矿井地质构造是影响煤矿生产的重要因素之一，不仅制约着矿井采区、巷道的布置，同时也是诱发煤与瓦斯突出、矿井涌水等事故的重要原因。大量研究表明，煤与瓦斯突出经常发生在断层、褶皱轴部等地质构造复杂带，造成大量人员伤亡和财产损失，准确评价矿井地质构造复杂程度对矿井安全生产具有重要意义。目前，应用于矿井地质构造复杂度定量评价的数学方法有熵函数法、灰色理论法及等性块段法等，但这些方法由于主观性太强而具有一定的局限性。等性块段法计算方法过于简单，在指标赋值方面具有较大的经验性；熵函数法、灰色理论法对模糊的事物不能充分评价，这些因素都会使评价结果与实际相差较大，而模糊综合评价法是基于指标数据对模糊对象进行系统评价，能较为客观、准确地反映地质构造复杂程度。本文依据平顶山首山一矿矿井生产地质资料对己组煤层地质构造进行定性分析，并采用模糊综合评价方法对己组煤层地质构造进行定量评价，据此划分首山一矿己组煤层地质构造等级，为合理开采己组备采区域煤层和防治瓦斯突出等灾害提供了科学依据。

1 矿井地质特征

1.1 矿井地质背景

首山一矿位于平顶山市东北襄城县内，井田内褶皱及断裂构造较发育，主体构造白石山背斜及其北东向的灵武山向斜和南西向的李口向斜均属于纵弯褶皱，轴向均为320°左右，两翼倾角10°～20°；矿井已探明的大断层有14条，走向为NEE向和NNE向，沟李封正断层和高沟逆断层在井田内延展长度最大，其中沟李封正断层位于井田西侧，切割白石山背斜和灵武山向斜，落差约为150 m，井田内延展长度达5500 m；高沟逆断层位于井田东部白石山背斜轴部附近，落差约为40 m，井田内延展长度达2070 m；其余断层均位于沟李封正断层东侧附近，落差10～30 m，延展长度均小于1000 m；除此之外，己二采区巷道编录的小断层多达352条，多以落差为0.5 m左右的正断层为主，走向多为NEE向和NWW向。首山一矿地质构造纲要图见图1。

1.2 地质演化分析

平顶山煤田位于华北板块南缘，受加里东运动的影响，该区在中奥陶及早石炭世地壳处于抬升阶段，导致地层沉积间断；中石炭世，加里东运动结束，地壳再次沉降，接受沉积，自石炭世煤系地层沉积以来，该地区经历了印支、燕山、喜山三期构造运动。不同地质时期，该区受到来自不同方向的构造运动，在不同挤压应力下所形成的构造形式不同。

印支期由于南北板块挤压作用在该区域形成最大主应力方向近NS向的构造应力场，板块碰撞带附近沉积的地层由于构造挤压作用而强烈变形，形成一系列轴向近EW向的褶皱构造以及走向近EW向的逆断层与走向近SN向的正断层；燕山早期，太平洋板块向欧亚板块俯冲，在该地区形成最大主应力方向近似NW向挤压应力场，地层由于挤压应力的影响而发生褶皱作用，当所受构造应力达到岩层破裂强度时形成一系列NW向正断层及NE向逆断层；燕山晚期，区域应力方向发生变化，最大主张应力方向近似NW向，最大主挤压应力方向近似NE向，在该区域形成一系列轴向近NW向的褶皱，白石山背斜、李口向斜以及灵武山向斜均是在此时期形成，由于白石山背斜两翼岩层受构造应力作用变形强烈，局部岩层发生断裂，形成一系列NW向逆断层和NE向正断层；喜山期，印度板块沿NNE向作用于欧亚板块，在该区形成最大主应力方向近似SN向的构造应力场，此时煤层遭受进一步的破坏。

