融合突水系数和断裂构造分维值的工作面底板突水危险性评价

韩 璐，韩 进，赵冠宇，刘天浩，李维康

(1.山东科技大学地球科学与工程学院，山东青岛 266590；2.山东科技大学计算机科学与工程学院，山东青岛 266590)



融合突水系数和断裂构造分维值的工作面底板突水危险性评价

韩 璐1，韩 进2，赵冠宇1，刘天浩1，李维康1

(1.山东科技大学地球科学与工程学院，山东青岛 266590；2.山东科技大学计算机科学与工程学院，山东青岛 266590)

针对北皂煤矿H2108工作面开采受底板中砂岩突水威胁的现状，在综合分析工作面水文地质特征和底板突水危险性影响因素的基础上，为解决突水系数法评价煤层底板突水危险性的局限性，提出运用信息融合的方法将突水系数与断裂构造分维值相融合，对工作面开采突水的可能性进行了综合评价，并对煤层底板突水的危险区域进行分区与预测，得出了北皂煤矿H2108工作面总体能实现安全开采的结论，给出了工作面安全开采底板突水防治措施。

突水系数；断裂构造分维；底板突水评价

0 言

随开采深度、强度和规模的不断扩大，矿井底板突水的防治成了煤矿安全生产迫切需要解决的问题[1]。在研究底板突水过程中，提出了多种突水评价方法与理论，主要包括突水系数法、原位张裂与零位破坏理论、强渗通道说、岩水应力关系说、关键层理论、“下三带”理论、“下四带”理论、突变理论、“突水优势面”理论等[2-10], 这些方法和理论都是随着科学技术进步而不断地发展和丰富的。信息融合技术是20 世纪80 年代形成和发展起来的一种自动化信息综合处理技术[11]，将其应用于矿井水害防治,已成为底板突水预测预报研究的方向。影响研究区底板突水的主要因素[12]有：含水层富水性、地质构造、隔水层厚度、含水层水压、矿山压力、底板岩性组合等，针对影响底板突水因素具有量纲不一、定性、定量并举的技术难点，本文运用信息融合的方法，将突水系数和断裂构造分维值相互融合，获得研究区底板突水危险性综合分区图，指导煤矿安全生产。

1 矿井地质及水文地质条件

北皂煤矿位于山东省龙口市区西北处，总体构造形态为向东南倾伏的褶曲构造，次级褶曲发育，褶曲轴短，断层密集，均为正断层，多呈雁行式排列，构造类型属于中等。北皂煤矿H2108工作面位于井田的近中部，开采煤层为煤2。煤层的直接顶板为17.74 m的含油泥岩，直接底板为5.37 m的泥岩，影响煤层安全开采的含水层为厚度6.2 m的底板中砂岩(图1)。

根据井田抽水试验资料，q=0.0872 ～0.1320 L/(s·m)，属于弱-中等富水性。由于H2108工作面底板隔水层较薄， 需要对工作面开采的突水可能性进行评价。

图1 北皂煤矿H2108工作面柱状Figure 1 Columnar section of Beizao coalmine working face H2018

2 工作面底板突水危险性评价

2.1 突水系数计算

根据《煤矿防治水规定》[13]，突水系数计算公式为：

(1)

其中：T为突水系数，MPa/m；P为隔水层底板承受水压，MPa；M为底板隔水层厚度，m。突水系数的临界值：即正常地质块段不大于0.10 MPa/m，构造破坏块段不大于0.06 MPa/m。

根据北皂煤矿钻孔资料及矿井充水性图,利用突水系数计算公式(1)计算，并借助Surfer软件绘制出煤2底板突水系数等值线图(图2)。

图2 北皂煤矿煤2底板突水系数等值线Figure 2 Isogram of Beizao coalmine coal No.2 floor water bursting coefficient

2.2 断裂构造分维特征

井田内断裂构造发育，导致煤岩层中储存着大量的裂隙水。井田内的含水层从上至下主要有：第四系砂砾层含水层，煤1、煤2底板砂岩含水层，煤3至煤4间砂岩含水层。其中煤2底板砂岩含水层是开采煤2的间接充水含水层。

开采煤层时，煤层顶板冒裂带范围内的砂岩、泥灰岩等含水层水为涌入矿井的直接水源。在断层影响层间距减小情况下，采掘及工作面开采有可能直接揭露各含水层，发生突水事故。由于断裂构造对底板砂岩裂隙发育及其富水性起着重要的控制作用，所以本井田断裂构造复杂程度是工作面底板突水危险性评价的重要指标。本文采用断裂构造分维值[14]定量化描述断裂构造的复杂程度。

