基于綜合指數(shù)法地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度的評價(jià)研究

張 波

(山西平舒煤業(yè)有限公司，山西 晉中 045400)

0 引言

21世紀(jì)是信息化高度發(fā)展的時(shí)代，地理信息系統(tǒng)以及定量評價(jià)手段在煤田勘探行業(yè)得到了較為廣泛的應(yīng)用和推廣，這就使得煤炭資源的勘探更加信息化和量化。上世紀(jì)大多數(shù)礦井僅僅是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來進(jìn)行煤炭資源的勘探，這往往導(dǎo)致了煤炭勘探劃分的模糊性和主觀性，缺乏同一規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)來衡量勘探結(jié)果的準(zhǔn)確性，造成了煤炭資源的浪費(fèi)，同時(shí)也不利于國家的經(jīng)濟(jì)建設(shè)[1]。而地質(zhì)構(gòu)造程度的定量評價(jià)為采區(qū)布置方式以及礦井開拓方式提供了基礎(chǔ)，也為減少礦井開采事故提供了依據(jù)?？傮w上，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度的評價(jià)發(fā)展的階段可分為：定性分析階段、統(tǒng)計(jì)分析階段以及模糊數(shù)學(xué)評價(jià)階段。定性分析帶有一定的主觀色彩，往往具有較明顯的盲目性[2]；統(tǒng)計(jì)分析所用的統(tǒng)計(jì)方法主要有神經(jīng)網(wǎng)格以及模糊綜合評價(jià)方法，這些方法往往是基于地質(zhì)構(gòu)造(陷落柱和斷層等)來建立評價(jià)體系，該方法簡便快捷，也可以較為精確地定量評價(jià)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度，應(yīng)用較廣。模糊數(shù)學(xué)評價(jià)就是結(jié)合模糊綜合評價(jià)方法和灰色關(guān)聯(lián)度分析方法來建立評價(jià)體系，同樣應(yīng)用較為廣泛。隨著多學(xué)科的共同發(fā)展，各個(gè)學(xué)科以及研究領(lǐng)域交叉的地方愈來愈多，分形理論也應(yīng)用到了地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度的評價(jià)中。為此，建立了綜合指數(shù)法評價(jià)體系，對某礦井地質(zhì)構(gòu)造的復(fù)雜程度進(jìn)行研究，以期為地質(zhì)構(gòu)造程度的研究提供基礎(chǔ)。

1 評判指標(biāo)體系建立

評判指標(biāo)是對地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度研究的基礎(chǔ)，建立合理的評判指標(biāo)不僅可以精確分析地質(zhì)構(gòu)造的復(fù)雜程度，也可以降低評價(jià)分析的難度。礦井地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度受到多方面因素的影響，不同的礦井中地質(zhì)構(gòu)造的展布特征不同，故在建立評價(jià)指標(biāo)前需要充分了解勘探區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)特征。根據(jù)地質(zhì)構(gòu)造涉及的多學(xué)科領(lǐng)域，認(rèn)為地質(zhì)指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)主要反映了地質(zhì)構(gòu)造情況，包括斷層強(qiáng)度、分形維數(shù)、斷煤夾角指數(shù)、構(gòu)造組數(shù)、褶曲展布系數(shù)以及巖漿侵入指數(shù)等等。在此認(rèn)為礦井地層中斷層、褶曲以及巖漿對地質(zhì)構(gòu)造的影響最為顯著，故建立了分形維數(shù)、斷層強(qiáng)度指數(shù)、褶曲展布系數(shù)、褶曲指數(shù)、巖漿侵入指數(shù)、斷煤夾角指數(shù)、構(gòu)造面積損失系數(shù)等7個(gè)反映地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度的評價(jià)指標(biāo)。

1.1 分形維數(shù)

分形維數(shù)涉及到了數(shù)學(xué)學(xué)科，在這里反映斷層構(gòu)造的性質(zhì)，通過公式(1)計(jì)算。

(1)