根据对该地区褶皱构造及断裂构造特征的分析发现，该地区地质构造主要以近NW向的褶皱以及走向近NE向、NW向的断层为主，如表1所示，只有F12正断层为NS走向，未发现EW向构造，表明该地区地层主要受近NE-SW向构造应力作用影响最大，其次为NW-SE向构造应力作用，由此可知，印支期与喜山期板块运动对该地区造成的影响主要表现为地层的抬升而未进一步发生其他构造运动，燕山运动造成该区域地层发生强烈的褶皱与断裂作用，对该矿井含煤地层改造、破坏作用最大。

2 己组煤层地质构造复杂程度评价

2.1 己组煤层地质构造复杂程度定性评价

首山一矿钻孔揭露己组煤层厚度为3～10 m，平均厚度为6 m，己组煤层以厚煤层(3.5～8 m)为主，局部区域出现特厚煤层(>8 m)，煤层厚度总体有一定的变化，厚煤区相对薄煤区反映在走向上呈波浪式变化，矿井中南部区域，煤层分叉为己15煤层和己16-17煤层，两层煤之间的夹矸厚度约为3 m，岩性以泥岩、砂质泥岩为主，含煤地层沿走向、倾向的产状有一定的变化，走向在290°～320°之间，倾角在8°～20°之间。矿井所探明的断层均切割己组煤层。

在矿井西部区域，由于沟李封大断层(F14)的影响，白石山背斜被切割，附近断层发育较为密集，落差较大，呈雁形排列，断层走向多为NNE向及NEE向，含煤地层受构造运动影响较大，煤层破坏严重。

矿井中部区域，断层密度较小，且断层多为延伸长度较小的小断层，含煤地层受构造运动影响相对较弱。

在矿井中东部区域，发育有高沟逆断层(F13)，落差较大，并切割白石山背斜北东翼，造成北东翼较陡，南西翼较缓，形成大范围的封闭空间。

通过分析己组煤层地质特征发现，井田内断层较为发育，对采区的合理划分和采煤工作面的连续推进有一定影响，依据《煤矿地质工作规定》将矿井己组煤层地质构造复杂程度定性的划分为中等-复杂。

2.2 己组煤层地质构造复杂程度定量评价

模糊综合评价法是一种能够较为客观、准确地反映事物本质的数学方法，评价步骤为：选取评价指标-确定指标权重-确定评语集-确定白化函数-模糊运算。

为准确划分出己组煤层不同区域地质构造复杂程度等级，以便在煤层开采时针对不同地质构造等级区域采取相应的安全生产措施，在己15-17煤层底板等高线图(1∶5000)上分别以平行与垂直经纬线的方向划分为200 mm×200 mm的正方形单元格，将覆盖井田范围的29个单元格进行编号，利用模糊综合评价法对己组煤层不同单元格地质构造等级进行评价。

2.2.1 评价指标的选取

现有矿井地质构造复杂程度评价指标有断层强度、断层密度、褶皱复杂程度系数、褶皱平面变形系数以及煤岩层倾角复杂程度系数等，通过矿井瓦斯地质资料分析发现该矿煤岩层倾角较小，整体煤层延伸较为平缓，故本次评价不考虑煤岩层倾角变化的影响，依据首山一矿己15-17煤层底板等高线图(1:5000)，选取断层密度、断层强度以及褶皱复杂程度系数作为定量评价该矿井复杂程度的指标。

(1)断层密度(M)反映了断层发育程度的强弱：

(1)

式中：M——指定单元格内的断层密度，条/106 m2；

K——指定单元格内的断层总条数，条；

S——指定单元格的面积，106 m2。

通过首山一矿己15-17煤层底板等高线图计算出每个单元格内断层密度值，见表2。

(2)断层强度(K断)反映了断层对煤岩层的破坏程度；本文断层断距用落差来表示：

K断

(2)

式中：K断——指定单元格内的断层强度；

Hi——指定单元格内第i条断层落差，m；

Li——指定单元格内第i条断层的延伸长度，m；

s——指定单元格的面积，103 m2。

通过首山一矿己15-17煤层底板等高线图计算出每个单元格内断层强度值，见表3。

(3)褶皱复杂程度系数(K褶)反映了褶皱的发育程度，为了更好地反映单元格内褶皱最大复杂程度系数以及预测瓦斯突出，本文采用单元格内褶皱变形量最大值作为褶皱复杂程度系数值。公式为：

