临涣煤矿八采区10煤层构造复杂程度评价

摘 要：【目的】建立临涣煤矿八采区10煤层地质构造复杂程度评价模型，为矿井安全高效生产提供技术参考。【方法】选取断层的密度、尖灭点及交点个数、分维值、强度指数等反映构造复杂程度的评价指标，采用层次分析法与熵权法耦合方法确定评价指标权重。基于ArcGIS软件建立八采区地质构造复杂程度定量评价模型，绘制研究区构造复杂程度评价分区图。【结果】评价结果表明，构造相对复杂区主要分布在勘探线LJ2与LJ4之间的骑路周断层、大吴家断层及周吴断层和勘探线LJ5与LJ8之间小断层较多的区块，其他区块为相对简单区。【结论】研究结果为煤矿安全开采和突水预测提供了依据。

关键词：临涣煤矿；构造；层次分析法；熵权法；复杂程度评价

中图分类号：TD745" " " 文献标志码：A" " 文章编号：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

作者简介：葛志刚（1999—），男，硕士生，研究方向：水文地质与工程地质。

0 引言

煤矿区地下水是地质环境中最为活跃、动态变化最为显著的构成要素［1］，也是威胁矿井生产安全的重要因素，井田构造尤其是断裂构造是突水的主要影响因素之一。据统计，我国华北煤田约80%的工作面突水事故发生在断层破碎带附近［2］。众多学者在构造复杂程度评价方面开展了大量研究，取得了丰硕的研究成果。徐文军等［3］和张小东等［4］通过选取评价指标，引入煤层厚度分异系数，应用层次分析法定量评价了各自研究区构造的复杂程度；郭强等［5］选取断层分维值、密度值、交变点个数及强度指数特征指标，使用博弈论思想构建序关系分析法和熵权法的组合赋权方法，评价了研究区构造的复杂程度；薛喜成等［6］采用免疫遗传算法（IGA）优化的BP神经网络算法（IGA-BP）综合评价了矿井地质构造的复杂程度；刘德民等［7］基于GIS组件与ANN耦合技术，评价了研究区构造的复杂程度；傅先杰等［8］统计了4个构造评价指标值，基于GIS与灰色模糊法，绘制了研究区构造复杂程度分区图；张文娴［9］运用灰色模糊法，确定评价指标权重并划分了研究区构造复杂程度分区等级。上述评价方法有的强调主观，很容易受到评价者主观意识影响；有的强调客观，但对具体的评价对象，不能完全反映其构造特征。鉴于此，在前人的研究基础上，本研究采用层次分析法（AHP）与熵权法的耦合方法，将主观和客观相结合，更加精准地评价临涣煤矿八采区10煤层构造复杂程度，为矿井安全高效生产提供技术参考，具有重要的实际意义。

1 研究区概况

临涣煤矿位于淮北煤田中部，地层总体上为一走向近东西，呈S形向北倾斜的单斜构造，断裂构造发育。八采区位于矿井西翼，为二叠系含煤地层，主采7、8、9、10等四层煤。采区东以2-3勘探线为界；西、北以骑路周断层上盘断煤交线为界；南部以大吴家断层上盘断煤交线为界；采区上限标高-455 m（7煤层），下限标高-1 050 m（10煤层）。该煤矿走向长4 900 m，倾向长1 200 m，面积为5.11 km2，具体如图1所示。根据三维地震、钻探及井下巷道揭露，断裂构造较发育，以北东向斜切正断层为主，走向大多为北东向和近南北向，倾角为60°～70°。已基本查明采区内发育断层104条，均正断层。按落差H的大小分类：H≥50 m的断层4条；20 m≤H＜50 m的断层8条；10 m≤H＜20 m的断层26条；5 m≤H＜10 m的断层45条；落差H＜5 m的断层21条。

2 构造复杂程度定量评价指标

2.1 单元格划分

单元格划分是评价研究区构造复杂程度的第一步。本研究运用AutoCAD软件打开采区10煤层底板等高线图，以采区边界为限，遵循既要兼顾大断层，又要兼顾小断层的原则。经过试验，发现边长为200 m的单元格能较好描述构造复杂程度。故采用边长为200 m的正方形网格铺满研究区，编号为1～295的单元格，作为评价的基本单元，具体如图2所示。

2.2 评价指标值求取

影响八采区构造复杂程度的因素以断裂构造为主，依据断层的空间展布特征，选取了4个评价指标分别为断裂分维值、断层强度指数、断层密度、断层尖灭点及交点个数，对八采区构造复杂程度进行评价。

