傅先杰,張文永,孫貴,詹潤(rùn),韓峰,劉傳澤
(1.中煤新集能源股份有限公司,安徽淮南 232001;2.安徽省煤田地質(zhì)局勘查研究院,安徽合肥 230088;3.合肥工業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院,安徽合肥 230009)
地質(zhì)構(gòu)造是影響煤礦區(qū)勘探與開(kāi)發(fā)的最主要因素,一直以來(lái)都是礦井地質(zhì)領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)之一。通過(guò)對(duì)礦井構(gòu)造復(fù)雜程度精確的研究,能夠科學(xué)、有效地避免因地質(zhì)構(gòu)造引起的礦井突水、瓦斯突出、沖擊地壓與地溫?zé)岷Φ鹊刭|(zhì)災(zāi)害影響。針對(duì)礦井構(gòu)造復(fù)雜程度定量化評(píng)價(jià)、預(yù)測(cè)研究,前人已開(kāi)展過(guò)大量的工作,并取得了大量的成果。詹才高等[1]最早提出基于“等性塊段”的礦井地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度分級(jí)定量評(píng)價(jià)方法,為礦井設(shè)計(jì)選取不同采煤方法提供了基本地質(zhì)依據(jù)。20 世紀(jì)90 年代以來(lái),徐鳳銀等[2-3]采用灰色關(guān)聯(lián)與模糊綜合評(píng)判法,系統(tǒng)研究了礦井構(gòu)造的復(fù)雜程度與等級(jí)。與此同時(shí),許多學(xué)者[3-7]提出了更多的地質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo),并將分形幾何學(xué)應(yīng)用到礦井構(gòu)造的研究中,使評(píng)價(jià)指標(biāo)的定量化描述更準(zhǔn)確合理,且實(shí)現(xiàn)易于計(jì)算機(jī)統(tǒng)計(jì)。還有學(xué)者[8-9]利用趨勢(shì)面擬合的數(shù)學(xué)地質(zhì)方法,研究地質(zhì)變量區(qū)域性變化和局部變化的規(guī)律,從而進(jìn)行地質(zhì)構(gòu)造檢驗(yàn)及預(yù)測(cè)。近年來(lái),隨著GIS技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用,礦井構(gòu)造定量化評(píng)價(jià)、預(yù)測(cè)精度進(jìn)一步提高[10-12],通過(guò)與現(xiàn)代數(shù)學(xué)方法結(jié)合,可快速、準(zhǔn)確地對(duì)礦井構(gòu)造復(fù)雜程度進(jìn)行評(píng)判。
本文以淮南煤田口孜東礦13-1 煤層為例,結(jié)合礦井構(gòu)造實(shí)際揭露情況,采用灰色關(guān)聯(lián)法確定礦井構(gòu)造復(fù)雜程度評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重,通過(guò)ArcGIS 軟件對(duì)各指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合、分類、關(guān)聯(lián)分析,進(jìn)而對(duì)礦井構(gòu)造復(fù)雜程度開(kāi)展定量化評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè),為礦井安全、高效開(kāi)采提供地質(zhì)依據(jù)。
口孜東礦位于淮南煤田西部陳橋背斜南翼,東界為F12 斷層、南界為阜鳳斷層、西界為DF3 斷層,北界為基巖露頭線,總體表現(xiàn)為一不完整的向斜構(gòu)造。向斜軸偏向北西,研究區(qū)南翼地層傾角平緩,一般為5°~10°;北翼地層傾角較南翼稍陡,一般為20°左右。次一級(jí)褶曲不發(fā)育。根據(jù)地震勘探與鉆探揭露資料顯示,礦井內(nèi)發(fā)育有大量北北東向與北西向次級(jí)斷層,落差≥5 m 斷層有156 條,除礦井南側(cè)發(fā)育少量逆斷層外,其余都為正斷層,平面上斷層多以平行式、斜交式分布(圖1)。