式中：r—分析的網(wǎng)格長度；N(r)—內(nèi)部有斷層的網(wǎng)格數(shù)量。

1.2 斷層強(qiáng)度指數(shù)

斷層強(qiáng)度指數(shù)是斷層軸向長度與自身落差之積，通過公式(2)計(jì)算。

(2)

式中：S—勘探區(qū)域的面積；Hi—斷層落差；n—斷層數(shù)目；Li—斷層軸向長度。

1.3 褶曲展布系數(shù)

褶曲展布系數(shù)指標(biāo)為底板各等高線實(shí)際長度與投影長度之差的總和與等高線實(shí)際長度的比值，通過公式(3)計(jì)算。

(3)

式中：d0i—等高線實(shí)際長度；d1i—投影長度；n—等高線數(shù)量。

1.4 褶曲指數(shù)

褶曲指數(shù)指標(biāo)反映了褶曲變形的程度，通過公式(4)計(jì)算。

(4)

式中：vi—褶曲的幅度；wi—褶曲長度；n—褶曲數(shù)量。

1.5 巖漿侵入指數(shù)

巖漿侵入指數(shù)指標(biāo)反映了在評判范圍內(nèi)部巖漿對煤層的破壞程度，通過公式(5)計(jì)算。

(5)

式中：A0—評判范圍內(nèi)巖漿侵入的范圍；A—評判范圍。

1.6 斷層夾角指數(shù)

斷煤夾角指數(shù)指標(biāo)反映了斷層數(shù)量以及斷層與煤體走向夾角對地質(zhì)構(gòu)造的影響程度，通過公式(6)計(jì)算。

(6)

式中：L—斷層軸向長度；θ—每條斷層與煤體的夾角；S—勘探區(qū)域的面積；n—斷層數(shù)量。

1.7 構(gòu)造面積損失系數(shù)

由于地質(zhì)構(gòu)造的影響而導(dǎo)致的不可采煤層的范圍與可采范圍之比稱之為構(gòu)造面積損失系數(shù)[3]，構(gòu)造面積損失系數(shù)指標(biāo)反映了地質(zhì)構(gòu)造對工作面開采以及礦井發(fā)展的影響程度，通過公式(7)計(jì)算。

(7)

式中：S1—由于地質(zhì)構(gòu)造損失的煤層范圍，S0—統(tǒng)計(jì)范圍。

2 計(jì)算綜合指數(shù)

通過計(jì)算各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重可以得到所研究指標(biāo)對地質(zhì)構(gòu)造影響的復(fù)雜程度，常用方法包括層次分析法、神經(jīng)網(wǎng)格法以及灰色關(guān)聯(lián)度分析法[4-9]。其中神經(jīng)網(wǎng)格法可最大程度減小人為因素的影響，計(jì)算結(jié)果更為貼切實(shí)際。本次基于BP神經(jīng)網(wǎng)格法計(jì)算權(quán)重，選擇輸入層和隱含層的數(shù)量分別為7和11，然后對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格訓(xùn)練，這樣可計(jì)算出輸入層到隱含層的權(quán)重以及隱含層到輸入層的權(quán)重，由于本次所用的BP神經(jīng)網(wǎng)格法默認(rèn)有輸入層、隱含層間權(quán)重的計(jì)算方法，由此可得到所研究指標(biāo)對地質(zhì)構(gòu)造影響的權(quán)重值，見表1。

表1 每個(gè)評價(jià)指標(biāo)對地質(zhì)構(gòu)造影響的權(quán)重值

綜合指數(shù)能夠反映地質(zhì)構(gòu)造的復(fù)雜情況，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜性隨著該指數(shù)的增加而愈來愈嚴(yán)重，通過加權(quán)求和方法可得到綜合指數(shù)，計(jì)算如公式(8)。

(8)

根據(jù)公式(9)對公式(8)進(jìn)行變換可得到地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜性的變換指數(shù)，這樣更加利于地質(zhì)構(gòu)造評判的定量劃分，則構(gòu)造復(fù)雜程度的綜合指數(shù)和變換指數(shù)，見表2。

