段宏躍，陸 鹿，謝衛(wèi)東，金俊俊

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇徐州 221116；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇徐州 221116；3.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)資源學(xué)院，湖北武漢 430074)

0 引言

近年來，煤礦開采過程中機(jī)械化和自動(dòng)化工藝的應(yīng)用越發(fā)普遍，而礦井構(gòu)造條件，尤其是斷裂構(gòu)造特征對(duì)礦井安全生產(chǎn)、井下工作面的布置和不同類型機(jī)械設(shè)備的應(yīng)用等有重要的影響。因此，需明晰井田地質(zhì)構(gòu)發(fā)育特征和精確評(píng)價(jià)其復(fù)雜程度，以確保礦井生產(chǎn)過程安全和高效的進(jìn)行(汪吉林等，2008；陳善成等，2010；黃偉，2011)。斷裂構(gòu)造復(fù)雜程度評(píng)價(jià)是學(xué)者研究的常用方法之一，一般基于井田詳查和勘探的前期資料和定性評(píng)價(jià)結(jié)果，輔以基礎(chǔ)的作圖法和通過區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)分布特征推演來實(shí)現(xiàn)構(gòu)造定性-半定量評(píng)價(jià)，確定區(qū)域內(nèi)分布特征(劉昆，2018；武謀達(dá)等，2018；張偉等，2020)，此類方法適用于機(jī)械化和自動(dòng)化機(jī)械應(yīng)用不廣泛的小型礦井，采煤工作面范圍小，采掘煤柱推進(jìn)較慢，這一類評(píng)價(jià)方法可在一定程度上指導(dǎo)施工安排和斷裂構(gòu)造規(guī)避等。然而，這一類定性評(píng)價(jià)方法受主觀因素控制明顯，僅適用于構(gòu)造類型劃分、斷裂分級(jí)、分期工作，應(yīng)用于低機(jī)械化、低自動(dòng)化和斷裂對(duì)地層切割程度小、構(gòu)造簡(jiǎn)單的井田，對(duì)于高機(jī)械化和自動(dòng)化礦井，尤其是大型綜采工作面的布置難以起到有效的指導(dǎo)功能(徐慧等，2020)。為有效解決此類問題，眾多專家學(xué)者針對(duì)半定量-定量評(píng)價(jià)斷裂構(gòu)造復(fù)雜程度的適用方法開展了大量研究工作，總結(jié)了一系列數(shù)學(xué)-地質(zhì)的交叉學(xué)科評(píng)價(jià)方法：例如熵函數(shù)法、分形分維理論、灰色關(guān)聯(lián)分析法和等性塊段綜合指數(shù)法等的地質(zhì)應(yīng)用(薛喜成，2010；張旭等，2012；徐娟等，2013；李家宏等，2015)。

前人對(duì)于權(quán)重的選擇多基于經(jīng)驗(yàn)分析法和專家咨詢法(薛喜成，2010；張旭等，2012；徐娟等，2013；李家宏等，2015)，此類方法將嚴(yán)重受主觀因素的影響，這樣一來計(jì)算結(jié)果并非完全基于各因素與相應(yīng)地質(zhì)背景的定量分析，而是帶一定主觀色彩的定性分析或定性-半定量分析。礦井?dāng)嗔褬?gòu)造復(fù)雜程度模糊性特征明顯，模糊數(shù)學(xué)法和地質(zhì)傳統(tǒng)作圖分析結(jié)合能夠?qū)崿F(xiàn)斷裂規(guī)模、延伸和復(fù)雜程度的權(quán)重分析，且灰色模糊綜合評(píng)價(jià)模型的權(quán)重是將因素權(quán)重與程度權(quán)重的乘積作為最終聚類系數(shù)計(jì)算得來的雙權(quán)重，這將極大降低主觀因素的影響，提升研究成果的準(zhǔn)確性與可靠性(黃偉，2011)。故而，本次研究基于大同煤田塔山礦實(shí)際構(gòu)造地質(zhì)條件，厘定控制大同煤田塔山井田斷裂復(fù)雜程度的多個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，并進(jìn)行量化處理，結(jié)合灰色模糊綜合評(píng)價(jià)法建立適用地質(zhì)模型，對(duì)研究區(qū)斷裂復(fù)雜程度進(jìn)行可視化綜合評(píng)價(jià)。