首先以构造纲要图为底图，建立坐标，记录下该范围的左下角和右上角坐标。此次计算选取的左下角坐标为 (0，0)，右上角坐标为 (70，80)，并划分出56个块段，筛选出有效块段为39个，统计每一个块段内断裂构造的数量。将每一个含断裂构造的块段分别缩小为原先的1/2和1/4(即令r=1/2和r=1/4)，然后分别数出r=1/2和r=1/4时的断裂构造数量N(r)值。由相似维定义式[15]：

(2)

统计计算得到个块段的分维值。

把块段的分维值赋给该块段的中心点，然后用Surfer软件进行样条插值，绘制出煤层底板断裂构造分维等值线图(图3)。分维值的大小与疏密反映了断裂带分布的复杂程度，在断裂带发育的区域，构造越复杂，断裂构造分维值越大，等值线越密集。

图3 煤层底板断裂构造分维等值线Figure 3 Isogram of coal floor faulted structure fractal dimension value

根据分维值(D)的大小，将断裂构造的复杂程度划分为3个不同的等级，分别为：复杂、中等、简单，即，分维值小于1.0的为简单构造区，分维值在1.0～1.2的为中等构造区,分维值大于1.2的为复杂构造区。

从图4中可以看到：(1)井田西北部地区等值线稀疏且分维值不高，说明断裂分布稀疏；(2)井田中部等值线疏密不均，局部密集，形成封闭的高值区，说明断裂分布不均匀，以密集成带为特点；(3)井田西南部、东北部和东部，等值线密集，分维值变化不大，说明断裂分布均匀，但分维值很小，说明断层和褶曲较少。

2.3 底板突水危险性综合评价

若仅采用突水系数法评价底板突水危险性，方法过于单一性，本文采用突水系数和断裂构造分维值相融合来综合评价底板突水危险性[16]。

具体的评价做法是：将井田的突水系数等值线图(图2)与断裂构造分维等值线图(图3)进行叠加，具体的融合规则见图4，由此得到煤层底板突水危险性分区图(图5)。

图4 突水系数与断裂构造分维值融合规则Figure 4 Data fusion regulation of water bursting coefficient and faulted structure fractal dimension value

图5 北皂煤矿煤2底板突水危险性分区Figure 5 Beizao coalmine coal No.2 floor water bursting hazard partitioning

图6中Ⅰ区为安全区，分布在东部、西北部以及中部偏北区域，该区域内断裂构造发育程度低，且突水系数较小，故突水可能性较小。Ⅱ区为较危险区域，该区位于井田北部、中部的部分区域和西南部，断裂构造较发育，因此具有较大的突水可能性。Ⅲ区为突水危险区，分布在井田中部和西南部的部分区域，该区域断裂构造复杂，有多条断层与褶皱汇集于此，造成区域内岩体破碎，且突水系数较高，也最易发生突水事故。

由图3可看出H2108工作面底板突水系数小于临界值0.06 MPa/m，属于安全区，然而根据图6，可见H2108工作面绝大部分属于安全区，但在东部一角属于较危险区。

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Working Face Floor Water Bursting Hazard Assessment through Data Fusion of WaterBursting Coefficient and Faulted Structure Fractal Dimension Value

Han Lu1, Han Jin2, Zhao Guanyu1, Liu Tianhao1and Li Weikang1

(1.College of Earth Science and Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao, 266590;2.College of Computer Science and Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao, Shandong 266590)

In allusion to the status quo of the Beizao coalmine working face H2108 mining threatened by floor sandstone aquifer water bursting, on the basis of working face hydrogeological features and floor water bursting hazard impacting factor integrated analysis, to avoid limitations from water bursting coefficient method coal floor water bursting hazard assessment, put forward the data fusion of water bursting coefficient and faulted structure fractal dimension value. Then comprehensively assessed working face mining water bursting possibility and carried out coal floor water bursting hazard area partitioning and prediction. The conclusion is that the working face safe mining can be realized, and working face floor water bursting control measures worked out.

water bursting coefficient; faulted structure fractal dimension; floor water bursting assessment

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.06.10

1674-1803(2017)06-0055-03

国家自然科学基金(41572244)；教育部高等学校博士学科点科研基金(20133718110004)；山东省自然科学基金(ZR2015DM013)。

韩璐(1993—)，女，山东菏泽人，在读硕士研究生，现从事矿井水害防治研究工作。

2017-01-12

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责任编辑：樊小舟