朱廣軼,鄭仰發(fā),張華興

(1.沈陽大學(xué)建筑工程學(xué)院,遼寧沈陽 110044;2.天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部,北京 100013)

礦區(qū)地質(zhì)動(dòng)力區(qū)劃趨勢(shì)面分析的可視化軟件系統(tǒng)

朱廣軼1,鄭仰發(fā)1,張華興2

(1.沈陽大學(xué)建筑工程學(xué)院,遼寧沈陽 110044;2.天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部,北京 100013)

地質(zhì)動(dòng)力區(qū)劃是礦區(qū)防治多種地質(zhì)災(zāi)害的新方法?；谮厔?shì)面分析理論和 3次樣條插值函數(shù)及VB調(diào)用 CAD二次開發(fā)成圖技術(shù),構(gòu)建了地質(zhì)趨勢(shì)面分析的可視化軟件系統(tǒng)。綜合礦區(qū)地質(zhì)地形圖、震中分布圖、地下勘察及地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果,軟件系統(tǒng)可有效區(qū)劃出活動(dòng)斷裂,從而為煤礦開采設(shè)計(jì)與瓦斯動(dòng)力事故等災(zāi)害預(yù)防提供科學(xué)理論依據(jù)。

地質(zhì)動(dòng)力區(qū)劃;地質(zhì)趨勢(shì)面;可視化系統(tǒng);活動(dòng)斷裂

地質(zhì)動(dòng)力區(qū)劃首創(chuàng)于俄羅斯地質(zhì)力學(xué)與礦山測(cè)量研究院[1],是近十幾年發(fā)展起來的集地質(zhì)動(dòng)力學(xué)、測(cè)量學(xué)、板塊學(xué)說、地球物理學(xué)、巖體力學(xué)等多學(xué)科的研究成果,旨在探討研究區(qū)域內(nèi)各種動(dòng)力過程,以及參與該過程的地球能量場(chǎng)。通過對(duì)地形地貌、構(gòu)造物理、河流水系的考察分析,同地質(zhì)構(gòu)造、地震分布、地球物理、航片、衛(wèi)星照片等圖紙資料進(jìn)行對(duì)比,確定研究區(qū)域內(nèi)各級(jí) (活動(dòng))斷塊圖及斷塊間的相互作用。利用地應(yīng)力測(cè)量、數(shù)值分析、GIS等技術(shù)手段,以斷塊圖為模型,進(jìn)行原巖應(yīng)力計(jì)算,確定應(yīng)力場(chǎng)的特性,為工程活動(dòng)的防災(zāi)減災(zāi)提供科學(xué)理論依據(jù)。

在采礦領(lǐng)域,地質(zhì)動(dòng)力區(qū)劃方法對(duì)礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測(cè)分析具有時(shí)間短、工程評(píng)價(jià)費(fèi)用低、效果顯著等特點(diǎn),并且已在國(guó)內(nèi)多個(gè)礦區(qū)得到了卓有成效的應(yīng)用[2-3]。地質(zhì)趨勢(shì)面分析法是地質(zhì)動(dòng)力區(qū)劃進(jìn)行構(gòu)造斷塊劃分最行之有效的方法,屬于常用的數(shù)學(xué)地質(zhì)方法[4],適用于對(duì)平面和空間中分布的各種觀測(cè)資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與擬合分析。

目前,我國(guó)還沒有自主產(chǎn)權(quán)的地質(zhì)趨勢(shì)面分析專用軟件。本文構(gòu)建了地質(zhì)趨勢(shì)面分析的可視化軟件系統(tǒng),這不僅彌補(bǔ)了國(guó)內(nèi)此領(lǐng)域的空白,而且開創(chuàng)了地質(zhì)動(dòng)力區(qū)劃可視化運(yùn)用的新思路,對(duì)逐步完善地質(zhì)動(dòng)力區(qū)劃方法具有一定意義。

1 趨勢(shì)面分析理論

1.1 理論模型

在理論上,原始觀測(cè)面一般可以分解為 3部分:區(qū)域趨勢(shì),局部異常,隨機(jī)干擾[4]。所謂區(qū)域趨勢(shì)是指遍及全區(qū)的,較大規(guī)模地質(zhì)作用的反映;局部異常是由規(guī)模比研究區(qū)小的地質(zhì)作用所產(chǎn)生的,其影響在區(qū)域內(nèi)并非處處可見的隨機(jī)分量;隨機(jī)干擾,一般認(rèn)為是由抽樣誤差和觀測(cè)誤差組成,不包括系統(tǒng)誤差。統(tǒng)計(jì)學(xué)理論指出,隨機(jī)成分的分離是有條件的,要求有重復(fù)抽樣的觀測(cè)數(shù)據(jù),這在地質(zhì)工作中往往難以做到[4]。因此,在實(shí)際工作中,只要求分離其中的兩種成分,從而理論模型在實(shí)際應(yīng)用時(shí)就可表述為:

上述模型中,局部異常分量必然包含隨機(jī)干擾分量,只不過局部異常分量處于主導(dǎo)地位,而隨機(jī)分量所占的比重很小。分析思路是分別將分離開的分量作圖,然后作地質(zhì)解釋,一般只作等值線圖,有時(shí)也作傾向剖面投影圖。

1.2 數(shù)學(xué)模型

理論模型 (1)在數(shù)學(xué)上用函數(shù)式表述:

式中,Hi為第 i點(diǎn)的實(shí)測(cè)值,ui為第 i點(diǎn)處東西方向的坐標(biāo)值,vi為第 i點(diǎn)處南北向的坐標(biāo)值,ei為第 i點(diǎn)處的擬合剩余值,p為 u坐標(biāo)值的最高冪次, q為 v坐標(biāo)值的最高冪次,ajk是 u為 j次冪,v為 k次冪的多項(xiàng)式系數(shù),n為觀測(cè)點(diǎn)數(shù)。

要建立趨勢(shì)面擬合函數(shù),重要的是求出待定系數(shù) ajk,一般采用最小二乘準(zhǔn)則。根據(jù)微積分原理,可以得到多元線性方程組的矩陣方程:

其中,m為擬合多項(xiàng)式函數(shù)的最高次數(shù),r與m間的關(guān)系式:

將 n組非規(guī)則分布觀測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)代入(3)式,解算出系數(shù) a0,a1,…,ar后回代入式(2),就可求得趨勢(shì)值與剩余值。

1.3 斷裂構(gòu)造的地質(zhì)特征

斷裂構(gòu)造在觀測(cè)面上往往表現(xiàn)為一條直線或曲線,在殘差圖上可表觀為細(xì)長(zhǎng)的帶狀正異常 (往往對(duì)應(yīng)于隱伏的逆斷層)或負(fù)異常 (往往對(duì)應(yīng)于隱伏的正斷層),也可以是由大剩余值構(gòu)成的,并列的正負(fù)剩余帶或梯度陡變帶?？傊?只要在殘差圖中有帶狀分布的異常出現(xiàn),就有理由區(qū)劃該異常為斷裂的反映。這種斷裂識(shí)別法是一種基礎(chǔ)判別的方法,能大概地確定斷裂的位置和走向。

2 可視化軟件系統(tǒng)

該趨勢(shì)面分析計(jì)算的可視化系統(tǒng)根據(jù)地質(zhì)測(cè)量所得三維數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),其核心程序包括:利用順序、選擇、循環(huán)結(jié)構(gòu)編制矩陣式 (3)的趨勢(shì)面擬合函數(shù)常系數(shù)的求解程序,及計(jì)算觀測(cè)點(diǎn)的趨勢(shì)值和剩余值,采用3次樣條插值函數(shù)與VB調(diào)用 CAD二次開發(fā)成圖技術(shù),將所得文件數(shù)據(jù)繪制成趨勢(shì)圖、殘差圖。系統(tǒng)具體的運(yùn)行過程如圖 1示。

圖 1 趨勢(shì)面分析可視化系統(tǒng)技術(shù)路線

3 工程應(yīng)用

大興井田區(qū)域內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育[3]。大興礦地處北北東向展布的向斜盆狀構(gòu)造區(qū),西南側(cè)為井田盆狀構(gòu)造中心,也是沉降中心。北翼平緩,為 5°左右,南翼陡,為 20～30°,西翼陡,約 40°,東翼平緩,為 5°左右。盆軸南北兩端呈抬起形態(tài)。

3.1 Ⅱ級(jí)斷裂趨勢(shì)面分析

在大興井田包括邊界西部的較大區(qū)域內(nèi),依據(jù)地質(zhì)測(cè)量所得三維數(shù)據(jù),選用實(shí)用性較強(qiáng)的二次擬合函數(shù),利用可視化程序進(jìn)行趨勢(shì)面分析計(jì)算,可得到擬合趨勢(shì)面函數(shù)相關(guān)參數(shù)值 (表 1)和大興井田Ⅱ級(jí)斷裂的二次殘差圖 (圖 2)。

表1 大興井田擬合趨勢(shì)面參數(shù)值

圖2 大興井田二次擬合殘差分布

分析圖 2作地質(zhì)解釋:在殘差圖上可明顯發(fā)現(xiàn)較大等高距的梯度陡變帶、并列的正負(fù)剩余帶。據(jù)斷裂構(gòu)造的地質(zhì)特征,可初步判定該殘差圖中 0線帶為曲線斷裂。該斷裂延伸區(qū)域范圍較大,可劃為Ⅱ級(jí)斷裂。將該Ⅱ級(jí)斷裂與相應(yīng)地形圖,地震震中分布圖對(duì)照,其位置方向均吻合較好,因此,可判定該斷裂為活動(dòng)斷裂。