K褶

(3)

式中：K褶——指定单元格内的褶皱复杂程度系数；

Lmax——指定单元格内弯曲度最大的等高线长度，m；

Lmaxo——指定单元格内等高线两端点间最短距离，m。

通过首山一矿己15-17煤层底板等高线图计算出每个单元格内褶皱复杂程度系数值，见表4。

2.2.2 确定指标权重

由于不同的指标在定量评价地质构造复杂程度中相对重要程度不同，因此为了得到更准确的评价结果，本文采取双权重对指标进行评价，然后确定每个指标的权重。

(1)程度权重(Wi)。计算指定单元格内某个评价指标程度权重的计算公式为：

(4)

式中：Wi——指定单元格内第i个评价指标的程度权重；

xi——指定单元格内第i个评价指标的计算值；

Si1——指定单元格内第i个评价指标评语集中一级和二级的分界值。

(2)因素权重(Ai)。单元格内某个评价指标因素权重计算采用的数学方法为灰色关联分析法，首先通过确定某项指标作为参考数列，其他指标作为比较数列，把所计算单元格内的数据无量纲化、初始化、均值化，然后计算参考数列与某一项比较数列相对应指标数据之差的绝对值，之后选取最大的绝对值差与最小的绝对值差，计算出评价指标的关联系数与关联度，最后再归一化处理得到权重系数，由于白石山背斜为该矿井的主体构造，因此将褶皱复杂程度系数作为参考数列，其他两项指标作为比较数列，经过计算得出3项指标之间的关联度以及因素权重，见表5。

(3)双权重(ηi)。通过计算每一个特定单元格内某一评价指标的程度权重与因素权重的乘积，得出不同单元格每个评价指标的双权重ηi：

ηi=Ai×Wi

(5)

式中：ηi——指定单元格内第i个评价指标的双权重；

Ai——指定单元格内第i个评价指标的因素权重；

Wi——指定单元格内第i个评价指标的程度权重，i=1,2,3。

2.2.3 确定评语集

采用《煤矿地质工作规定》中地质构造四类划分法将该矿井地质构造划分为简单、中等、复杂、极复杂4个等级，评语集V={v1，v2，v3，v4}，v1代表简单，v2代表中等，v3代表复杂，v4代表极复杂。根据各个评价指标数据特征，采用每一个评价指标的最大值、最小值、平均值以及整体数据的分布特征确定等级标准，最终确定各个指标数据范围相对应的构造等级，见表6。

2.2.4 确定白化函数与灰色模糊运算

通过分析各指标数据与构造复杂程度的关系，确定该矿井分级类的白化函数，以褶皱复杂程度系数为例，得出构造等级分别为：简单f11(x)、中等f12(x)、复杂f13(x)、极复杂f14(x) 4个等级的函数，具体如下：

同理可以得出其他指标的白化函数，此处不一一列举。

每个单元格内构造复杂等级是通过计算每个单元格内的聚类系数σij来确定的，通过分别计算确定单元格内每一个参数不同等级j的白化函数值fij(x)与双权重乘积之和得出聚类系数σij，聚类系数的计算公式为：

(6)

