新集煤矿地质构造发育特征及充水因素分析

摘要：本文以永春县新集煤矿为例，针对其水患现状，在分析研究区地质、水文地质特征、构造特征的基础上，用分维理论定量分析了矿井断层构造的空间发育特征，分析了矿井充水因素及潜在的水害威胁，并给出了相应的建议，对于矿井安全生产具有一定的理论和现实意义。

关键词：构造；分维理论；充水因素

中图分类号：TD745 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）44-0106-02

一、引言

矿井水是影响煤矿安全生产的重要危险源之一，应全面分析充水因素，合理、科学地预测矿井水害威胁类型及程度，才能为煤矿安全开采提供保障。利用矿井构造的分维理论能够定量分析断裂构造空间展布的复杂程度，分维值可以综合体现构造迹线的发育规模、疏希多寡、组合展布方式等特征。本文在综合分析研究区的水文地质条件的基础上，详细搜集永春县新集煤矿构造及水文资料，利用分形理论的相关研究方法对断裂构造进行定量评价，最后指出了潜在的水害因素，并给出相应的建议。

二、矿井地质及水文地质概况

新集煤矿位于永春县境内，矿区地貌为中低山型侵蚀构造类型。地势总体上北东部位较高，向西南逐渐变低，地形复杂，基岩陡坎，沟谷切割深。井田内出露的地层为二叠系下统童子岩组地层，本井田内所揭露的含煤地层包括童子岩组第三段（P1t3）、第二段（P1t2）和第一段（P1t1）。

含水层（组）主要包括第四系含水岩组和二叠系下统童子岩组含水岩组。二叠系下统童子岩组第二段地层为主要隔水岩组。区内构造较复杂，断层较为发育。小型断层及褶皱对巷道渗水影响较大。所揭露的巷道，顶板滴水主要位于裂隙带附近，而其余巷道顶板干燥或偶滴水。

研究区地下水的补给来源主要为大气降水，大气降水通过包气带以活塞式及捷径式两种入渗方式下渗，对第四系松散沉积物及风化带中的孔隙、裂隙潜水含水层补给，层层递进最终补给到基岩裂隙水，这个过程中断层及后期形成的构造裂隙是主要的导水通道，也是大气降水向矿井排泄的部分途径之一。矿井浅层的地下水主要以泉水形式从低洼沟谷等处排出，由于多年开采的影响，矿区大部分泉点已接近枯竭。

矿区断层裂隙等构造是重要的充水因素，虽然大部分断层含、导水性都较弱，但断层分布的随机性及不均一性等都有可能使之成为矿井充水通道。除此之外，矿井的延续开采会打破矿体周围岩体的力学平衡状态，断层的水文地质特征、含导水性等都有可能发生变化，一旦断层切割到了含水层，就有可能导通含水层与工作面，此时断层导水的威胁比较大。

三、矿区地质构造分形特征研究

1.矿井构造规律量化研究。目前国内外对断层、节理及显微断裂构造等复杂程度的研究逐渐由定性向定量定性相结合的方向转变，其中定量评价方面，大多是依据构造在几何特征、运动学理论和动力力学特征等方面具有统计学的自相似性，利用显微规模的断裂构造分析来推测研究宏观规模的断裂，或借助宏观的区域性和矿区范围内的断裂构造来推测、研究井田、矿井范围内的断裂构造特征，这即为分形思想在定量分析断裂构造特征时的具体应用。目前，矿井构造的分维评价在一些矿井研究中的应用卓有成效，日益受到人们的重视。

2.构造分维值的计算方法。分形理论是近年来新兴发展起来的一门新学科。分形是指系统具有“自相似性”和“分数维度”。不管用什么类型和大小的尺度去测量，不论是从时间角度或者空间角度上看，物体的形状都是相似的；系统的局部同整体性质相似，为没有特征尺度的自相似的结构。同样在统一对象的各个部分之间或者不同整体之间，彼此也都具有较高的自相似性。但自相似性的表现形式通常是十分复杂的，简单地放大一定倍数并不能完全和整体重合。

本文所用的数盒子法是对断裂分形图形进行分维值计算中较为有效且广泛应用的方法。数盒子方法具体为：首先用边长为r的正方形盒子覆盖构造图形，由于构造分形图形并不是连续面状覆盖分布的，故会出现一些空的盒子，也会有部分盒子遮进了图形的一少部分，数点非空盒子总个数，记为N（r）。不断级数倍的减小格子的边长，使r=r0/2、r0/4、r0/8、r0/16，与边长r相对的N（r）将不断增大，统计每一个通过构造迹线的格子数目N（ri）。投放到lgN（r）-lgr坐标系中拟合出一条直线，该拟合直线斜率的绝对值即为该块段的断层分维值，以此为指标定量计算构造的分维数。

本文以煤层底板等高线为基础图，用大小为100m×100m的格子将井田划分区块，并依次将非空格子编号，后将每个格子划分为100m×100m、50m×50m、25m×25m的小格子，并分别算出每个级别小格子里中断层迹线的条数，利用分维理论分别求出相关系数及特征值，利用计算机软件绘制出井田断层分维值等值线图（见图1）。

分析计算所得数据及所做的等值线图，总结可知。

（1）研究区内断层分维值为0.4551-1.2772，各单元分形维数的相关系数均大于0.8771，说明断层迹线的分布在所选择的标度下表现出较高的自相似性，线性拟合关系良好。

（2）井田内断层迹线分维值变化较为规律，等值线整体变化趋势与主体断层迹线展布情况一致：断层长度较大，断层分布密集的部位，分维值较大，如井田北部钻孔K28以北地区；断层稀疏，分布相应较少的部位，断裂构造不发育，分维值低，复杂程度相对简单，如井田东南部钻孔K91～K2连线以南。其余大断层分布较少的地区，分维值大小居中，构造复杂程度中等；而在研究区内几组大断层相互交错的地方，断层的分维值都较大，断裂构造发育程度复杂。

四、结论与建议

1.结论。本文分析了永春县新集煤矿地质及水文地质特征，对矿井的充水条件进行了详细的分析、归纳与总结，并利用分维分形理论，定量分析了断层的发育情况，得出下列结论：（1）煤系地层受两组断裂切割。矿井开拓范围内可见的断层可分为二组：一组以北东向逆断层为主，如西北边界的F48、F49号断层；另一组为北西向正断层，如F18号断层和南界的F25号断层。断层的发育破坏了煤层分布的连续性及本身和围岩的稳定性。断层虽大部分为弱导水性，但随着开采的进行，仍有活化的可能性，是重要的充水因素。（2）利用分形理论统计分析作图可知：①断层分布密集的部位，分维值较大，如研究区北部。②断层稀疏，分布相应较少的部位，分维值低，如研究区东南部。③井田内断层迹线分维值变化较为规律，等值线整体变化趋势与主体断层迹线展布情况一致。

2.建议。矿山目前没有存在水害隐患，但随着时间的推移，开采条件会发生变化，断层也会进一步发育。因此，矿山在今后开采中，必须做好以下几方面的防治水措施：（1）矿井开采过程中应进行必要的超前探水，配备探放水设备，对可疑地段必须认真执行规程中规定的相关探放水原则。（2）加强矿山地质勘察、水文地质监测等工作，详细搜集有关井巷工程、断裂破碎带等位置资料，水文地质动态及钻孔涌水量变化的资料，预防老空积水区同开采井巷因断层活化导水而发生水力连通；雨季要加强地表巡查，若发现地面沉陷坍塌、地裂缝等隐患应及时采取有效防范措施。

参考文献：

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