臨渙煤礦八采區10煤層構造復雜程度評價

摘 要：【目的】建立臨渙煤礦八采區10煤層地質構造復雜程度評價模型，為礦井安全高效生產提供技術參考。【方法】選取斷層的密度、尖滅點及交點個數、分維值、強度指數等反映構造復雜程度的評價指標，采用層次分析法與熵權法耦合方法確定評價指標權重。基于ArcGIS軟件建立八采區地質構造復雜程度定量評價模型，繪制研究區構造復雜程度評價分區圖。【結果】評價結果表明，構造相對復雜區主要分布在勘探線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塊，其他區塊為相對簡單區。【結論】研究結果為煤礦安全開采和突水預測提供了依據。

關鍵詞：臨渙煤礦；構造；層次分析法；熵權法；復雜程度評價

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：水文地質與工程地質。

0 引言

煤礦區地下水是地質環境中最為活躍、動態變化最為顯著的構成要素［1］，也是威脅礦井生產安全的重要因素，井田構造尤其是斷裂構造是突水的主要影響因素之一。據統計，我國華北煤田約80%的工作面突水事故發生在斷層破碎帶附近［2］。眾多學者在構造復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，應用層次分析法定量評價了各自研究區構造的復雜程度；郭強等［5］選取斷層分維值、密度值、交變點個數及強度指數特征指標，使用博弈論思想構建序關系分析法和熵權法的組合賦權方法，評價了研究區構造的復雜程度；薛喜成等［6］采用免疫遺傳算法（IGA）優化的BP神經網絡算法（IGA-BP）綜合評價了礦井地質構造的復雜程度；劉德民等［7］基于GIS組件與ANN耦合技術，評價了研究區構造的復雜程度；傅先杰等［8］統計了4個構造評價指標值，基于GIS與灰色模糊法，繪制了研究區構造復雜程度分區圖；張文嫻［9］運用灰色模糊法，確定評價指標權重并劃分了研究區構造復雜程度分區等級。上述評價方法有的強調主觀，很容易受到評價者主觀意識影響；有的強調客觀，但對具體的評價對象，不能完全反映其構造特征。鑒于此，在前人的研究基礎上，本研究采用層次分析法（AHP）與熵權法的耦合方法，將主觀和客觀相結合，更加精準地評價臨渙煤礦八采區10煤層構造復雜程度，為礦井安全高效生產提供技術參考，具有重要的實際意義。

1 研究區概況

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造，斷裂構造發育。八采區位于礦井西翼，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。根據三維地震、鉆探及井下巷道揭露，斷裂構造較發育，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°。已基本查明采區內發育斷層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 構造復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構造復雜程度的第一步。本研究運用AutoCAD軟件打開采區10煤層底板等高線圖，以采區邊界為限，遵循既要兼顧大斷層，又要兼顧小斷層的原則。經過試驗，發現邊長為200 m的單元格能較好描述構造復雜程度。故采用邊長為200 m的正方形網格鋪滿研究區，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

影響八采區構造復雜程度的因素以斷裂構造為主，依據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、斷層密度、斷層尖滅點及交點個數，對八采區構造復雜程度進行評價。

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構參數。具有自相似性特征的斷裂構造可以被分維統計，經常采用容量維、信息維、廣義維數、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造，設[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]為在一個單元格內統計斷層跡線穿過的網格數；[r]為網格邊長，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的網格，依次統計邊長為200、100、50和25 m網格數量[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。研究區斷裂分維值區間為0～1.9。由圖5可知，勘探線LJ6和LJ7之間區域小斷層眾多，斷裂分維值大于1.5，小斷層較發育。數值小于1的區域出現在研究區周邊，斷層數量較少。

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

[F=i=1nli?iS]" （2）

式中：[F]為斷層強度指數；[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，條。

將每一個單元格計算的斷層強度指數賦值于單元格中心點，使用Surfer繪制出等值線圖，如圖6所示。研究區內斷層強度指數區間為0～2.6，由圖6可知，其變化分布具有一定的規律。較大值出現區域沿騎路周、周吳、大吳家等3個大斷層的走向分布。較小值區域出現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發育斷層的條數［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，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，研究區內斷層密度在勘探線LJ6和LJ7之間區域出現極值，較發育，研究區四周區域斷層發育較弱。

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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。研究區10煤層底板斷層尖滅點和斷層相交區域，構造裂隙帶較發育，可能其導水性較好，在開采時極易成為礦井突水的良好通道［14］。統計每個單元格內的該指標個數，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數值區間為0～6.2。由圖8可知，研究區內斷層交點和尖滅點個數在勘探線LJ6和LJ7之間出現極值，導水危險性較高。較小值出現在研究區四周，導水危險性較小。

3 構造復雜程度定量評價

3.1 層次分析法（AHP）

AHP模型分為3個層次［15］：目標層（A層）為構造復雜程度評價；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（B2層）、斷層密度（B3層）和斷層尖滅點及交點個數（B4層）；決策層（C層）為上述4個評價指標數值的具體范圍。構造復雜程度評價層次結構模型如圖9所示。

用專家的經驗衡量各評價指標之間相對重要程度，對照T.L.Saaty創立的1～9標度法進行打分，構建判斷矩陣［16］，見式（4）。經一致性檢驗，CR=0.005lt;0.1，通過一致性檢驗。確定各評價指標的權重，具體見表1。

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

3.2 熵權法

熵權法屬于客觀賦權法，根據各指標的變異程度賦予權值。根據熵權法理論，利用標準化后的各評價指標的數據計算各自信息熵值，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重，得到構造復雜程度評價指標的客觀權重值［17］。

然后，將原始數據進行標準化處理。設決策目標是由n個評價指標、m個評價對象構成的原始矩陣見式（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個指標數據的處理值見表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[wi]，見式（11）。

[wi=1?Hin?i=1nHi]" （11）

根據熵權法的計算公式，得出各評價指標的熵值向量[Hi]和權重[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，利用熵權法得出構造復雜程度評價指標的權重值，見表3。

3.3 綜合權重

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

[w3i=w1iw2ii=1mw1iw2i] （12）

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

3.4 定量評價模型

通過ArcGIS軟件將各評價指標數據量化生成評價指標專題圖，并將層次分析法和熵權法得出的綜合權重與各評價指標進行耦合，從而構建出構造復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]為構造復雜性指數； [Wk]為各評價指標權重；[fkx，y]為各評價指標函數； [x、y]為其坐標。

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

由圖10可知，極復雜構造區約占總面積的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塊。兩個斷層的落差最大，中間區域小斷層眾多，構造發育程度極為復雜；復雜構造區約占總面積的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塊；中等構造區約占總面積的30%，分布在復雜區的邊緣，其斷層分維值、強度指數、密度、尖滅點及交點個數較為均衡，構造發育程度中等；簡單構造區約占總面積的18%，大多分布研究區的四周，斷層數量較少，地層發育較為穩定。

4 結論

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

②利用4個評價指標的綜合權重，基于ArcGIS軟件建立構造復雜程度評價模型，將研究區劃分為簡單構造區、中等構造區、復雜構造區、極復雜構造區，各約占總面積的18%、30%、35%、17%。構造相對復雜區主要分布在勘探線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塊，其他區塊為相對簡單區。

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