矿区地质动力区划趋势面分析的可视化软件系统

朱广轶,郑仰发,张华兴

(1.沈阳大学建筑工程学院,辽宁沈阳 110044;2.天地科技股份有限公司开采设计事业部,北京 100013)

矿区地质动力区划趋势面分析的可视化软件系统

朱广轶1,郑仰发1,张华兴2

(1.沈阳大学建筑工程学院,辽宁沈阳 110044;2.天地科技股份有限公司开采设计事业部,北京 100013)

地质动力区划是矿区防治多种地质灾害的新方法。基于趋势面分析理论和 3次样条插值函数及VB调用 CAD二次开发成图技术,构建了地质趋势面分析的可视化软件系统。综合矿区地质地形图、震中分布图、地下勘察及地应力测量结果,软件系统可有效区划出活动断裂,从而为煤矿开采设计与瓦斯动力事故等灾害预防提供科学理论依据。

地质动力区划;地质趋势面;可视化系统;活动断裂

地质动力区划首创于俄罗斯地质力学与矿山测量研究院[1],是近十几年发展起来的集地质动力学、测量学、板块学说、地球物理学、岩体力学等多学科的研究成果,旨在探讨研究区域内各种动力过程,以及参与该过程的地球能量场。通过对地形地貌、构造物理、河流水系的考察分析,同地质构造、地震分布、地球物理、航片、卫星照片等图纸资料进行对比,确定研究区域内各级 (活动)断块图及断块间的相互作用。利用地应力测量、数值分析、GIS等技术手段,以断块图为模型,进行原岩应力计算,确定应力场的特性,为工程活动的防灾减灾提供科学理论依据。

在采矿领域,地质动力区划方法对矿区地质灾害预测分析具有时间短、工程评价费用低、效果显著等特点,并且已在国内多个矿区得到了卓有成效的应用[2-3]。地质趋势面分析法是地质动力区划进行构造断块划分最行之有效的方法,属于常用的数学地质方法[4],适用于对平面和空间中分布的各种观测资料进行统计与拟合分析。

目前,我国还没有自主产权的地质趋势面分析专用软件。本文构建了地质趋势面分析的可视化软件系统,这不仅弥补了国内此领域的空白,而且开创了地质动力区划可视化运用的新思路,对逐步完善地质动力区划方法具有一定意义。

1 趋势面分析理论

1.1 理论模型

在理论上,原始观测面一般可以分解为 3部分:区域趋势,局部异常,随机干扰[4]。所谓区域趋势是指遍及全区的,较大规模地质作用的反映;局部异常是由规模比研究区小的地质作用所产生的,其影响在区域内并非处处可见的随机分量;随机干扰,一般认为是由抽样误差和观测误差组成,不包括系统误差。统计学理论指出,随机成分的分离是有条件的,要求有重复抽样的观测数据,这在地质工作中往往难以做到[4]。因此,在实际工作中,只要求分离其中的两种成分,从而理论模型在实际应用时就可表述为:

上述模型中,局部异常分量必然包含随机干扰分量,只不过局部异常分量处于主导地位,而随机分量所占的比重很小。分析思路是分别将分离开的分量作图,然后作地质解释,一般只作等值线图,有时也作倾向剖面投影图。

1.2 数学模型

理论模型 (1)在数学上用函数式表述:

式中,Hi为第 i点的实测值,ui为第 i点处东西方向的坐标值,vi为第 i点处南北向的坐标值,ei为第 i点处的拟合剩余值,p为 u坐标值的最高幂次, q为 v坐标值的最高幂次,ajk是 u为 j次幂,v为 k次幂的多项式系数,n为观测点数。

要建立趋势面拟合函数,重要的是求出待定系数 ajk,一般采用最小二乘准则。根据微积分原理,可以得到多元线性方程组的矩阵方程:

其中,m为拟合多项式函数的最高次数,r与m间的关系式:

将 n组非规则分布观测点的三维坐标代入(3)式,解算出系数 a0,a1,…,ar后回代入式(2),就可求得趋势值与剩余值。

1.3 断裂构造的地质特征

断裂构造在观测面上往往表现为一条直线或曲线,在残差图上可表观为细长的带状正异常 (往往对应于隐伏的逆断层)或负异常 (往往对应于隐伏的正断层),也可以是由大剩余值构成的,并列的正负剩余带或梯度陡变带。总之,只要在残差图中有带状分布的异常出现,就有理由区划该异常为断裂的反映。这种断裂识别法是一种基础判别的方法,能大概地确定断裂的位置和走向。