1 研究區(qū)地質(zhì)背景

大同含煤盆地位于華北克拉通北部區(qū)域，天山-陰山緯向構(gòu)造帶南側(cè)，西部以呂梁-西石山脈為界(杜丕，1964；袁遠(yuǎn)等，2011；程岳宏等，2015；郭萬忠等，2015；高麗潔等，2018)，南部以洪濤山背斜為界，東部以青磁窯斷裂和大同-山陰山前斷裂帶為界(圖1)。大同盆地基底為太古界集寧群變質(zhì)巖，盆地形成后依次經(jīng)歷了阜平運(yùn)動(dòng)、五臺(tái)運(yùn)動(dòng)、呂梁運(yùn)動(dòng)、晉寧運(yùn)動(dòng)、加里東運(yùn)動(dòng)、海西運(yùn)動(dòng)、印支運(yùn)動(dòng)、燕山運(yùn)動(dòng)和喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)等多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，形成了大同盆地現(xiàn)今的構(gòu)造格局(袁遠(yuǎn)等，2011；郭萬忠等，2015；岑敏等，2015；屈曉榮，2019)。大同盆地內(nèi)部構(gòu)造發(fā)育主體受北東-南西向展布的大同向斜控制，此外區(qū)域內(nèi)發(fā)育一定數(shù)量的大中型斷裂構(gòu)造，斷裂延伸方向多樣，主要包括北東-南西、近東西向和北西-南東向三個(gè)體系。盆地內(nèi)出露地層為石炭-二疊系和侏羅系，其中北部區(qū)域以侏羅系為主，南部多為石炭-二疊系(圖1)。塔山礦位于大同盆地中-東部，礦區(qū)主要出露地層為侏羅系，僅在東南隅見小面積的石炭-二疊系(圖2)。區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造整體上較為發(fā)育，構(gòu)造行跡與大同盆地構(gòu)造背景表現(xiàn)出了明顯的繼承性，包括北東-南西向、近東西向和北西-南東向三個(gè)體系，其中北東-南西向以大型和大-中型斷裂為主；近東西向發(fā)育較少，以小型斷裂為主；北西-南東向以中型和大-中型斷裂為主。

圖1 大同煤田塔山礦位置與鉆孔分布

圖2 塔山礦構(gòu)造綱要圖

2 指標(biāo)構(gòu)建及計(jì)算過程

2.1 灰色模糊模型指標(biāo)構(gòu)建及計(jì)算

本次研究中，為綜合考慮不同影響因素對(duì)構(gòu)造復(fù)雜程度的控制作用，結(jié)合灰色理論和模糊數(shù)學(xué)綜合評(píng)判方法，兼顧模糊性和灰色性特征，同時(shí)解決二者“外延(指影響因素所反映的本質(zhì)屬性的一切對(duì)象)不明確”和“內(nèi)涵(指影響因素所反映對(duì)象的本質(zhì)屬性的總和)不明確”問題，避免模糊評(píng)價(jià)和灰色理論單獨(dú)應(yīng)用的缺陷，例如信息丟失、遺漏和忽略模糊性特征等?；疑：u(píng)價(jià)法基于灰色理論，系統(tǒng)考慮大同煤田塔山礦基礎(chǔ)地質(zhì)資料，參考白化權(quán)函數(shù)(能夠定量表征該因素隸屬于某個(gè)灰類的程度，具體指通過直角坐標(biāo)系中的一條三折線或“S”型曲線對(duì)事物特有屬性的反映方法)的構(gòu)造原則，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)白化權(quán)函數(shù)的確定。而本次研究另借鑒了模糊權(quán)重思想，應(yīng)用雙權(quán)重(因素權(quán)重(指灰色聚類分析法中各評(píng)價(jià)指標(biāo)與因素集的關(guān)聯(lián)度)和程度權(quán)重(指灰色聚類分析法中各評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)評(píng)語集的貢獻(xiàn)度))分析方法，確定各因素的權(quán)重(本次研究中是指影響因素對(duì)構(gòu)造復(fù)雜程度的相對(duì)重要程度)，這樣一來，權(quán)重值的選取既能夠?qū)崿F(xiàn)適當(dāng)突出大型斷裂的控制，同時(shí)避免對(duì)小型構(gòu)造的忽視。其具體的分析流程、計(jì)算原理和方法如下所示：

