基于綜合指數法地質構造復雜程度的評價研究

張 波

(山西平舒煤業有限公司，山西 晉中 045400)

0 引言

21世紀是信息化高度發展的時代，地理信息系統以及定量評價手段在煤田勘探行業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。上世紀大多數礦井僅僅是根據經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，缺乏同一規范的標準來衡量勘探結果的準確性，造成了煤炭資源的浪費，同時也不利于國家的經濟建設[1]。而地質構造程度的定量評價為采區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。總體上，地質構造復雜程度的評價發展的階段可分為：定性分析階段、統計分析階段以及模糊數學評價階段。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]；統計分析所用的統計方法主要有神經網格以及模糊綜合評價方法，這些方法往往是基于地質構造(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構造復雜程度，應用較廣。模糊數學評價就是結合模糊綜合評價方法和灰色關聯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構造復雜程度的評價中。為此，建立了綜合指數法評價體系，對某礦井地質構造的復雜程度進行研究，以期為地質構造程度的研究提供基礎。

1 評判指標體系建立

評判指標是對地質構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構造的復雜程度，也可以降低評價分析的難度。礦井地質構造復雜程度受到多方面因素的影響，不同的礦井中地質構造的展布特征不同，故在建立評價指標前需要充分了解勘探區域內的地質特征。根據地質構造涉及的多學科領域，認為地質指標和經濟指標主要反映了地質構造情況，包括斷層強度、分形維數、斷煤夾角指數、構造組數、褶曲展布系數以及巖漿侵入指數等等。在此認為礦井地層中斷層、褶曲以及巖漿對地質構造的影響最為顯著，故建立了分形維數、斷層強度指數、褶曲展布系數、褶曲指數、巖漿侵入指數、斷煤夾角指數、構造面積損失系數等7個反映地質構造復雜程度的評價指標。

1.1 分形維數

分形維數涉及到了數學學科，在這里反映斷層構造的性質，通過公式(1)計算。

(1)

式中：r—分析的網格長度；N(r)—內部有斷層的網格數量。

1.2 斷層強度指數

斷層強度指數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—勘探區域的面積；Hi—斷層落差；n—斷層數目；Li—斷層軸向長度。

1.3 褶曲展布系數

褶曲展布系數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—等高線數量。

1.4 褶曲指數

褶曲指數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—褶曲數量。

1.5 巖漿侵入指數

巖漿侵入指數指標反映了在評判范圍內部巖漿對煤層的破壞程度，通過公式(5)計算。

(5)

式中：A0—評判范圍內巖漿侵入的范圍；A—評判范圍。

1.6 斷層夾角指數

斷煤夾角指數指標反映了斷層數量以及斷層與煤體走向夾角對地質構造的影響程度，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—勘探區域的面積；n—斷層數量。

1.7 構造面積損失系數

由于地質構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造面積損失系數[3]，構造面積損失系數指標反映了地質構造對工作面開采以及礦井發展的影響程度，通過公式(7)計算。

(7)

式中：S1—由于地質構造損失的煤層范圍，S0—統計范圍。

2 計算綜合指數

通過計算各個指標的權重可以得到所研究指標對地質構造影響的復雜程度，常用方法包括層次分析法、神經網格法以及灰色關聯度分析法[4-9]。其中神經網格法可最大程度減小人為因素的影響，計算結果更為貼切實際。本次基于BP神經網格法計算權重，選擇輸入層和隱含層的數量分別為7和11，然后對原始數據進行網格訓練，這樣可計算出輸入層到隱含層的權重以及隱含層到輸入層的權重，由于本次所用的BP神經網格法默認有輸入層、隱含層間權重的計算方法，由此可得到所研究指標對地質構造影響的權重值，見表1。

表1 每個評價指標對地質構造影響的權重值

綜合指數能夠反映地質構造的復雜情況，地質構造復雜性隨著該指數的增加而愈來愈嚴重，通過加權求和方法可得到綜合指數，計算如公式(8)。

(8)

根據公式(9)對公式(8)進行變換可得到地質構造復雜性的變換指數，這樣更加利于地質構造評判的定量劃分，則構造復雜程度的綜合指數和變換指數，見表2。

(9)

式中：xij—第i個子區的第j個指標的原始數據；αj—第j個指標的權重值；Xi—第i個子區的綜合指數，Yi—第i個子區的變換指數。

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

表2 構造復雜程度的綜合指數和變換指數統計表

3 以某礦井為例進行地質構造評價

礦區含煤地層主要研究的是山西組和太原組，地層內部發育的主要地質構造具體如下。

3.1 斷層

研究井田為一單斜構造，平均傾角為8°。據地質勘測結果顯示，井田內斷層數量為19，以小型斷層為主，數量為11，而中型斷層數量為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 井田內部斷層走向玫瑰花圖

3.2 褶曲

研究井田內共發育4條褶曲，向斜和背斜各2條，各條褶曲的參數，見表3。

表3 井田內部褶曲參數統計表

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，研究結果顯示，二次趨勢面的擬合相關性達到了93.67%，相關性較好，由此可以充分反映研究井田內部褶曲的分布情況。

3.3 其它地質構造

據地質勘探結果顯示，該井田內部煤油巖漿巖以及陷落柱等地質構造。煤層厚度等值線，如圖2所示。

3.4 地質構造復雜程度

基于此，得到該井田研究指標對地質構造影響的量化值，見表4。

由此計算構造復雜程度的綜合指數和變換指數，從而對地質構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構造影響的量化值

表5 基于綜合指數法評判結果統計表

由表5可得，所研究井田變換指數為0.01，遠小于0.3(判定依據)，故地質構造復雜程度為簡單。

4 結語

建立了綜合指數法評價體系，對某礦井地質構造的復雜程度進行研究，從而為地質構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構造的影響最為顯著，故建立了反映地質構造復雜程度的7個評價指標，進一步得到了評價地質構造復雜程度的綜合指數法，以某井田為例進行了地質構造復雜程度的定量評價，認為所研究井田變換指數為0.01，地質構造復雜程度為簡單。該地質構造程度的定量評價可為采區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。