淺析煤層地質構造定量評價

張騰飛　王濤　岳磊

摘要：單元構造復雜程度綜合系數方法、構造分形方法、構造曲率法三種煤層構造定量分析評價的方法，有助于提高瓦斯突出危險區域預測，并在根據不同程度構造背景采取相對應的防治措施，避免煤礦災害的發生。

關鍵詞：地質構造；構造分形；構造曲率；定量分析

煤與瓦斯突出常發生在地質構造破壞地帶已為大量實踐所證實，煤與瓦斯突出的危險性與地質構造復雜程度有密切的關系[1]。礦區構造特征控制煤與瓦斯突出的分布，構造的分級、分區和分帶造成煤與瓦斯突出分布的不均衡[2]，研究突出危險性與地質構造復雜程度間的關系，對于煤與瓦斯突出區域性預測具有很現實的意義。目前隨著對煤礦安全要求逐漸提高，瓦斯突出區域性預測也需更加準確，定量評價較之前的定性評價具有更準確的特點，本文對目前幾種煤礦地質構造復雜程度定量評價作簡要介紹和探討。

1. 理論與方法

1.1單元構造復雜程度綜合系數

影響煤與瓦斯突出的地質因素主要包括斷層、褶皺和傾角，B.B.魯基諾夫提出了綜合評定方法——構造復雜程度綜合系數法[3]。該方法分別評定斷層、褶皺和傾角的復雜程度，最后將這3個系數綜合得出構造復雜程度綜合系數。

1.1.1斷層復雜程度系數

該系數是計算單元內所有斷層的斷距同斷層長度的乘積之和與單元

面積的比值， 以下式表示： 式中K斷——斷層復雜程度；H——斷層斷距；L——斷層長度；S——單元面積。

1.1.2褶皺復雜程度系數

該系數定義為單元內所有等高線的長度和該單元內各條等高線兩端點之間的最短距離的差與這條等高線長度的比，以下式表示：

1.1.3傾角復雜程度系數

該系數定義為計算單元內煤層的最小傾角和最大傾角之和除以180o，即：

1.1.4構造復雜程度綜合系數

1.1.5研究方法

以上給出的定量評價分析構造復雜程度系數的方法屬于統計分析方法，在實際生產中，可將計算區劃分為一系列面積相等的正方形網格計算單元，單元的劃分可根據具體情況確定。該方法可在地質勘探圖件上進行[1]。

1.2構造分形理論與方法

分形幾何學將不規則形態的幾何體集合視為分形體，按分形幾何學的方法定量求得分形體空間分布特征的重要參數——分維，從而有效地刻畫出幾何體的形態[4]，分形的定義式為：

式中r——標度；N（r）——該標度下所測得的量值；D——分維值。

該方法給煤中斷裂的定量研究提供了一種全新方法。利用該方法結合礦區資料所得分維等值線圖能夠有效地反映煤中斷裂分布的復雜程度、分布范圍和展布方向，分維值是煤中斷裂分布長度、條數和分布均勻程度等參數的綜合指標[5]。

1.2.1研究方法

研究采用計盒維數法，在煤層底板等高線圖上的構造資料為基礎進行計算。

（1） 選取邊長r的正方形網格覆蓋研究區，每個正方形網格作為一個統計樣本，對每個網格所圈閉的格子進行編號，記錄每個方格的中心坐標；

（2） 在每個樣本內用ri=r/2、r/4、r/8、r/16正方形網格分別統計斷裂穿過的網格數N（r）1、N（r）2、N（r）3、N（r）4。在lg（r）與lgN（r）坐標系中作回歸擬合直線，其斜率即為分維值D，同時求得相關系數R，依次類推，求得各塊段的分維值D和相關系數R2。

（3） 繪煤層斷裂構造分形維數等值線。

1.3構造曲率理論與方法

數學上，曲率描述的是曲線上任意一點的彎曲程度，曲率越大則曲線越彎曲。煤層的彎曲程度等地質信息可由礦井底板等高線的變化反映出來。當巖層受到構造應力擠壓時，水平巖層會沿某一方向發生彎曲，中性面以上區域主要受張應力作用，而中性面以下則主要受壓應力影響，假設構造曲率在向斜為負而背斜為正，構造應力從擠壓應力向拉張應力過渡，則構造曲率的表達式為[6]：

2. 分析探討

單元構造復雜程度綜合系數方法從斷層、褶皺、傾角的角度定量分析構造的復雜程度，具有良好的使用效果但該方法對于煤礦瓦斯突出危險區域預測的準確性主要取決于對地質構造情況的掌握程度，對煤田構造查明程度要求很高，低成本下較難實現。構造分形方法相對于前者僅對斷裂系統進行定量評價，但其對構造的定量評價的分維值可以反應斷裂多個特征，是煤中斷裂分布長度、條數和分布均勻程度等參數的綜合指標，可在一定成度下反映煤層構造復雜程度。構造曲率法是對煤層頂底板的起伏、彎曲程度定量分析，相對與前兩種方法構造曲率法具有煤田構造查明程度要求低，低成本下容易實現的特點。低于煤層開采初期構造定量評價具有良好的實用性和效果。

3. 結論

本文列舉并探討了單元構造復雜程度綜合系數方法、構造分形方法、構造曲率法三種煤層定量分析評價的方法，煤田在不同構造復雜程度下采用相應的定量評價，有助于幫助煤炭開采過程中，根據不同程度構造背景采取相對應的防治措施，避免煤礦災害的發生。

參考文獻：

[1] 韓同春.地質構造的定量評定在瓦斯突出預測中的應用[J].煤炭科學技術，1999，27（09）：45-46.

[2] 劉彥偉，陳攀，魏建平.煤層地質構造對煤與瓦斯突出的控制作用[J].煤炭科學技術，2010，38（01）：24-27

[3] B.B魯基諾夫，袁崇孚.為確定煤層突出危險性對構造條件的綜合評定[J].中州煤炭，1992，03：47.

[4] K.Falconer著，曾文曲等譯.分形幾何—數學基礎及其應用.沈陽[M]：東北大學出版社，1993.

[5] 陳江峰，胡誠.煤中斷裂分布的分形特征[J].煤炭科學技術，1999，27：07-08.

[6] 申建，傅雪海，秦勇，等.平項山八礦煤層底板構造曲率對瓦斯的控制作用[J].煤炭學報，2010，35（04）：586-589.