(1)確定聚類白化值Bij。聚類白化值在研究過程中需根據(jù)白化權(quán)函數(shù)計(jì)算每個(gè)測(cè)點(diǎn)的每個(gè)參數(shù)得出，若計(jì)算指標(biāo)量綱存在差異，需進(jìn)行歸一化等無量綱化分析。

(2)聚類權(quán)獲取。如果共包括1#，2#，…，n#個(gè)聚類參數(shù)，那么使fkj(x)(k=1#，2#，…，n#，j=1、2、…、n)為灰數(shù)的白化權(quán)函數(shù)，標(biāo)定聚類權(quán)為：

λjκ=ωjk/∑(j=1-n)λkj

(1)

式中：λjκ代表第j個(gè)參數(shù)對(duì)應(yīng)第k級(jí)斷裂復(fù)雜程度的標(biāo)定聚類權(quán)；ωjk代表第j個(gè)評(píng)價(jià)參數(shù)對(duì)應(yīng)第k級(jí)斷裂復(fù)雜程度的臨界。

(3)求聚類系數(shù)。第i個(gè)聚類對(duì)象對(duì)于第j個(gè)灰類的聚類系數(shù)為：

σij=∑(k=1-n)fjk(dik)λkj

(2)

σi為構(gòu)造聚類向量：

σi=(σi1,σi2,…,σij),i=1,2,…,m

(3)

(4)模糊權(quán)重計(jì)算。將母列因素?cái)?shù)設(shè)為列x0=(x0(1),x0(2),…,x0(n))，而母列因素下轄的子因素?cái)?shù)列x1,x2,…,xm，對(duì)應(yīng)設(shè)為：

(4)

因此，xi對(duì)x0在第k點(diǎn)的關(guān)聯(lián)系數(shù)ζi(k)：

ζi(k)=(Δmin+kΔmax)/(Δi(k)+kΔmax)

(5)

式中：k為取值介于[0,1]之間的分辨系數(shù)；Δmin為各個(gè)因素的最小絕對(duì)差；Δmax為各個(gè)因素的最大絕對(duì)差；Δi(k)為k點(diǎn)的各個(gè)因素的絕對(duì)差值。

進(jìn)而，可獲悉xi對(duì)x0的關(guān)聯(lián)度，利用關(guān)聯(lián)度可進(jìn)一步求取各因素權(quán)重：

ri=∑(i=1-n)ζi(k)/N

(6)

