張 波

(山西平舒煤業(yè)有限公司，山西 晉中 045400)

0 引言

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

1 評判指標體系建立

評判指標是對地質(zhì)構(gòu)造復雜程度研究的基礎，建立合理的評判指標不僅可以精確分析地質(zhì)構(gòu)造的復雜程度，也可以降低評價分析的難度。礦井地質(zhì)構(gòu)造復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，故在建立評價指標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)造涉及的多學科領域，認為地質(zhì)指標和經(jīng)濟指標主要反映了地質(zhì)構(gòu)造情況，包括斷層強度、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個反映地質(zhì)構(gòu)造復雜程度的評價指標。

1.1 分形維數(shù)

分形維數(shù)涉及到了數(shù)學學科，在這里反映斷層構(gòu)造的性質(zhì)，通過公式(1)計算。

(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 斷層強度指數(shù)

斷層強度指數(shù)是斷層軸向長度與自身落差之積，通過公式(2)計算。

(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)指標為底板各等高線實際長度與投影長度之差的總和與等高線實際長度的比值，通過公式(3)計算。

(3)

式中：d0i—等高線實際長度；d1i—投影長度；n—等高線數(shù)量。

1.4 褶曲指數(shù)

褶曲指數(shù)指標反映了褶曲變形的程度，通過公式(4)計算。

(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)計算。

(7)

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

2 計算綜合指數(shù)

通過計算各個指標的權(quán)重可以得到所研究指標對地質(zhì)構(gòu)造影響的復雜程度，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，計算結(jié)果更為貼切實際。本次基于BP神經(jīng)網(wǎng)格法計算權(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)進行網(wǎng)格訓練，這樣可計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)格法默認有輸入層、隱含層間權(quán)重的計算方法，由此可得到所研究指標對地質(zhì)構(gòu)造影響的權(quán)重值，見表1。

表1 每個評價指標對地質(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)造的復雜情況，地質(zhì)構(gòu)造復雜性隨著該指數(shù)的增加而愈來愈嚴重，通過加權(quán)求和方法可得到綜合指數(shù)，計算如公式(8)。

(8)

根據(jù)公式(9)對公式(8)進行變換可得到地質(zhì)構(gòu)造復雜性的變換指數(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個子區(qū)的第j個指標的原始數(shù)據(jù)；αj—第j個指標的權(quán)重值；Xi—第i個子區(qū)的綜合指數(shù)，Yi—第i個子區(qū)的變換指數(shù)。

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

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

3 以某礦井為例進行地質(zhì)構(gòu)造評價

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走向為主，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)計表

研究過程中還對工作面底板標高進行了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)造復雜程度

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

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

圖2 煤層厚度等值線示意圖

表4 每個評價指標對地質(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)計表

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

4 結(jié)語

建立了綜合指數(shù)法評價體系，對某礦井地質(zhì)構(gòu)造的復雜程度進行研究，從而為地質(zhì)構(gòu)造程度的研究提供基礎。筆者認為礦井地層中斷層、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)造復雜程度的7個評價指標，進一步得到了評價地質(zhì)構(gòu)造復雜程度的綜合指數(shù)法，以某井田為例進行了地質(zhì)構(gòu)造復雜程度的定量評價，認為所研究井田變換指數(shù)為0.01，地質(zhì)構(gòu)造復雜程度為簡單。該地質(zhì)構(gòu)造程度的定量評價可為采區(qū)布置方式以及礦井開拓方式提供了基礎，也為減少礦井開采事故提供了依據(jù)。