式中：σij——指定单元格内第i个参数第j等级的聚类系数值；

fij(x)——指定单元格内第i个参数第j等级的白化函数值；

ηij——指定单元格内第i个指标的双权重值；i=1,2,3，j=1,2,3,4。

通过比较不同等级j的聚类系数大小，遵循最大聚类系数值原则，从而确定单元格的构造复杂程度等级，见表7，并得到首山一矿己组煤层构造复杂度定量评价结果，如图2所示。

3 己组煤层地质构造复杂程度综合分析

通过分析首山一矿矿井地质构造及煤层产状特征，将矿井地质构造复杂程度等级划分为中等-复杂，且构造较复杂区域主要分布在矿井西部沟李封正断层附近及中东部高沟逆断层附近区域。采用模糊综合评价法更精确地显示出矿井不同区域地质构造等级，分析覆盖矿井己组煤层的29个单元格内地质构造复杂程度定量评价结果，见表7，构造等级简单单元格共12个，占总单元格数的41.4%，中等及中等以上的单元格17个，占总单元格数的58.6%，地质构造复杂程度等级为中等-复杂，且构造较复杂单元格分布区域与定性评价结果一致；评价结果与矿井己组煤层实际生产区域已揭露的情况进行对比，情况基本一致，证明了评价的合理性，根据图2所示，将己组煤层按地质构造等级划分为以下3个区域：

(1)北西向沟李封正断层(F14)附近，受白石山背斜与沟李封正断层的影响，发育一系列走向NE-SW断层，断层密度与断层强度较大，构造等级程度复杂、极复杂；

(2)中南部区域，断层密度与断层强度较小，整体构造等级为简单偏中等；

(3)北东向高沟逆断层(F13)附近，主要受高沟逆断层的影响，该区域构造等级呈中等偏复杂。

4 结论

(1)首山一矿地质构造特征统计分析表明：矿井含煤地层自中石炭世沉积以来，受燕山期构造运动作用影响较大，印支期和喜山期对该区域地层影响相对较弱，燕山运动使该区域煤岩层发生褶皱变形，形成一系列轴向近NW向的褶皱，局部区域由于构造应力较大，煤岩层发生断裂，形成断裂构造。

(2)己组煤层地质构造等级整体呈中等偏复杂，区块构造等级受断层影响较大，断层密度与断层强度值较大的区域，构造等级呈复杂、极复杂，断层发育较弱的区域构造等级呈简单偏中等；依据构造复杂程度综合评价结果将该矿井按构造等级划分为3个区域，构造等级呈复杂、极复杂的北西向沟李封断层附近区域，构造等级呈简单偏中等的中南部区域，构造等级呈中等偏复杂的北东向高沟逆断层附近区域。

(3)首山一矿沟李封断层附近区域及高沟逆断层附近区域己组煤层为现阶段主采煤层，瓦斯压力大，构造等级较高，在开采备采区域己组煤层时，应严格采取防突措施。

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Research on the geological structure complexity of the F group coal seams in Shoushan No.1 Mine

Sun Xiangcheng1, Zhang Youyi2

(1.College of Geosciences and Surveying Engineering, China University of Mining and Technology, Beijing, Haidian, Beijing 100083, China;2. China Pingmei Shenma Energy and Chemical Group Co., Ltd., Pingdingshan, Henan 467000, China)

Abstract Based on the grading problem of the geological structure complexity of the F group coal seams in Shoushan No.1 Mine, three evaluation indexes, including fault intensity, fault density and fold complexity coefficient, were selected on the basis of the statistical analysis of the tectonic development characteristics. Fuzzy comprehensive evaluation method was used to evaluate quantitatively the geological structure complexity of the F group coal seams, and the grading map of the geological structure complexity was obtained, and the F group coal seams were divided according to the geological structure grade. The evaluation results accurately reflected the geological structure complexity of the mine and provided technical support for coal mine safe and efficient production.

Key words geological structure, grey fuzzy comprehensive evaluation method, tectonic level, tectonic division

中图分类号 P618.117

文献标识码 A

引用格式：孙向成，张友谊. 首山一矿己组煤层地质构造复杂程度研究[J].中国煤炭，2019，45(6)：102-107，113.

Sun Xiangcheng, Zhang Youyi.Research on the geological structure complexity of the F group coal seams in Shoushan No.1 Mine[J]. China Coal, 2019, 45(6):102-107，113.

作者简介：孙向成(1992-)，男，河南开封人，在读硕士研究生，主要从事矿井瓦斯地质研究。E-mail：1469356895@qq.com。

(责任编辑 郭东芝)