2.2 構(gòu)造復(fù)雜程度評(píng)價(jià)指標(biāo)構(gòu)建與計(jì)算

2.2.1 因素集的確定

斷裂發(fā)育特征受華北地臺(tái)構(gòu)造演化特征和研究區(qū)構(gòu)造特征的雙重控制，因此井田內(nèi)的構(gòu)造發(fā)育既符合大區(qū)域內(nèi)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)特征，又具備一定程度的小區(qū)域特征。故而，在評(píng)價(jià)研究區(qū)時(shí)，需首先厘清構(gòu)造展布特征和密度特征等基礎(chǔ)資料，并基于此，系統(tǒng)整合井田現(xiàn)有地質(zhì)數(shù)據(jù)選取并確定構(gòu)造復(fù)雜程度的主控指標(biāo)。評(píng)價(jià)指標(biāo)選取原則如下：(1)以井田大型控制構(gòu)造為導(dǎo)向，根據(jù)其特征分析主控指標(biāo)；(2)選取的主控指標(biāo)需能夠反映構(gòu)造發(fā)育特征，具有明顯的代表性；(3)通過鉆孔資料和生產(chǎn)過程中構(gòu)造揭露特征，確定數(shù)據(jù)量化參數(shù)。基于此，塔山礦構(gòu)造復(fù)雜程度定量評(píng)價(jià)中以斷層密度、強(qiáng)度、斷層影響指數(shù)和褶皺的平面變形系數(shù)為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

(1)斷層密度的計(jì)算選定單位面積或單位長(zhǎng)度，統(tǒng)計(jì)區(qū)域內(nèi)的斷裂條數(shù)，代表了斷裂的線特征或面特征(式7)：

M=k/s

(7)

式中：M為斷層密度，條/m2；s為對(duì)應(yīng)長(zhǎng)度或面積，m2；k為斷裂數(shù)目，條。

(2)斷層強(qiáng)度的計(jì)算通過統(tǒng)計(jì)選定面積內(nèi)的斷層落差與延伸距離的乘積和，可在一定程度上代表斷裂強(qiáng)度特征，如式(8)：

F=∑(i=1-n)hili/S

(8)

式中：F代表斷層強(qiáng)度，無量綱；li代表第i條斷層的延伸距離，m；hi代表第i條斷層的落差，m；S對(duì)應(yīng)計(jì)算面積，m2。

(3)斷層影響指數(shù)：反映不同走向斷層對(duì)煤層生產(chǎn)的影響程度：

Q=∑(i=1-n)licosθi/S

(9)

式中：Q為斷層影響指數(shù)，無量綱；θi為第i條斷層與煤層走向夾角，°；li為第i條斷層水平延展長(zhǎng)度，m；S為統(tǒng)計(jì)面積，m2。

(4)褶皺的平面變形系數(shù)的計(jì)算是基于煤層底板等高線圖，劃分統(tǒng)計(jì)單元，分別對(duì)應(yīng)計(jì)算，其能夠代表褶皺構(gòu)造的復(fù)雜程度，見式(10)：

P=h0l1/(l0/l2)

(10)

式中：P代表褶皺的平面變形系數(shù)，無量綱；h0代表兩單元內(nèi)相鄰等高線的標(biāo)高差，m；l0代表兩單元相鄰等高線的水平距，m；l1代表兩單元相鄰等高線之間的斜距，m；l2代表兩單元相鄰等高線的同弧割線長(zhǎng)度，m。

2.2.2 評(píng)語集的確定

本次研究中評(píng)語集的確定以三分法對(duì)應(yīng)塔山礦構(gòu)造復(fù)雜程度，劃分包括：構(gòu)造簡(jiǎn)單區(qū)、構(gòu)造較復(fù)雜區(qū)和構(gòu)造復(fù)雜區(qū)。其評(píng)語集V={v1,v2,v3}，其中v1為Ⅰ類(構(gòu)造簡(jiǎn)單)；v2為Ⅱ類(構(gòu)造較復(fù)雜)；v3為Ⅲ類(構(gòu)造復(fù)雜)。為了合理劃分不同構(gòu)造復(fù)雜程度指標(biāo)，本次研究結(jié)合煤礦構(gòu)造發(fā)育規(guī)模特征，各評(píng)價(jià)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)分布特征，歸一化處理各指標(biāo)，及各專家學(xué)者總結(jié)的構(gòu)造標(biāo)準(zhǔn)分類方案(主要包括歸一化處理方法和各影響因素構(gòu)造復(fù)雜程度閥值劃分標(biāo)準(zhǔn))(薛喜成，2010；張旭等，2012；張功成等，2013；徐娟等，2013；李家宏等，2015)。斷層密度M、斷層強(qiáng)度F、斷層影響指數(shù)Q和褶皺的平面變形系數(shù)P4個(gè)參數(shù)是基于勘探和生產(chǎn)階段統(tǒng)計(jì)的斷裂構(gòu)造參數(shù)(包括斷層性質(zhì)、產(chǎn)狀、落差、控制程度和井田內(nèi)延伸長(zhǎng)度等)，通過式(7)～式(10)計(jì)算得出，最終厘定了塔山礦不同構(gòu)造復(fù)雜程度劃分臨界值和對(duì)應(yīng)區(qū)間(表1)。

