基于综合指数法地质构造复杂程度的评价研究

张 波

(山西平舒煤业有限公司，山西 晋中 045400)

0 引言

21世纪是信息化高度发展的时代，地理信息系统以及定量评价手段在煤田勘探行业得到了较为广泛的应用和推广，这就使得煤炭资源的勘探更加信息化和量化。上世纪大多数矿井仅仅是根据经验来进行煤炭资源的勘探，这往往导致了煤炭勘探划分的模糊性和主观性，缺乏同一规范的标准来衡量勘探结果的准确性，造成了煤炭资源的浪费，同时也不利于国家的经济建设[1]。而地质构造程度的定量评价为采区布置方式以及矿井开拓方式提供了基础，也为减少矿井开采事故提供了依据。总体上，地质构造复杂程度的评价发展的阶段可分为：定性分析阶段、统计分析阶段以及模糊数学评价阶段。定性分析带有一定的主观色彩，往往具有较明显的盲目性[2]；统计分析所用的统计方法主要有神经网格以及模糊综合评价方法，这些方法往往是基于地质构造(陷落柱和断层等)来建立评价体系，该方法简便快捷，也可以较为精确地定量评价地质构造复杂程度，应用较广。模糊数学评价就是结合模糊综合评价方法和灰色关联度分析方法来建立评价体系，同样应用较为广泛。随着多学科的共同发展，各个学科以及研究领域交叉的地方愈来愈多，分形理论也应用到了地质构造复杂程度的评价中。为此，建立了综合指数法评价体系，对某矿井地质构造的复杂程度进行研究，以期为地质构造程度的研究提供基础。

1 评判指标体系建立

评判指标是对地质构造复杂程度研究的基础，建立合理的评判指标不仅可以精确分析地质构造的复杂程度，也可以降低评价分析的难度。矿井地质构造复杂程度受到多方面因素的影响，不同的矿井中地质构造的展布特征不同，故在建立评价指标前需要充分了解勘探区域内的地质特征。根据地质构造涉及的多学科领域，认为地质指标和经济指标主要反映了地质构造情况，包括断层强度、分形维数、断煤夹角指数、构造组数、褶曲展布系数以及岩浆侵入指数等等。在此认为矿井地层中断层、褶曲以及岩浆对地质构造的影响最为显著，故建立了分形维数、断层强度指数、褶曲展布系数、褶曲指数、岩浆侵入指数、断煤夹角指数、构造面积损失系数等7个反映地质构造复杂程度的评价指标。

1.1 分形维数

分形维数涉及到了数学学科，在这里反映断层构造的性质，通过公式(1)计算。

(1)

式中：r—分析的网格长度；N(r)—内部有断层的网格数量。

1.2 断层强度指数

断层强度指数是断层轴向长度与自身落差之积，通过公式(2)计算。

(2)

式中：S—勘探区域的面积；Hi—断层落差；n—断层数目；Li—断层轴向长度。

1.3 褶曲展布系数

褶曲展布系数指标为底板各等高线实际长度与投影长度之差的总和与等高线实际长度的比值，通过公式(3)计算。

(3)

式中：d0i—等高线实际长度；d1i—投影长度；n—等高线数量。

1.4 褶曲指数

褶曲指数指标反映了褶曲变形的程度，通过公式(4)计算。

(4)

式中：vi—褶曲的幅度；wi—褶曲长度；n—褶曲数量。

1.5 岩浆侵入指数

岩浆侵入指数指标反映了在评判范围内部岩浆对煤层的破坏程度，通过公式(5)计算。

(5)

式中：A0—评判范围内岩浆侵入的范围；A—评判范围。

1.6 断层夹角指数

断煤夹角指数指标反映了断层数量以及断层与煤体走向夹角对地质构造的影响程度，通过公式(6)计算。

(6)

式中：L—断层轴向长度；θ—每条断层与煤体的夹角；S—勘探区域的面积；n—断层数量。

1.7 构造面积损失系数

由于地质构造的影响而导致的不可采煤层的范围与可采范围之比称之为构造面积损失系数[3]，构造面积损失系数指标反映了地质构造对工作面开采以及矿井发展的影响程度，通过公式(7)计算。