圖1 13-1煤層構(gòu)造綱要圖Figure 1. Structural outline map of coal seam13-1
研究區(qū)位于阜陽(yáng)市境內(nèi),礦井面積為43.4 km2,開(kāi)采標(biāo)高為-554~-1 200 m,屬于典型的華北型石炭-二疊紀(jì)煤礦區(qū),含煤地層主要為晚古生代二疊系山西組、下石盒子組、上石盒子組,含煤20 多層,可采10 層,其中13-1煤層為礦井首采煤層,平均厚度為4.62 m,儲(chǔ)量豐富、可采面積大,現(xiàn)正處于擴(kuò)張開(kāi)采階段。
評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的真實(shí)性、準(zhǔn)確性以及合理性起著至關(guān)重要的作用。對(duì)于評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取應(yīng)做到涵蓋層次廣,各評(píng)價(jià)指標(biāo)之間既不重復(fù),又不缺失,從而使評(píng)價(jià)指標(biāo)能夠客觀、真實(shí)地反映礦井構(gòu)造復(fù)雜程度。本次通過(guò)調(diào)研相關(guān)文獻(xiàn),廣泛咨詢專家,結(jié)合口孜東礦構(gòu)造發(fā)育情況,選取斷層分維、斷層強(qiáng)度、褶皺分維、煤層傾角變異系數(shù)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。
斷層分維值作為定量化反映斷裂構(gòu)造復(fù)雜程度的一個(gè)參數(shù),可以更加準(zhǔn)確地反映不同區(qū)域的斷裂幾何形態(tài)與密集程度,其與斷裂長(zhǎng)度、分支斷層數(shù)量存在正比關(guān)系,即斷層分維值越大,斷裂構(gòu)造越發(fā)育。
本次采用箱型覆蓋法對(duì)口孜東礦13-1 煤層斷層分維進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。以13-1 煤底板等高線圖為基礎(chǔ),用500 m×500 m 的規(guī)則網(wǎng)格將研究區(qū)劃分為103 個(gè)評(píng)價(jià)單元。統(tǒng)計(jì)每個(gè)評(píng)價(jià)單元內(nèi)存在斷層線的網(wǎng)格數(shù),記作N(r),不斷縮小網(wǎng)格,使r=250 m、125 m、50 m 并統(tǒng)計(jì)存在的網(wǎng)格數(shù),得到相應(yīng)的N(r)值。以logr為橫坐標(biāo),logN(r)為縱坐標(biāo),將統(tǒng)計(jì)值投影至坐標(biāo)系中,得到擬合曲線,直線的斜率即為該評(píng)價(jià)單元的相似維。在直線曲率的求解中可采用最小二乘法進(jìn)行計(jì)算:
式中:Fd為第i網(wǎng)格單位分形維數(shù);n為網(wǎng)格單元數(shù);N(ri)為每i個(gè)評(píng)價(jià)單元內(nèi)存在斷層線的網(wǎng)格數(shù)。
為了操作便捷,本次利用ArcGIS 中打斷相交點(diǎn)工具將不同單元內(nèi)斷層線區(qū)分,然后采用折線轉(zhuǎn)柵格工具分別設(shè)置不同像元大小以統(tǒng)計(jì)不同網(wǎng)格邊長(zhǎng)下各單元內(nèi)斷層穿過(guò)的網(wǎng)格數(shù),以此為基礎(chǔ)計(jì)算各單元格的斷層分維值。求得分維值后,將各單元的分維值賦給單元格中心點(diǎn),通過(guò)GIS 插值可繪制出口孜東礦斷層分維專題圖[圖2(a)]。