表1 塔山煤礦評(píng)價(jià)指標(biāo)的分類臨界值和對(duì)應(yīng)區(qū)間Table 1 Classification critical values and corresponding intervals of assessment indexes in the Tashan coal mine

2.3 構(gòu)造復(fù)雜程度量化過程

依據(jù)大同煤田塔山礦特征對(duì)構(gòu)造復(fù)雜程度實(shí)現(xiàn)量化和直觀化體現(xiàn)，其過程和結(jié)果如下。

2.3.1 研究區(qū)及周緣網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分的目的在于精細(xì)刻畫礦區(qū)單位網(wǎng)格內(nèi)構(gòu)造復(fù)雜程度。對(duì)于斷層構(gòu)造而言，規(guī)模較大的斷層構(gòu)造，延伸范圍廣，落差大，但分布相對(duì)稀疏；而小規(guī)模斷層，延伸范圍小，分布密集。因而，若構(gòu)造單元網(wǎng)格過大，則對(duì)生產(chǎn)指導(dǎo)意義有限，而網(wǎng)格過小，則實(shí)踐意義不大，給生產(chǎn)決策帶來困擾。由此，通過實(shí)地勘測(cè)、構(gòu)造綱要圖(圖2)分析和計(jì)算機(jī)模擬等認(rèn)為1000 m×1000 m規(guī)模的網(wǎng)格劃分在本區(qū)是適宜的，既能夠有效反映不同區(qū)域構(gòu)造復(fù)雜程度，又能夠較為精細(xì)地刻畫構(gòu)造發(fā)育、分布規(guī)律。為了便于標(biāo)記，將其依次編號(hào)(圖3)。

圖3 塔山煤礦網(wǎng)格編號(hào)示意圖

2.3.2 構(gòu)造網(wǎng)格單元評(píng)價(jià)指標(biāo)參數(shù)統(tǒng)計(jì)

為了更直觀地觀察不同構(gòu)造網(wǎng)格單元評(píng)價(jià)指標(biāo)參數(shù)差異，分別現(xiàn)選取研究區(qū)西南角1#網(wǎng)格、中部36#網(wǎng)格、南部61#網(wǎng)格和北部117#網(wǎng)格單元進(jìn)行相關(guān)評(píng)價(jià)指標(biāo)參數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果展示，及與實(shí)際構(gòu)造發(fā)育情況對(duì)比分析，以確定其擬合度(表2)。塔山礦區(qū)以斷層構(gòu)造發(fā)育為主，構(gòu)造復(fù)雜程度主要受斷裂控制，關(guān)系著構(gòu)造復(fù)雜程度等級(jí)。

表2 塔山煤礦典型構(gòu)造單元評(píng)價(jià)指標(biāo)參數(shù)統(tǒng)計(jì)