2.2.1 断裂分维值。分维是用来定量评价具有自相似性特征的某种结构参数。具有自相似性特征的断裂构造可以被分维统计，经常采用容量维、信息维、广义维数、相似维等4种方法［10］。本研究采用相似维方法来描述断裂构造，设[F（r）]是[Rn]上任意非空有界子集，[Nr]为覆盖[F（r）]所需的分型基元[B]的相似集[r∙B]的最小个数集合，如果[r→0]时，[Nr→∞]，则定义集合[F（r）]相似维见式（1）［11］。

[Ds=dimF（r）=limr→0lgNr−lgr]" （1）

式中：[Ds]为断裂分维值；[F（r）]是[Rn]上任意非空有界子集；[Nr]为在一个单元格内统计断层迹线穿过的网格数；[r]为网格边长，m。

具体做法：以编号为11的单元格为例，边长[r]为200 m。将其划分为4个100 m×100 m、16个50 m×50 m和64个25 m×25 m的网格，依次统计边长为200、100、50和25 m网格数量[Nr]值为1、3、10、27，具体如图3所示。利用Excel把获得的[Nr]与[r]值在lnN（r）-lnr坐标系中做相关性分析，其斜率的绝对值即为所求单元格的断裂分维值，具体如图4所示。

根据此方法计算出所有单元格的断裂分维值，赋值其中心点，使用Surfer画出等值线图，如图5所示。研究区断裂分维值区间为0～1.9。由图5可知，勘探线LJ6和LJ7之间区域小断层众多，断裂分维值大于1.5，小断层较发育。数值小于1的区域出现在研究区周边，断层数量较少。

2.2.2 断层强度指数。断层强度指数是指单位面积内发育的所有断层的落差与其延伸长度的乘积之和，反映单位面积内断层的规模和发育情况［12］，具体见式（2）。

[F=i=1nliℎiS]" （2）

式中：[F]为断层强度指数；[li]为第[i]条断层延伸长度，m；[ℎi]为第[i]条断层的落差，m；[S]为单元格面积，取200 m×200 m；[n]为断层总条数，条。

将每一个单元格计算的断层强度指数赋值于单元格中心点，使用Surfer绘制出等值线图，如图6所示。研究区内断层强度指数区间为0～2.6，由图6可知，其变化分布具有一定的规律。较大值出现区域沿骑路周、周吴、大吴家等3个大断层的走向分布。较小值区域出现在骑路周断层和大吴家断层之间，断层较多，但落差较小。

2.2.3 断层密度。断层密度是指单位面积内发育断层的条数［13］，具体见式（3）。

[M=NS] （3）

式中：[M]为断层密度，条/km2；[N]为断层条数，条；[S]为单元格面积，取200 m×200 m。

将每一个单元格计算的断层密度赋值于单元格中心点，使用Surfer画出等值线图，如图7所示。断层密度值范围为0～155。由图7可知，研究区内断层密度在勘探线LJ6和LJ7之间区域出现极值，较发育，研究区四周区域断层发育较弱。

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图7 断层密度等值线

2.2.4 断层尖灭点及交点个数。研究区10煤层底板断层尖灭点和断层相交区域，构造裂隙带较发育，可能其导水性较好，在开采时极易成为矿井突水的良好通道［14］。统计每个单元格内的该指标个数，用Surfer软件绘制等值线图，如图8所示。断层尖灭点及交点个数数值区间为0～6.2。由图8可知，研究区内断层交点和尖灭点个数在勘探线LJ6和LJ7之间出现极值，导水危险性较高。较小值出现在研究区四周，导水危险性较小。

3 构造复杂程度定量评价

3.1 层次分析法（AHP）

AHP模型分为3个层次［15］：目标层（A层）为构造复杂程度评价；准则层（B层）为4个评价指标，即断裂分维值（B1层）、断层强度指数（B2层）、断层密度（B3层）和断层尖灭点及交点个数（B4层）；决策层（C层）为上述4个评价指标数值的具体范围。构造复杂程度评价层次结构模型如图9所示。

用专家的经验衡量各评价指标之间相对重要程度，对照T.L.Saaty创立的1～9标度法进行打分，构建判断矩阵［16］，见式（4）。经一致性检验，CR=0.005lt;0.1，通过一致性检验。确定各评价指标的权重，具体见表1。

