矿井构造分型定量评价与突水耦合分析

巩起立

摘 要：构造分定量的评估结果以及矿井突水都具有很显著的关系，分维值的构造越是比较复杂的，突水分布就越是比较集中，耦合关系也证明了矿井突水在一定程度上受到了地质构造的影响，突水点的空间展布和矿井西部高分维值的分布范围也一致。采用容量维对井田构造复杂程度进行合理定量评价机制，可以很好反映井田构造复杂程度问题。

关键词：矿井构造;分型定量;突水耦合

矿井突水的关键因素之一便是地质构造，同时对于矿井水文地质条件也有着控制的作用，在研究中发现，关于构造复杂程度定量评价和突水内容联系问题研究比较少，通过对于构造分部规律研究，进而对其相互之间耦合关系的分析显得尤为重要。

1 矿井突水机制研究重点

某井田走向长为10.6km，宽在3.2～8.5km之间，整个区中没有基岩出露，上面覆盖着新近系、第四系及古近系的冲积层，主要地层从老到新分别为石炭系、奥陶系、古近系及第四系等。从位置上来看，该井田在另外一个矿区的向斜西南端，为一条弧形的单斜构造，地层倾角北部陡一些，倾角在20°～30°的范围内，中东部比较缓，在7°～15°之间，目前已经查出了2个较大褶曲，共有92条断距大于等于10m的断层，基本上已经控制了井田的构造格局。该井田水文地质边界条件几乎和矿区一致，具有压扭的性质，通过抽水试验，证明了其有着阻水性质。煤层隐伏的表露区是西南部，下伏到了新生界松散层以下，南侧则有着区域性断裂隔阻，切断了断层以南地区的水利联系，北部则是开放边界，但是地下的水径流却比较缓慢。由以上分析可以看出，此井田已经受到了构造活动的影响，形成了很完整的封闭-半封闭水文地质单元。从该井田的含水层和隔水层的特征看，新生界松散层可以分为3个隔水层和4个含水层，由于第三个隔水层厚度很大，分部也比较稳定，与下部的四含和基岩含水层，两者之间的水力联系切断，二叠系含水层裂隙不发育，总体的富水性不强，因此成为了矿井的直接冲水水源。下面以该井田为背景针对矿井构造分型定量评价与突水耦合展开进一步分析。

1.1 矿井突水是一种非常严重的井下灾害事故，给煤矿开采也带来了很多危害，会造成巨大的经济损失和人员伤亡问题，经过多年对于涌水现象的研究，面对开采工作会出现很多涌水现象，如果不能合理治理，就逐步会发展成巷道涌水形式导致突水问题，同时这种现象在时间上是很难预测的，就会在安全上带来很大威胁问题。

1.2 国内外关于矿井突水机制研究主要集中在几个方面，第一，水压作为是外部荷载，考虑隔水层水效应公式，可以对突水系数法进行研究;第二，通过隔水底板采東和矿压作用下变形和破坏来研究突水机制的力学模型问题，可以使用原位张裂和零位破坏理论模式;第三，使用系统为理论，多源信息复合分析理论方式进行研究工作。

1.3 有的时候对于突水问题解决会存在一定缺陷性和局限性，可以基于各个类型突水危险性的影响因素综合分析方法评价经验建立模型，很多学者都发现耦合突水模拟有非常重要作用，但是理论上存在很多松散空隙问题，要对于滞后突水发生机制进行合理分析。

1.4 根据理论分析可以看出岩体和地下水相互作用机制，同时建立应力场和渗流场耦合数学模型，运用水头压力和岩体之间关系建立桥梁实现合理耦合，然后再进行合理断裂构造滞后理论基础研究工作。另外，将断裂带物质看作流变材料，以岩体的流变模型为基础，建立流变应力场和渗流场进行相互耦合模型对流，对于双场耦合理论进行补充和研究。还可以利用模拟计算方法，如果断层物质被假设为流变材料时候，可以对于流变和流渗进行模拟计算，这样就可以很好地确定断裂构造中最危险滞后的突水时间问题。还可以对于变参数流变的耦合模型利用实验方法渗透一定系数和应力的耦合关系，最终实现渗流场和应力场的偶合，也就是对于模型渗流参数变化进行机制性解释工作，通过一定编程语言实现对于参数流变耦合条件研究，合理构造滞后突水耦合机制模型。矿井断裂构造带滞后突水会直接威胁到煤矿深度开采工作，基于对于流水耦合理论的研究，要提出非常合理研究方法，更加深入对于矿井构造分型定量评价和突水耦合进行合理分析。