2.3.3 各控制因素權(quán)重計(jì)算

權(quán)重是單一評(píng)價(jià)指標(biāo)在構(gòu)造復(fù)雜程度評(píng)價(jià)時(shí)所占的比重。灰色關(guān)聯(lián)分析法能客觀地給出各評(píng)價(jià)指標(biāo)在綜合評(píng)價(jià)中的比重，為保證權(quán)重計(jì)算結(jié)果的精確性和權(quán)威性，本此研究中選用雙權(quán)重。由于所研究的各個(gè)指標(biāo)是從不同的角度去反映構(gòu)造復(fù)雜程度，因此它們各自代表著不同的含義，故相應(yīng)的取值的數(shù)量級(jí)和單位都不盡相同，直接用原始數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，將會(huì)使得預(yù)測(cè)結(jié)果更趨于受數(shù)值大小控制，而非單純受各變量控制。因而，計(jì)算前需要對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行變換處理，由于構(gòu)造復(fù)雜程度評(píng)價(jià)過程中需要將礦區(qū)劃分成多個(gè)構(gòu)造網(wǎng)格單元，但部分網(wǎng)格單元內(nèi)構(gòu)造評(píng)價(jià)指標(biāo)可能為零，極差正規(guī)化數(shù)據(jù)處理可有效避免零值對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果的影響，因而更為適用。極差正規(guī)化處理過程(式11和12)：

(11)

對(duì)于反向指標(biāo)公式為：

(12)

(1)求取因素權(quán)重

將斷層強(qiáng)度定為對(duì)應(yīng)母列，分別求得各子因素對(duì)斷層強(qiáng)度的關(guān)聯(lián)度，然后實(shí)現(xiàn)無量綱化，據(jù)此計(jì)算求得綜合評(píng)價(jià)過程所需的關(guān)聯(lián)度和權(quán)重系數(shù)(表3)。其中關(guān)聯(lián)系數(shù)求取依據(jù)式(5)，分辨系數(shù)k能夠調(diào)節(jié)輸出結(jié)果的差距大小，即控制關(guān)聯(lián)系數(shù)的區(qū)分度，且k值越小，區(qū)分度越大，一般取0.5較為合適，關(guān)聯(lián)系數(shù)取值則落在0到1之間。

表3 塔山煤礦構(gòu)造復(fù)雜程度指標(biāo)因素權(quán)重

不同區(qū)域構(gòu)造發(fā)育情況差別明顯，構(gòu)造復(fù)雜程度評(píng)價(jià)指標(biāo)的因素權(quán)重也存在差異，即不同指標(biāo)對(duì)構(gòu)造復(fù)雜程度評(píng)價(jià)的貢獻(xiàn)度不同，選擇合適的構(gòu)造復(fù)雜程度分類標(biāo)準(zhǔn)有利于合理區(qū)分礦區(qū)構(gòu)造復(fù)雜程度水平。

(2)求取程度權(quán)重

增添程度權(quán)重旨在提高總體評(píng)價(jià)的精確性和代表性，其計(jì)算通過灰色聚類分析法對(duì)實(shí)現(xiàn)各個(gè)評(píng)語集的權(quán)重的對(duì)應(yīng)分配，各評(píng)價(jià)指標(biāo)的聚類權(quán)重可依據(jù)式(1)進(jìn)行計(jì)算。

(3)雙權(quán)重的計(jì)算

將因素權(quán)重與程度權(quán)重的乘積作為最終聚類系數(shù)求取時(shí)的權(quán)重系數(shù)，計(jì)算過程與方法在研究理論發(fā)方法中有詳細(xì)闡述。表4為塔山煤礦不同評(píng)價(jià)指標(biāo)聚類權(quán)重計(jì)算結(jié)果，結(jié)合表3塔山礦構(gòu)造復(fù)雜程度因素權(quán)重，計(jì)算得得出塔山煤礦雙權(quán)重系數(shù)(表5)。

表4 塔山煤礦聚類權(quán)重參數(shù)統(tǒng)計(jì)