(7)

式中：S1—由于地质构造损失的煤层范围，S0—统计范围。

2 计算综合指数

通过计算各个指标的权重可以得到所研究指标对地质构造影响的复杂程度，常用方法包括层次分析法、神经网格法以及灰色关联度分析法[4-9]。其中神经网格法可最大程度减小人为因素的影响，计算结果更为贴切实际。本次基于BP神经网格法计算权重，选择输入层和隐含层的数量分别为7和11，然后对原始数据进行网格训练，这样可计算出输入层到隐含层的权重以及隐含层到输入层的权重，由于本次所用的BP神经网格法默认有输入层、隐含层间权重的计算方法，由此可得到所研究指标对地质构造影响的权重值，见表1。

表1 每个评价指标对地质构造影响的权重值

综合指数能够反映地质构造的复杂情况，地质构造复杂性随着该指数的增加而愈来愈严重，通过加权求和方法可得到综合指数，计算如公式(8)。

(8)

根据公式(9)对公式(8)进行变换可得到地质构造复杂性的变换指数，这样更加利于地质构造评判的定量划分，则构造复杂程度的综合指数和变换指数，见表2。

(9)

式中：xij—第i个子区的第j个指标的原始数据；αj—第j个指标的权重值；Xi—第i个子区的综合指数，Yi—第i个子区的变换指数。

对表2进行分析，认为变换指数在0.3以下地质构造复杂程度为简单，变换指数在0.3～0.6之间地质构造复杂程度为中等，而变换指数在0.6～1之间时地质构造复杂程度为复杂，由此就得到了地质构造复杂程度评判的划分依据。

表2 构造复杂程度的综合指数和变换指数统计表

3 以某矿井为例进行地质构造评价

矿区含煤地层主要研究的是山西组和太原组，地层内部发育的主要地质构造具体如下。

3.1 断层

研究井田为一单斜构造，平均倾角为8°。据地质勘测结果显示，井田内断层数量为19，以小型断层为主，数量为11，而中型断层数量为5，大断层仅有3条，这些断层中共有4种走向，以NE走向为主，总体上各断层走向特征，如图1所示。

图1 井田内部断层走向玫瑰花图

3.2 褶曲

研究井田内共发育4条褶曲，向斜和背斜各2条，各条褶曲的参数，见表3。

表3 井田内部褶曲参数统计表

研究过程中还对工作面底板标高进行了3次的趋势面研究，为了充分得到底板等高线的变化特征，研究结果显示，二次趋势面的拟合相关性达到了93.67%，相关性较好，由此可以充分反映研究井田内部褶曲的分布情况。

3.3 其它地质构造

据地质勘探结果显示，该井田内部煤油岩浆岩以及陷落柱等地质构造。煤层厚度等值线，如图2所示。

3.4 地质构造复杂程度

基于此，得到该井田研究指标对地质构造影响的量化值，见表4。

由此计算构造复杂程度的综合指数和变换指数，从而对地质构造复杂性情况进行评判，见表5。

图2 煤层厚度等值线示意图

表4 每个评价指标对地质构造影响的量化值

表5 基于综合指数法评判结果统计表

由表5可得，所研究井田变换指数为0.01，远小于0.3(判定依据)，故地质构造复杂程度为简单。

4 结语

建立了综合指数法评价体系，对某矿井地质构造的复杂程度进行研究，从而为地质构造程度的研究提供基础。笔者认为矿井地层中断层、褶曲以及岩浆对地质构造的影响最为显著，故建立了反映地质构造复杂程度的7个评价指标，进一步得到了评价地质构造复杂程度的综合指数法，以某井田为例进行了地质构造复杂程度的定量评价，认为所研究井田变换指数为0.01，地质构造复杂程度为简单。该地质构造程度的定量评价可为采区布置方式以及矿井开拓方式提供了基础，也为减少矿井开采事故提供了依据。