2 关于矿井的构造分形定量评价

2.1 分形和分维的关系，分形几何学研究的主要内容是相似不规则曲线，或具有一定反演性的不规则图形问题。对于地质构造，其实主要指自相性存在，在对断裂构造的研究中，断层和节理断层在几何学和动力学中有着相似性。

2.2 分形的一个非常重要的参数问题是分维，可以通过容量维对于矿井整体构造进而进行精密定量评价的机制，会包括一个矩形，可以把这个矩形分成若干个小方格形式。

2.3 针对于构造复杂的分形评价研究，断层资料和底板等资料齐全，能够利用煤层的采掘平面图，用网格覆盖法进行计算，再进行一定合理评价机制。所有的断层容量维值数据都代表一定分维值，反映了断裂网络复杂程度问题，还可以通过各种软件制作断面分维平面图，对于各种数据，可以通过克里格法对其进行加密的处理，最终找到断层容量平面的分布图。

2.4 井田构造复杂的程度，通常可以通过一般断层的分维值来反映，其复杂程度具有非常明显的不对称性，总体上也是比较复杂背景参数，从全部矿井构造复杂程度分析可以看出，井田边缘地区构造都是比较简单的，各个分布取值都不一样也和勘探揭露程度有一定关系。构造中等发育期的分维值区间，也有着一定的范围，通常会在构造的复杂区与简单区的过滤处，一旦对其进行综合性评价，就会使得复杂程度更高。突水点空间展布以及井西部高分维值的分布也基本上一致，断层附近构造发育和地下水的富集，使得突水点位于小断层的旁边，由突水点位于大的断层端部，在大的断层影响带范围内进行一定合理研究。

3 构造分型定量评价机制和矿井突水耦合分析

3.1 通过突水点的坐标值把突水点投影到平面图上，就能够看到图水电的平面分布图，根据分析可以看住突水点可以采用影响多个分布方式对于煤层储藏比较多的地方进行合理区域性研究，但是构造分形复杂的程度以及矿井突水也有明显的耦合关系。

3.2 突水点及分布和分维的耦合关系，统计可以表明不同的突水点都具有不同的分维值，构造简单的区域和构造复杂区域突水点分维值也比较复杂，同时突水点也相对比较密集，这就说明了耦合关系在地质构造中对于矿井具有非常明显的控制作用。

3.3 突水点的空间展布范围，以及构造展布特征之间的耦合关系，两者之间的方向也可以相互吻合，这和断层的多数性有着一定的关系。通过突水点位置和矿井构造耦合关系的分析会发现，突水点的位置和断层的联系也是非常紧密的，很大一部分都在小断层的附近。断层附近构造裂隙发育是主要的原因，地下水的富集会破坏煤层顶底板的岩石强度，这也就大大降低了隔水层的隔水功能，所以极易在小的断层密集区发生突水现象。

4 结论

根据分型定量的评价和对于断层系分维值，基本上可以反映出对构造复杂程度的分析研究，在一定的范围内，井田内部分维值表明了总体结构层全部相对复杂。矿井突水以及沟槽分形评价之间也存在着耦合的关系。假如分维值较大，突水点分布就会很密集，所以说耦合关系在一定程度上也体现出了地质构造对于矿井突水有着很明显的控制作用。

参考文献：

[1]张春光，姜波，朱慎刚.矿井构造分形定量评价与突水耦合分析[J].矿业安全与环保，2011（05）：40-43.

[2]魏大勇，王飞，许进鹏，许庆青.基于分形与模糊综合评价法的矿井突水危险性评价[J].煤矿安全，2013（08）：184-186.