表5 塔山煤礦雙權(quán)重系數(shù)計(jì)算結(jié)果

通過觀察、對(duì)比聚類權(quán)重參數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以知，當(dāng)構(gòu)造復(fù)雜程度為Ⅰ級(jí)時(shí)，褶皺的平面變形系數(shù)權(quán)重系數(shù)占比較高，即構(gòu)造復(fù)雜程度為簡(jiǎn)單時(shí)，構(gòu)造復(fù)雜程度受地面變形程度影響較大，而當(dāng)構(gòu)造復(fù)雜程度逐漸增加時(shí)，斷層構(gòu)造成為關(guān)鍵要素，權(quán)重系數(shù)占比較高。因此，對(duì)于大同礦區(qū)而言，礦區(qū)構(gòu)造復(fù)雜程度主要受斷層構(gòu)造發(fā)育影響。

(4)聚類系數(shù)

表6為塔山煤礦部分網(wǎng)格構(gòu)造復(fù)雜程度模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果。依據(jù)聚類系數(shù)相對(duì)大小，確定了不同網(wǎng)格構(gòu)造復(fù)雜程度等級(jí)大小。

表6 塔山煤礦聚類系數(shù)Table 6 Cluster coefficients of the Tashan coal mine

3 結(jié)果和討論

3.1 構(gòu)造復(fù)雜程度模糊評(píng)價(jià)結(jié)果

根據(jù)前兩節(jié)計(jì)算的斷層強(qiáng)度、密度、影響指數(shù)、褶皺的平面變形系數(shù)和各構(gòu)造復(fù)雜程度等級(jí)對(duì)應(yīng)不同影響因素的聚類權(quán)重(表5和表6)，利用GIS軟件的計(jì)算能力與圖形轉(zhuǎn)換能力繪制了研究區(qū)礦構(gòu)造復(fù)雜程度灰色模糊評(píng)價(jià)綜合圖，將平面構(gòu)造轉(zhuǎn)換為直觀定量化的構(gòu)造復(fù)雜程度平面圖(圖4)。從紫色到紅色的顏色序列代表構(gòu)造復(fù)雜程度的由低到高，礦區(qū)整體紅綠色系覆蓋面積較大，代表了塔山礦構(gòu)造復(fù)雜程度整體較高。塔山礦構(gòu)造復(fù)雜程度呈“區(qū)帶狀”分布，3條北西-南動(dòng)向展布的紅-橙色(Ⅱ級(jí)至Ⅲ級(jí)之間，更接近Ⅱ級(jí))的高構(gòu)造復(fù)雜區(qū)帶；間夾3條紫-藍(lán)色(Ⅰ級(jí)至Ⅱ級(jí)之間，更接近Ⅰ級(jí))低構(gòu)造復(fù)雜區(qū)帶；其余區(qū)域分布于前兩者之間，為以Ⅱ級(jí)構(gòu)造復(fù)雜程度為主的過渡區(qū)帶。