(9)

式中：xij—第i個(gè)子區(qū)的第j個(gè)指標(biāo)的原始數(shù)據(jù)；αj—第j個(gè)指標(biāo)的權(quán)重值；Xi—第i個(gè)子區(qū)的綜合指數(shù)，Yi—第i個(gè)子區(qū)的變換指數(shù)。

對表2進(jìn)行分析，認(rèn)為變換指數(shù)在0.3以下地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度為簡單，變換指數(shù)在0.3～0.6之間地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度為中等，而變換指數(shù)在0.6～1之間時(shí)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度為復(fù)雜，由此就得到了地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度評判的劃分依據(jù)。

表2 構(gòu)造復(fù)雜程度的綜合指數(shù)和變換指數(shù)統(tǒng)計(jì)表

3 以某礦井為例進(jìn)行地質(zhì)構(gòu)造評價(jià)

礦區(qū)含煤地層主要研究的是山西組和太原組，地層內(nèi)部發(fā)育的主要地質(zhì)構(gòu)造具體如下。

3.1 斷層

研究井田為一單斜構(gòu)造，平均傾角為8°。據(jù)地質(zhì)勘測結(jié)果顯示，井田內(nèi)斷層數(shù)量為19，以小型斷層為主，數(shù)量為11，而中型斷層數(shù)量為5，大斷層僅有3條，這些斷層中共有4種走向，以NE走向?yàn)橹?，總體上各斷層走向特征，如圖1所示。

圖1 井田內(nèi)部斷層走向玫瑰花圖

3.2 褶曲

研究井田內(nèi)共發(fā)育4條褶曲，向斜和背斜各2條，各條褶曲的參數(shù)，見表3。

表3 井田內(nèi)部褶曲參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

研究過程中還對工作面底板標(biāo)高進(jìn)行了3次的趨勢面研究，為了充分得到底板等高線的變化特征，研究結(jié)果顯示，二次趨勢面的擬合相關(guān)性達(dá)到了93.67%，相關(guān)性較好，由此可以充分反映研究井田內(nèi)部褶曲的分布情況。

3.3 其它地質(zhì)構(gòu)造

據(jù)地質(zhì)勘探結(jié)果顯示，該井田內(nèi)部煤油巖漿巖以及陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造。煤層厚度等值線，如圖2所示。

3.4 地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度

基于此，得到該井田研究指標(biāo)對地質(zhì)構(gòu)造影響的量化值，見表4。

由此計(jì)算構(gòu)造復(fù)雜程度的綜合指數(shù)和變換指數(shù)，從而對地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜性情況進(jìn)行評判，見表5。

圖2 煤層厚度等值線示意圖

表4 每個(gè)評價(jià)指標(biāo)對地質(zhì)構(gòu)造影響的量化值

表5 基于綜合指數(shù)法評判結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

由表5可得，所研究井田變換指數(shù)為0.01，遠(yuǎn)小于0.3(判定依據(jù))，故地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度為簡單。

4 結(jié)語

建立了綜合指數(shù)法評價(jià)體系，對某礦井地質(zhì)構(gòu)造的復(fù)雜程度進(jìn)行研究，從而為地質(zhì)構(gòu)造程度的研究提供基礎(chǔ)。筆者認(rèn)為礦井地層中斷層、褶曲以及巖漿對地質(zhì)構(gòu)造的影響最為顯著，故建立了反映地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度的7個(gè)評價(jià)指標(biāo)，進(jìn)一步得到了評價(jià)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度的綜合指數(shù)法，以某井田為例進(jìn)行了地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度的定量評價(jià)，認(rèn)為所研究井田變換指數(shù)為0.01，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度為簡單。該地質(zhì)構(gòu)造程度的定量評價(jià)可為采區(qū)布置方式以及礦井開拓方式提供了基礎(chǔ)，也為減少礦井開采事故提供了依據(jù)。