2 可视化软件系统

该趋势面分析计算的可视化系统根据地质测量所得三维数据为基础,其核心程序包括:利用顺序、选择、循环结构编制矩阵式 (3)的趋势面拟合函数常系数的求解程序,及计算观测点的趋势值和剩余值,采用3次样条插值函数与VB调用 CAD二次开发成图技术,将所得文件数据绘制成趋势图、残差图。系统具体的运行过程如图 1示。

图 1 趋势面分析可视化系统技术路线

3 工程应用

大兴井田区域内地质构造发育[3]。大兴矿地处北北东向展布的向斜盆状构造区,西南侧为井田盆状构造中心,也是沉降中心。北翼平缓,为 5°左右,南翼陡,为 20～30°,西翼陡,约 40°,东翼平缓,为 5°左右。盆轴南北两端呈抬起形态。

3.1 Ⅱ级断裂趋势面分析

在大兴井田包括边界西部的较大区域内,依据地质测量所得三维数据,选用实用性较强的二次拟合函数,利用可视化程序进行趋势面分析计算,可得到拟合趋势面函数相关参数值 (表 1)和大兴井田Ⅱ级断裂的二次残差图 (图 2)。

表1 大兴井田拟合趋势面参数值

图2 大兴井田二次拟合残差分布

分析图 2作地质解释:在残差图上可明显发现较大等高距的梯度陡变带、并列的正负剩余带。据断裂构造的地质特征,可初步判定该残差图中 0线带为曲线断裂。该断裂延伸区域范围较大,可划为Ⅱ级断裂。将该Ⅱ级断裂与相应地形图,地震震中分布图对照,其位置方向均吻合较好,因此,可判定该断裂为活动断裂。

3.2 大兴井田活动断块区划

对大兴井田较大区域进行地质动力区划,在不同比例尺的地形图上,利用趋势面分析可视化程序系统划分不同等级的断裂。残差图结合各类图纸资料与测量结果,准确划分出各级活动断裂。

Ⅰ,Ⅱ级活动断裂主要依据残差图与震中分布图综合对照进行确定。同 1∶100×104辽宁及渤海周围地震震中分布图相比较,Ⅰ,Ⅱ级断裂吻合的较好,Ⅰ,Ⅱ级断裂基本上在震中分布带上,在Ⅰ,Ⅱ级断裂交界处附近,是地震分布的最大密度位置。以上表明:Ⅰ,Ⅱ级断裂在现代地壳运动中起主导控制作用。

在划分Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ级活动断裂时,利用本可视化系统进行趋势面拟合分析后,考察主要沟谷、坡脚线、河流的膝状弯曲、鞍部、等高线轮廓等特征,结合地下地质勘查 (节理面、擦痕等构造形迹)、地应力测量结果等多因素综合分析来确定。大兴井田区划具体结果如图 3示。

图3 大兴井田活动断块区划结果

4 结 论

(1)地质动力区划为防治矿区多种地质灾害开创了新途径,趋势面分析法是地质动力区划最行之有效的方法。本文基于趋势面分析理论与可视化编程软件 VB调用 CAD二次开发成图技术,构建了地质动力区划趋势面分析计算的可视化系统。通过分析该可视化系统绘制的残差图,能够有效确定断裂位置和方向。

(2)在大兴井田范围内进行趋势面分析,结合矿区地质地形图、震中分布图、地下勘察及地应力测量结果等资料,准确区划出该井田区域内的活动断块。活动断裂构造附近是矿区地质灾害的高发区,活动断块的准确划分对煤矿开采设计、瓦斯动力事故预防等,具有重要指导作用和理论意义。

[1]И . М.佩图霍夫,И . М.巴杜金娜.地下地质动力学 [M].王 丽,陈学华译.北京:煤炭工业出版社,2006.

[2]朱广轶,高智广,郝 哲,等.地质动力区划在鹤岗城区的应用 [J].辽宁工程技术大学学报,2005,24(5):646-648.

[3]朱广轶,李保东,张 忠.大兴井田地质动力区划研究 [J].煤矿安全,2005,36(3):1-3.

[4]张启锐 .地质趋势面分析 [M].北京:科学出版社,1990.

[责任编辑: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

国家重点科技攻关项目 (96-223-01-03-04)

朱广轶 (1962-),男,辽宁喀左人,教授,研究生导师,主要从事矿区岩层移动控制与防灾减灾方面的研究。