圖4 大同煤田塔山煤礦構(gòu)造復(fù)雜程度評(píng)價(jià)結(jié)果

3.2 對(duì)塔山礦勘探和開采過程的啟示

不同于常規(guī)定性評(píng)價(jià)更依賴于經(jīng)驗(yàn)和觀察對(duì)構(gòu)造復(fù)雜程度進(jìn)行判斷和劃分，定量評(píng)價(jià)是在定性評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，基于研究區(qū)及周緣近百條斷裂性質(zhì)、產(chǎn)狀、落差、出露地點(diǎn)、控制程度和延伸長(zhǎng)度等要素的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，綜合考慮了斷層密度、斷層強(qiáng)度、斷層影響指數(shù)和褶皺的平面變形系數(shù)4個(gè)構(gòu)造復(fù)雜程度控制因素，應(yīng)用科學(xué)計(jì)算方法將構(gòu)造復(fù)雜程度分區(qū)化、定量化、直觀化和綜合化。既能夠表征圖2中構(gòu)造分布區(qū)帶性特征，又體現(xiàn)了其全區(qū)的1000 m網(wǎng)格區(qū)域尺度的直觀精確性。這更有利于煤層井工開采過程中工作面的設(shè)計(jì)和開采設(shè)備的選擇，例如構(gòu)造復(fù)雜程度定量評(píng)價(jià)結(jié)果(圖4)中3條北西-南東向展布的紫-藍(lán)色的低構(gòu)造復(fù)雜性區(qū)帶，認(rèn)為該類區(qū)域勘探過程中井網(wǎng)布置過程需考慮構(gòu)造因素簡(jiǎn)單，鉆進(jìn)過程的卡鉆和漏液風(fēng)險(xiǎn)性小；此外，該類區(qū)域適合高機(jī)械化高效率采煤設(shè)備的應(yīng)用，參考主采3-5#煤層底板等高線特征，明確小區(qū)域內(nèi)地層/煤層傾向和傾角變化趨勢(shì)，可進(jìn)行大型綜采工作面的設(shè)計(jì)和布置。相比之下，3條北西-南東向展布的紅-橙色的高構(gòu)造復(fù)雜區(qū)帶，這增加了勘探過程中的井網(wǎng)布置難度，以及鉆進(jìn)過程的卡鉆和漏液風(fēng)險(xiǎn)。煤層開采過程更趨向于選擇高機(jī)動(dòng)性的小型設(shè)備，工作面的設(shè)計(jì)和布置更復(fù)雜，且開采過程中需設(shè)計(jì)更高強(qiáng)度的支護(hù)工藝。

4 結(jié)論

(1)灰色模糊理論兼顧了“內(nèi)涵”和“外延”，有效避免了灰色理論和模糊理論單獨(dú)應(yīng)用時(shí)的局限性。構(gòu)造復(fù)雜程度定量評(píng)價(jià)過程中以斷層密度、強(qiáng)度、斷層影響指數(shù)和褶皺的平面變形系數(shù)為評(píng)價(jià)指標(biāo)。厘定了因素集和評(píng)語集，劃分了適宜的構(gòu)造評(píng)價(jià)網(wǎng)格，并建立了定量評(píng)價(jià)體系，其中斷層強(qiáng)度在因素權(quán)重和程度權(quán)重中的關(guān)聯(lián)度更高，后三者因素權(quán)重和程度權(quán)重的計(jì)算結(jié)果較為接近。但不同類型構(gòu)造區(qū)中主控因素存在差異，當(dāng)構(gòu)造復(fù)雜程度為Ⅰ級(jí)時(shí)，褶皺的平面變形系數(shù)為構(gòu)造復(fù)雜程度的控制因素，而當(dāng)構(gòu)造復(fù)雜程度逐漸增加時(shí)(Ⅱ及和Ⅲ級(jí))，斷裂特征成為關(guān)鍵要素，包括斷層強(qiáng)度、密度和影響指數(shù)，權(quán)重系數(shù)占比較高。

(2)構(gòu)造復(fù)雜程度綜合定量評(píng)價(jià)結(jié)果中，塔山礦地質(zhì)構(gòu)造條件復(fù)雜，構(gòu)造復(fù)雜程度具有“區(qū)帶狀”分布特征，西南隅構(gòu)造條件相對(duì)簡(jiǎn)單，中部整體為Ⅲ級(jí)構(gòu)造復(fù)雜區(qū)帶，間夾Ⅰ、Ⅱ級(jí)區(qū)域。Ⅰ級(jí)至Ⅱ級(jí)構(gòu)造區(qū)勘探和開采過程中井網(wǎng)和工作面的設(shè)計(jì)和布置較為簡(jiǎn)單，大型綜采設(shè)備的適用性高，機(jī)械化程度和工作效率也更高；而Ⅱ級(jí)至Ⅲ級(jí)構(gòu)造區(qū)的勘探和開采過程需考慮的構(gòu)造因素更復(fù)雜，需有效規(guī)避斷裂帶在鉆進(jìn)過程帶來的卡鉆和漏液風(fēng)險(xiǎn)；開采過程中也對(duì)設(shè)備的機(jī)動(dòng)性要求更高。