJ2與LJ4之間的騎路周斷層、大吳家斷層及周吳斷層和勘探線LJ5與LJ8之間小斷層較多的區(qū)塊，其他區(qū)塊為相對簡單區(qū)。

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