圖2 各評(píng)價(jià)指標(biāo)專題圖Figure 2. Thematic map of each evaluation index
斷層強(qiáng)度指數(shù)是評(píng)價(jià)單元內(nèi)所有斷層長(zhǎng)度和斷層落差乘積之和與評(píng)價(jià)單元面積的比值。該指標(biāo)既考慮了斷層落差與斷層的延伸長(zhǎng)度,又考慮了區(qū)域內(nèi)斷層的數(shù)量,更能真實(shí)反映斷層規(guī)模與斷層形態(tài)特征[13],其表達(dá)式為:
式中:F為斷層強(qiáng)度指數(shù);n為單元內(nèi)的斷層條數(shù);Hi為第i條斷層的落差;Li為第i條斷層的延展長(zhǎng)度;S為統(tǒng)計(jì)單元的面積。
本次在ArcGIS 中為每條斷層添加字段并賦予相應(yīng)的斷層落差值,采用線密度工具按350 m 的搜索半徑對(duì)斷層線進(jìn)行處理,即可統(tǒng)計(jì)研究區(qū)內(nèi)以每個(gè)柵格像元為中心半徑350 m 范圍內(nèi)的斷層強(qiáng)度值,由此可制作出斷層強(qiáng)度專題圖[圖2(b)]。
褶皺分維與斷層分維計(jì)算方法相似,同樣用箱型覆蓋法對(duì)研究區(qū)13-1 煤底板等高線圖中的褶皺軸線進(jìn)行分區(qū)統(tǒng)計(jì),用500 m×500 m 的正方形將軸線穿過(guò)的區(qū)域劃分為規(guī)則單元格,然后通過(guò)調(diào)整柵格像元大小不斷縮小網(wǎng)格,統(tǒng)計(jì)斷層線穿過(guò)r=250 m、125 m、50 m邊長(zhǎng)的網(wǎng)格數(shù),采用最小二乘法與GIS 插值功能可得到褶皺分維專題圖[圖2(c)]。
原始沉積的地層在受到構(gòu)造應(yīng)力作用時(shí),會(huì)發(fā)生產(chǎn)狀變化與構(gòu)造裂隙,且構(gòu)造作用越強(qiáng)烈,構(gòu)造期次越多,變化程度也越大[13]。煤層傾角變異系數(shù)是一定區(qū)域內(nèi)煤層傾角的變化程度,能直接表征構(gòu)造作用對(duì)煤層變形的影響程度。通過(guò)統(tǒng)計(jì)單元面積內(nèi)煤層傾角方差與煤層平均傾角的比值,本次對(duì)煤層傾角變異系數(shù)進(jìn)行量化,其表達(dá)式為:
式中:R為煤層傾角變異系數(shù);n為單元范圍內(nèi)統(tǒng)計(jì)的煤層傾角個(gè)數(shù);αi為第i個(gè)統(tǒng)計(jì)點(diǎn)處的煤層傾角;為統(tǒng)計(jì)單元內(nèi)煤層傾角的平均值。
本次以研究區(qū)13-1 煤層底板等高線圖為基礎(chǔ),對(duì)底板等高線進(jìn)行提取整理,在ArcGIS 中對(duì)提取的底板等高線賦予對(duì)應(yīng)的深度字段,然后通過(guò)創(chuàng)建不規(guī)則三角網(wǎng)數(shù)據(jù)集(TIN),建立研究區(qū)13-1 煤層表面地質(zhì)模型(圖3)。采用坡度與焦點(diǎn)統(tǒng)計(jì)工具,計(jì)算以各柵格像元為中心半徑100 m內(nèi)所有像元的標(biāo)準(zhǔn)差與平均值,標(biāo)準(zhǔn)差與平均值的比值即為該像元的煤層傾角變異系數(shù),由此可制作出煤層傾角變異系數(shù)專題圖[圖2(d)]。
圖3 13-1煤層表面地質(zhì)模型Figure 3. Geological model of the surface of coal seam 13-1
