煤礦開采工作面內小構造預測研究

劉慧志 茍瑞君

（中北大學化工與環境學院安全工程系， 山西 太原030051）

1 小構造預測的數學分析法

從某種意義上講，數學分析法是小構造預測向定量方面發展的趨勢，具體方法如下：

1.1 構造復雜程度評價指數

現階段評價構造復雜度的指標包括以下幾個：

第一，煤質傾角的大小與變化程度，在確定該指標時，先根據傾角大小進行分帶，再根據帶進行傾角標準差與變異系數的統計，如下式：

上式中，S 為傾角標準差；r 為變異系數；n 為觀測點的數量； 為統計條帶內的平均傾角； ?為每個測量點的傾角。在上式中，S 與r 均是反應傾角變化程度的參數，即小型褶皺發育的程度。

第二，褶皺強度系數，該參數反映的是褶皺的強烈程度，其表達如下式：

K=（L’-L）/L

上式中，K為褶皺強度系數；L’為垂直于褶皺軸跡剖面中煤層底板兩點間的實際長度；L為上述兩點的水平投影長度。

第三，褶皺復雜性指數，該參數反映的是褶皺的復雜程度，其由煤層面斜率與底板等高線曲率之積表示，其評價步驟包括以下兩個環節：其一，在煤層底板等高線圖或者一次趨勢面差值等值線圖上，根據鉆孔的平均間距畫出正方格網，網線與主要褶皺軸跡保持平行或者垂直；其二，在每個十字交叉點求出交叉點四鄰四個方格面積內的褶皺復雜性指數，其表達如下：

KTC=h*ω/L*S

上式中，KTC為褶皺復雜性指標，h為計算面積內等高線的高度差；L為等高線平均平距，由此可知，h/L=tga，即煤層面斜率；ω為等高線走向的變化值，表示為弧度，反應等高線的曲率；S為統計方格的面積。可以用穿過計算面積內等高線數取代h/L以進一步減化計算，則經過簡化的公式表達如下：

KTC=ω*n*系數

第四，斷裂破壞系數，可以采用多種方法評價斷裂密度與破壞系數，此處針對小斷層對煤層破壞程度的預測方法進行重點分析。在針對煤層破壞系數做構造復雜程度分級過程中，直接利用斷層即可，首先收集生產礦井中每個開采煤層的小斷層資料，然后將小斷層發育帶繪至開采平面圖上；接下來逐一篩選出相關信息，包括每個小斷層的形態、延伸長度、斷裂傾角、落差、相鄰斷層的間距等，并繪制出小斷層展布圖；最后根據下式計算出煤層構造的破壞系數：

K1=ΣHL/S

上式中，H為破壞帶內每個斷層的正常落并；L為斷層的長度；S為各巷范圍內破壞帶的面積?？梢愿鶕嬙炱茐南禂悼梢詫⑿鄬訉γ簩拥钠茐某潭葹榉治鍌€等級，由破壞系數K值確定出來。

1.2 已知斷層的延展預測

首先計算出延伸長度上的變化值，即各組斷層的落差變化梯度；然后計算出斷層延伸長度與最大落差的方程式，可以采用斷層斷距預測法來實現。在實踐中可以采用下式計算：

H=KL±0.5

上式中，H為斷層落差；K為系數值；L為斷層延伸長度。

2 小構造預測的綜合預測法

2.1 劃分地質單元

通常在特定范圍內，所有構造的形跡均是基于特定的規律的，構造分區分塊的特性是指某個礦區根據構造的展布規律、復雜程度等劃分出不同地段，其屬于構造發展的客觀反映，在礦井構造分區預測過程中，必須進行地質單元的劃分。同一個礦井會在同一次構造運動中形成某種構造格局，該構造格局具有某種固定形式，構造應力場會對其產生控制，具體就表現為明顯的分區性；而區段不同，其巖性、邊界條件等也各不相同，所以構造就表現出一定的隨機性。

2.2 統計斷層規模與方向

斷層的等級不同、規模不同，其對生產的影響程度也存在差異，并且針對各個礦區或者礦井，斷層影響工作面正常生產的級別也不同，因此要對斷層的大小、等級進行及時的統計，才能正確掌握具體某個斷層的實際強度等級。

2.3 斷層空間的分布規律

分析斷層空間分布規律的主要內容就是通過統計方法獲得區域內層的線形土壤，結合歷史勘探資料以及生產過程中獲取的地質資料、探煤鉆孔泥土標本等，將各類斷層的空間變化特征統計分析出來，對開拓區構造的分布規律做進一步的預測。

2.4 預測斷層分布形態

斷層落差與水平延伸長度呈正比關系，觀測同一斷層的平面分布可知，其落差大部分在空間呈現出特定的變化規律，即斷層的中部通常是落差最大的，越靠近兩端則落差越小，所以可以根據斷層自身的這種變化規律對其進行預測分析，參考巷道斷層斷距的差異即可求出斷層的落差。

3 綜合預測法的實際應用

上述兩種方法均可以對小構造做出比較準確的預測，限于篇幅，下文主要通過實例針對綜合預測法的實際應用進行分析。

3.1 劃分工作面所處區域的地質單元

某煤礦工作面所處的位置在加下背斜東北翼中段、F1斷層北翼，整體地層呈梯形構造，向北傾斜，整體走向近東西向，但是東西部近南北走向，有較大的走向變化。在該區共發現20條斷層，走向為近南北走向中。在20條斷層中，有4條落差超過30m，位于井田邊界位置，F12、F13、F14、F15，走向相同，所以可以近似認為該范圍為一個地質單位，且其地質單元內控制性構造為上述四條斷層構造，元大的褶皺，其它視作該四條斷層的伴生小型構造。

3.2 統計區域內的斷層規模與方向

本案例中內煤層平均厚度約為1.75m，其所配置的設備要求最小可采厚度在0.7m，所以一旦斷層斷距大于1m，則可將其計入統計范圍，可以根據該工作面運輸巷、回風巷，統計出相鄰工作面揭露的落差大于1m的斷層數量。由統計結果可知，該地質單元內的斷層規模相對較小，并且多數是正斷層，延展方向與控制性斷層相一致。

3.3 與物探成果相結合預測工作面內的斷層

利用無線電波透視儀對該工作面進行全工作面的探測，測點間距值為10m，發射點音距則設定50m，每個發射點共對應11個值守點，回風巷共設置78個測點，而運輸巷則設置76個測點，共計30個發射點。具體探測結果如下：第一，運輸巷的斷層斷距相對較大，且延伸方向朝向工作面，分析該段工作面內部存在斷距大于1m的貫通整個工作面的斷層；第二，回風巷158m以及運輸巷0-181m之間可能有在工作面內部的小斷層；第三，回風巷298-480m、運輸巷322-503m之間受運輸巷與回風巷抽放孔的影響，可能沒有斷層。經過后續的開采驗證，證明實際的小構造與預測結果大致相同。

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