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

3.2 熵权法

熵权法属于客观赋权法，根据各指标的变异程度赋予权值。根据熵权法理论，利用标准化后的各评价指标的数据计算各自信息熵值，而后基于各项评价指标的变异程度，利用信息熵计算各个评价指标的权重，得到构造复杂程度评价指标的客观权重值［17］。

然后，将原始数据进行标准化处理。设决策目标是由n个评价指标、m个评价对象构成的原始矩阵见式（5）。

[X=xij=x11……x1n…………xm1……xmn]" "（5）

将[X]矩阵标准化，对于越小越优型指标，公式见式（6）。

[yij=maxxi−xijmaxxi−minxi]" " " " " " （6）

式中：[yij]为标准化得出的指标； [maxxi]为第[i]评价指标最大值；[xij]为第[i]评价指标第[j]个评价对象；[minxi]为第[i]评价指标最小值。

对于越大越优型指标，公式见式（7）。

[yij=xij−maxximaxxi−minxi] （7）

标准化得到式（8）。

[Y=y11…y1m………yn1…ynm] （8）

标准化后4个指标数据的处理值见表2。确定评价因子的熵[Hi]见式（9）。

[Hi=−j=1mpijlnpijlnm]" （9）

当[pij]=0时，[lnpij]无意义。为保证[pij]有意义，将[pij]的公式定义为式（10）。

[pij=（1+yij）i=1m（1+yij）]" （10）

确定评价因子的熵权[wi]，见式（11）。

[wi=1−Hin−i=1nHi]" （11）

根据熵权法的计算公式，得出各评价指标的熵值向量[Hi]和权重[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，利用熵权法得出构造复杂程度评价指标的权重值，见表3。

3.3 综合权重

利用乘数归一法将熵值权重和层次分析法得到的权重相耦合［18］，得到综合权重，公式见式（12）。

[w3i=w1iw2ii=1mw1iw2i] （12）

式中：[w3i]为综合权重； [w1i]为层次分析法权重；[w2i]为熵权法权重。通过公式计算得出综合权重，见表4。

3.4 定量评价模型

通过ArcGIS软件将各评价指标数据量化生成评价指标专题图，并将层次分析法和熵权法得出的综合权重与各评价指标进行耦合，从而构建出构造复杂程度定量评价模型，具体见式（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]为构造复杂性指数； [Wk]为各评价指标权重；[fkx，y]为各评价指标函数； [x、y]为其坐标。

利用ArcGIS软件自有的自然间断点分级法（Jenks），将研究区划分为4个评价区域，各级的分级阈值分别为0.20、0.30、0.38。V＜0.20为简单构造区；0.20≤V＜0.30为中等构造区；0.30≤V＜0.38为复杂构造区；V≥0.38为极复杂构造区。由此得出临涣煤矿八采区构造复杂程度分区如图10所示。

由图10可知，极复杂构造区约占总面积的17%，主要分布于勘探线LJ1与LJ5之间骑路周断层、勘探线LJ8与LJ10之间大吴家断层和勘探线LJ6与LJ8之间小断层众多的区块。两个断层的落差最大，中间区域小断层众多，构造发育程度极为复杂；复杂构造区约占总面积的35%，主要分布于勘探线LJ2与LJ4之间的骑路周断层、大吴家断层、周吴断层和勘探线LJ5与LJ8之间小断层较多的区块；中等构造区约占总面积的30%，分布在复杂区的边缘，其断层分维值、强度指数、密度、尖灭点及交点个数较为均衡，构造发育程度中等；简单构造区约占总面积的18%，大多分布研究区的四周，断层数量较少，地层发育较为稳定。

4 结论

①通过层次分析法权重与熵权法权重进行乘数归一法耦合，得到了断裂分维值、断层强度指数、断层密度、断层尖灭点及交点个数等评价指标的综合权重依次为0.253 6、0.420 6、0.04 0、0.282 8。该综合权重将主观和客观相结合，使评价结果更加准确合理。

②利用4个评价指标的综合权重，基于ArcGIS软件建立构造复杂程度评价模型，将研究区划分为简单构造区、中等构造区、复杂构造区、极复杂构造区，各约占总面积的18%、30%、35%、17%。构造相对复杂区主要分布在勘探线LJ2与LJ4之间的骑路周断层、大吴家断层及周吴断层和勘探线LJ5与LJ8之间小断层较多的区块，其他区块为相对简单区。

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