模糊綜合評(píng)判法是模糊數(shù)學(xué)較重要的方法之一。經(jīng)過(guò)大量實(shí)踐證明,將其與灰色系統(tǒng)理論結(jié)合,可形成一套系統(tǒng)的評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)方法體系[14-15]。本次基于GIS平臺(tái),采用模糊綜合評(píng)判和模式識(shí)別技術(shù),配合模糊聚類與灰色關(guān)聯(lián)分析,在建立各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上,對(duì)礦井構(gòu)造復(fù)雜程度開(kāi)展定量化評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)。
為了判斷各指標(biāo)相互關(guān)系強(qiáng)弱及其大小,需要客觀地確定各指標(biāo)權(quán)重值。由于各評(píng)價(jià)指標(biāo)分屬不同類別,不能直接進(jìn)行對(duì)比和運(yùn)算,為了消除各指標(biāo)在量綱和量級(jí)上的差異,使各指標(biāo)具有可比性,需要對(duì)各指標(biāo)值進(jìn)行歸一化處理,本次采用線型無(wú)量綱化中的min-max歸一化方法進(jìn)行預(yù)處理,該方法不僅能將指標(biāo)數(shù)據(jù)固定到同一區(qū)間,而且能最大限度地保留指標(biāo)內(nèi)部的差異信息。具體公式如下:
式中:yj為第j個(gè)樣本歸一化處理后數(shù)據(jù);xj為第j個(gè)樣本歸一化前指標(biāo)的量化值;max(xj)和min(xj)分別為指標(biāo)量化值的最大值和最小值。
在確定權(quán)重過(guò)程中,首先選取恰當(dāng)?shù)挠绊懸蛩刈鳛槟敢蛩?,?jì)算各因素與母因素差值的絕對(duì)值[式(5)],然后計(jì)算各因素與母因素之間的關(guān)聯(lián)度[式(6)],根據(jù)各因素與母因素的關(guān)聯(lián)度,即可求得各指標(biāo)在構(gòu)造復(fù)雜程度評(píng)價(jià)中的權(quán)重系數(shù)[式(7)]。
式中:?0i為各因素與母因素差值的絕對(duì)值;x0為歸一化后的母因素向量;xi為第i項(xiàng)評(píng)價(jià)因素歸一化后向量。
式中:γ0i為第i項(xiàng)因素與母因素之間的關(guān)聯(lián)度;min(?0i)與max(?0i)分別為各因素與母因素差值絕對(duì)值的最小值與最大值;δ為分辨系數(shù),其值越小,分辨力越強(qiáng),顯著水平越高。
式中:αi為第i項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重;n為指標(biāo)個(gè)數(shù)。
研究區(qū)以斷層發(fā)育為主,僅伴隨有少量褶皺,除斷層附近,其他地區(qū)地層變化簡(jiǎn)單,因此選取斷層分維值作為求取灰色關(guān)聯(lián)度的母因素。采用GIS 模糊分類工具中的線性函數(shù)將各指標(biāo)進(jìn)行歸一化,然后使用柵格計(jì)算器代入式(6)與式(7),即可求得其余各評(píng)價(jià)指標(biāo)與母因素之間的關(guān)聯(lián)度(表1)。
表1 各評(píng)價(jià)指標(biāo)關(guān)聯(lián)度與權(quán)重值Table 1. Correlation degree and weight value of each evaluation index
評(píng)語(yǔ)集是構(gòu)建模糊評(píng)價(jià)模型的基礎(chǔ),其實(shí)質(zhì)是在評(píng)價(jià)過(guò)程中對(duì)構(gòu)造復(fù)雜等級(jí)的劃分。根據(jù)口孜東礦構(gòu)造發(fā)育情況,以劃分3類為基本原則,確定評(píng)語(yǔ)集為V=﹛簡(jiǎn)單,中等,復(fù)雜﹜(圖4)。
圖4 各評(píng)價(jià)等級(jí)隸屬函數(shù)示意圖Figure 4. The membership function diagram of each evaluation grade