3.2 大興井田活動(dòng)斷塊區(qū)劃

對(duì)大興井田較大區(qū)域進(jìn)行地質(zhì)動(dòng)力區(qū)劃,在不同比例尺的地形圖上,利用趨勢(shì)面分析可視化程序系統(tǒng)劃分不同等級(jí)的斷裂。殘差圖結(jié)合各類圖紙資料與測(cè)量結(jié)果,準(zhǔn)確劃分出各級(jí)活動(dòng)斷裂。

Ⅰ,Ⅱ級(jí)活動(dòng)斷裂主要依據(jù)殘差圖與震中分布圖綜合對(duì)照進(jìn)行確定。同 1∶100×104遼寧及渤海周圍地震震中分布圖相比較,Ⅰ,Ⅱ級(jí)斷裂吻合的較好,Ⅰ,Ⅱ級(jí)斷裂基本上在震中分布帶上,在Ⅰ,Ⅱ級(jí)斷裂交界處附近,是地震分布的最大密度位置。以上表明:Ⅰ,Ⅱ級(jí)斷裂在現(xiàn)代地殼運(yùn)動(dòng)中起主導(dǎo)控制作用。

在劃分Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ級(jí)活動(dòng)斷裂時(shí),利用本可視化系統(tǒng)進(jìn)行趨勢(shì)面擬合分析后,考察主要溝谷、坡腳線、河流的膝狀彎曲、鞍部、等高線輪廓等特征,結(jié)合地下地質(zhì)勘查 (節(jié)理面、擦痕等構(gòu)造形跡)、地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果等多因素綜合分析來確定。大興井田區(qū)劃具體結(jié)果如圖 3示。

圖3 大興井田活動(dòng)斷塊區(qū)劃結(jié)果

4 結(jié) 論

(1)地質(zhì)動(dòng)力區(qū)劃為防治礦區(qū)多種地質(zhì)災(zāi)害開創(chuàng)了新途徑,趨勢(shì)面分析法是地質(zhì)動(dòng)力區(qū)劃最行之有效的方法。本文基于趨勢(shì)面分析理論與可視化編程軟件 VB調(diào)用 CAD二次開發(fā)成圖技術(shù),構(gòu)建了地質(zhì)動(dòng)力區(qū)劃趨勢(shì)面分析計(jì)算的可視化系統(tǒng)。通過分析該可視化系統(tǒng)繪制的殘差圖,能夠有效確定斷裂位置和方向。

(2)在大興井田范圍內(nèi)進(jìn)行趨勢(shì)面分析,結(jié)合礦區(qū)地質(zhì)地形圖、震中分布圖、地下勘察及地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果等資料,準(zhǔn)確區(qū)劃出該井田區(qū)域內(nèi)的活動(dòng)斷塊?；顒?dòng)斷裂構(gòu)造附近是礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的高發(fā)區(qū),活動(dòng)斷塊的準(zhǔn)確劃分對(duì)煤礦開采設(shè)計(jì)、瓦斯動(dòng)力事故預(yù)防等,具有重要指導(dǎo)作用和理論意義。

[1]И . М.佩圖霍夫,И . М.巴杜金娜.地下地質(zhì)動(dòng)力學(xué) [M].王 麗,陳學(xué)華譯.北京:煤炭工業(yè)出版社,2006.

[2]朱廣軼,高智廣,郝 哲,等.地質(zhì)動(dòng)力區(qū)劃在鶴崗城區(qū)的應(yīng)用 [J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào),2005,24(5):646-648.

[3]朱廣軼,李保東,張 忠.大興井田地質(zhì)動(dòng)力區(qū)劃研究 [J].煤礦安全,2005,36(3):1-3.

[4]張啟銳 .地質(zhì)趨勢(shì)面分析 [M].北京:科學(xué)出版社,1990.

[責(zé)任編輯:周景林]

Visualization Software System of Trend Face Analysis ofM ine GeologicalDynam ic D ivision

ZHU Guang-yi1,ZHENG Yang-fa1,ZHANG Hua-xing2

(1.Architecture Engineering School,ShenyangUniversity,Shenyang 110044,China; 2.CoalMining&DesigningDepartment,Tiandi Science&Technology Co.,Ltd,Beijing 100013,China)

Geological dynamic division was a new method of preventing geological disasters.This paper constructed a visualized software system of trend face analysis on the basis of trend face analysis theory,thrice spline interpolation function and CAD second developmentwith VB.This software could effectively find active fault by combining geological figure,epicenter contribution figure,underground exploration and geo-stress survey result,which provided scientific basis formining design and preventingmethane dynamic disaster.

geological dynamic division;geological trend face;visualization system;active fault

TD163

A

1006-6225(2010)06-0031-03

2010-07-15

國(guó)家重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目 (96-223-01-03-04)

朱廣軼 (1962-),男,遼寧喀左人,教授,研究生導(dǎo)師,主要從事礦區(qū)巖層移動(dòng)控制與防災(zāi)減災(zāi)方面的研究。