浅析煤层地质构造定量评价

张腾飞　王涛　岳磊

摘要：单元构造复杂程度综合系数方法、构造分形方法、构造曲率法三种煤层构造定量分析评价的方法，有助于提高瓦斯突出危险区域预测，并在根据不同程度构造背景采取相对应的防治措施，避免煤矿灾害的发生。

关键词：地质构造；构造分形；构造曲率；定量分析

煤与瓦斯突出常发生在地质构造破坏地带已为大量实践所证实，煤与瓦斯突出的危险性与地质构造复杂程度有密切的关系[1]。矿区构造特征控制煤与瓦斯突出的分布，构造的分级、分区和分带造成煤与瓦斯突出分布的不均衡[2]，研究突出危险性与地质构造复杂程度间的关系，对于煤与瓦斯突出区域性预测具有很现实的意义。目前随着对煤矿安全要求逐渐提高，瓦斯突出区域性预测也需更加准确，定量评价较之前的定性评价具有更准确的特点，本文对目前几种煤矿地质构造复杂程度定量评价作简要介绍和探讨。

1. 理论与方法

1.1单元构造复杂程度综合系数

影响煤与瓦斯突出的地质因素主要包括断层、褶皱和倾角，B.B.鲁基诺夫提出了综合评定方法——构造复杂程度綜合系数法[3]。该方法分别评定断层、褶皱和倾角的复杂程度，最后将这3个系数综合得出构造复杂程度综合系数。

1.1.1断层复杂程度系数

该系数是计算单元内所有断层的断距同断层长度的乘积之和与单元

面积的比值， 以下式表示： 式中K断——断层复杂程度；H——断层断距；L——断层长度；S——单元面积。

1.1.2褶皱复杂程度系数

该系数定义为单元内所有等高线的长度和该单元内各条等高线两端点之间的最短距离的差与这条等高线长度的比，以下式表示：

1.1.3倾角复杂程度系数

该系数定义为计算单元内煤层的最小倾角和最大倾角之和除以180o，即：

1.1.4构造复杂程度综合系数

1.1.5研究方法

以上给出的定量评价分析构造复杂程度系数的方法属于统计分析方法，在实际生产中，可将计算区划分为一系列面积相等的正方形网格计算单元，单元的划分可根据具体情况确定。该方法可在地质勘探图件上进行[1]。

1.2构造分形理论与方法

分形几何学将不规则形态的几何体集合视为分形体，按分形几何学的方法定量求得分形体空间分布特征的重要参数——分维，从而有效地刻画出几何体的形态[4]，分形的定义式为：

式中r——标度；N（r）——该标度下所测得的量值；D——分维值。

该方法给煤中断裂的定量研究提供了一种全新方法。利用该方法结合矿区资料所得分维等值线图能够有效地反映煤中断裂分布的复杂程度、分布范围和展布方向，分维值是煤中断裂分布长度、条数和分布均匀程度等参数的综合指标[5]。

1.2.1研究方法

研究采用计盒维数法，在煤层底板等高线图上的构造资料为基础进行计算。

（1） 选取边长r的正方形网格覆盖研究区，每个正方形网格作为一个统计样本，对每个网格所圈闭的格子进行编号，记录每个方格的中心坐标；

（2） 在每个样本内用ri=r/2、r/4、r/8、r/16正方形网格分别统计断裂穿过的网格数N（r）1、N（r）2、N（r）3、N（r）4。在lg（r）与lgN（r）坐标系中作回归拟合直线，其斜率即为分维值D，同时求得相关系数R，依次类推，求得各块段的分维值D和相关系数R2。

（3） 绘煤层断裂构造分形维数等值线。

1.3构造曲率理论与方法

数学上，曲率描述的是曲线上任意一点的弯曲程度，曲率越大则曲线越弯曲。煤层的弯曲程度等地质信息可由矿井底板等高线的变化反映出来。当岩层受到构造应力挤压时，水平岩层会沿某一方向发生弯曲，中性面以上区域主要受张应力作用，而中性面以下则主要受压应力影响，假设构造曲率在向斜为负而背斜为正，构造应力从挤压应力向拉张应力过渡，则构造曲率的表达式为[6]：

2. 分析探讨

单元构造复杂程度综合系数方法从断层、褶皱、倾角的角度定量分析构造的复杂程度，具有良好的使用效果但该方法对于煤矿瓦斯突出危险区域预测的准确性主要取决于对地质构造情况的掌握程度，对煤田构造查明程度要求很高，低成本下较难实现。构造分形方法相对于前者仅对断裂系统进行定量评价，但其对构造的定量评价的分维值可以反应断裂多个特征，是煤中断裂分布长度、条数和分布均匀程度等参数的综合指标，可在一定成度下反映煤层构造复杂程度。构造曲率法是对煤层顶底板的起伏、弯曲程度定量分析，相对与前两种方法构造曲率法具有煤田构造查明程度要求低，低成本下容易实现的特点。低于煤层开采初期构造定量评价具有良好的实用性和效果。

3. 结论

本文列举并探讨了单元构造复杂程度综合系数方法、构造分形方法、构造曲率法三种煤层定量分析评价的方法，煤田在不同构造复杂程度下采用相应的定量评价，有助于帮助煤炭开采过程中，根据不同程度构造背景采取相对应的防治措施，避免煤矿灾害的发生。

参考文献：

[1] 韩同春.地质构造的定量评定在瓦斯突出预测中的应用[J].煤炭科学技术，1999，27（09）：45-46.

[2] 刘彦伟，陈攀，魏建平.煤层地质构造对煤与瓦斯突出的控制作用[J].煤炭科学技术，2010，38（01）：24-27

[3] B.B鲁基诺夫，袁崇孚.为确定煤层突出危险性对构造条件的综合评定[J].中州煤炭，1992，03：47.

[4] K.Falconer著，曾文曲等译.分形几何—数学基础及其应用.沈阳[M]：东北大学出版社，1993.

[5] 陈江峰，胡诚.煤中断裂分布的分形特征[J].煤炭科学技术，1999，27：07-08.

[6] 申建，傅雪海，秦勇，等.平项山八矿煤层底板构造曲率对瓦斯的控制作用[J].煤炭学报，2010，35（04）：586-589.