隸屬函數(shù)用以表征評(píng)價(jià)指標(biāo)從屬于某一評(píng)語(yǔ)等級(jí)向不屬于的漸變過(guò)程,是隸屬度與評(píng)價(jià)指標(biāo)量化值的映射關(guān)系。隸屬函數(shù)的表現(xiàn)形式主要分為兩種:一種為連續(xù)函數(shù),即采用連續(xù)線型函數(shù)表達(dá);另一種為離散函數(shù),即采用分段賦值的方法構(gòu)建隸屬函數(shù)。其中分段賦值構(gòu)建隸屬函數(shù)方法不僅考慮了構(gòu)造復(fù)雜性程度評(píng)價(jià)是受多種因素影響的系統(tǒng),同時(shí)也能夠?qū)O值進(jìn)行調(diào)整,更具有合理性。本文采用分段賦值的方法分別對(duì)簡(jiǎn)單、中等、復(fù)雜三個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)構(gòu)建不同的隸屬函數(shù)。
在對(duì)構(gòu)造復(fù)雜程度評(píng)語(yǔ)集與隸屬函數(shù)確定基礎(chǔ)上,首先利用ArcGIS 的ISO 聚類功能,以輸出評(píng)語(yǔ)集結(jié)果為目標(biāo),對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行劃分,可得到各專題圖中所有像元的量化值聚類結(jié)果。然后,統(tǒng)計(jì)聚類結(jié)果即可獲得各評(píng)價(jià)指標(biāo)關(guān)于構(gòu)造等級(jí)為簡(jiǎn)單、中等、復(fù)雜的取值范圍及各等級(jí)的平均值,再根據(jù)礦井實(shí)際情況做出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整,確定每一類指標(biāo)中各評(píng)價(jià)等級(jí)之間的分界值與各等級(jí)的平均值(表2、圖5)。
表2 各評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)應(yīng)等級(jí)的分界值與平均值Table 2. Boundary value and average value of the corresponding grade of each evaluation index
圖5 不同區(qū)域關(guān)于各評(píng)價(jià)等級(jí)的隸屬度柵格圖Figure 5. Membership raster diagrams of different areas with respect to each evaluation grade
分界值與平均值可以將不同等級(jí)的指標(biāo)合理的區(qū)分開(kāi),為實(shí)現(xiàn)其結(jié)果,可利用ArcGIS 中的模糊分類工具,將各評(píng)價(jià)等級(jí)隸屬函數(shù)應(yīng)用到各評(píng)價(jià)指標(biāo)中,進(jìn)而確定出不同評(píng)價(jià)指標(biāo)關(guān)于各評(píng)價(jià)等級(jí)的隸屬度,同時(shí)使用加權(quán)總和工具對(duì)所有評(píng)價(jià)指標(biāo)關(guān)于相同評(píng)價(jià)等級(jí)的隸屬度進(jìn)行加權(quán)疊加,最終獲得不同區(qū)域關(guān)于各評(píng)價(jià)等級(jí)的隸屬度柵格圖。
根據(jù)模糊綜合評(píng)判原理中最大隸屬度原則,通過(guò)加權(quán)疊加圖5 中不同等級(jí)隸屬度圖層,可在GIS 中判斷出每個(gè)珊格像元處的構(gòu)造復(fù)雜程度等級(jí),進(jìn)而劃分出研究區(qū)13-1煤層構(gòu)造復(fù)雜程度綜合分區(qū)圖(圖6)。
圖6 13-1煤層構(gòu)造復(fù)雜程度綜合分區(qū)圖Figure 6. Structural complexity zoning map of coal seam 13-1
由圖6可以看出,構(gòu)造復(fù)雜區(qū)約占總面積的35%,主要分布于DF3、F5、DF15、DF1、DF12 及阜鳳斷層附近,由于大型斷層的構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)度大,且煤層受斷層切割導(dǎo)致起伏變化較大。該區(qū)域傾角變異程度相對(duì)較大,斷層交叉處斷裂形態(tài)復(fù)雜,斷層分維值較高,礦井構(gòu)造發(fā)育最為復(fù)雜。構(gòu)造復(fù)雜區(qū)內(nèi)井下采掘與巷道布置難度較大,采煤過(guò)程更傾向于使用機(jī)動(dòng)性能好的小型采掘設(shè)備,且開(kāi)采過(guò)程需要高強(qiáng)度支護(hù)措施,以防止地應(yīng)力變化導(dǎo)致的沖擊地壓、頂?shù)装逋凰鹊V井災(zāi)害發(fā)生。
構(gòu)造中等區(qū)分布范圍較小,約占總面積的16%,零星分布于復(fù)雜區(qū)的邊緣,為簡(jiǎn)單區(qū)與復(fù)雜區(qū)的過(guò)渡地帶,其斷層分維、斷層強(qiáng)度、褶皺分維及煤層傾角變異系數(shù)較為平均,無(wú)明顯高值或低值,因此判定為構(gòu)造中等區(qū)。該區(qū)域內(nèi)次生構(gòu)造較為發(fā)育,井網(wǎng)布置也存在一定風(fēng)險(xiǎn),開(kāi)采過(guò)程中仍需要注意巷道支護(hù)與設(shè)備的選取,以防止構(gòu)造應(yīng)力破壞現(xiàn)象。
構(gòu)造簡(jiǎn)單區(qū)范圍較大,約占總面積的49%,主要分布于較大型的北北東向斷層之間,其內(nèi)地層發(fā)育較為穩(wěn)定。礦井中北部簡(jiǎn)單區(qū)雖然含有斷層,但其斷距較小,形態(tài)簡(jiǎn)單,構(gòu)造復(fù)雜程度較小。礦井東南深部地區(qū)斷層相對(duì)不發(fā)育,僅有1 條褶皺和1 條逆斷層分布,對(duì)構(gòu)造變形貢獻(xiàn)較小,因此也判定為構(gòu)造簡(jiǎn)單區(qū)。該區(qū)域有利于井網(wǎng)的布置,適合高機(jī)械化、高效率、大中型采煤裝備的使用,目前礦井大部分巷道與采掘工作面均位于該區(qū)域內(nèi)。礦井東南部雖為構(gòu)造簡(jiǎn)單區(qū),但煤層埋藏較深,煤炭資源開(kāi)采利用仍面臨高地應(yīng)力、高承壓水害、高瓦斯突出等巨大挑戰(zhàn),今后在深井采掘工藝、深井軟巖支護(hù)、深部地質(zhì)災(zāi)害防治技術(shù)等方面仍需要開(kāi)展進(jìn)一步研究。
(1)選取了影響礦井構(gòu)造復(fù)雜程度評(píng)價(jià)的4 個(gè)主控因素:斷層分維、斷層強(qiáng)度、褶皺分維、煤層傾角變異系數(shù),基于GIS 與灰色模糊方法獲得了構(gòu)造復(fù)雜程度定量化評(píng)價(jià)模型。
(2)利用所建立的評(píng)價(jià)模型,結(jié)合實(shí)際構(gòu)造發(fā)育特點(diǎn),對(duì)口孜東礦13-1 煤層構(gòu)造復(fù)雜程度進(jìn)行了預(yù)測(cè),并將礦井復(fù)雜程度劃分為簡(jiǎn)單、中等、復(fù)雜3個(gè)等級(jí)。
(3)口孜東礦13-1 煤層構(gòu)造復(fù)雜區(qū)主要位于大、中型構(gòu)造附近,不利于井網(wǎng)布置、巷道支護(hù)與大型設(shè)備的使用;構(gòu)造中等區(qū)零星分布于大、中型構(gòu)造旁側(cè),多為大型斷層的伴生或派生構(gòu)造發(fā)育區(qū),在煤炭開(kāi)采過(guò)程中需注意次生災(zāi)害的發(fā)生。構(gòu)造簡(jiǎn)單區(qū)分布較廣,其內(nèi)構(gòu)造相對(duì)不發(fā)育,地層分布穩(wěn)定,除煤層埋深較大外,該區(qū)域有利于勘探井網(wǎng)的布設(shè)和大型機(jī)械自動(dòng)化設(shè)備的使用。