GIS 技术在预报煤层回采前方小构造的应用潜力

2005/12/2 11:34:55

摘要　针对煤炭生产目前急需解决的工作面回采和巷道掘进前方小构造预报的实际难题, 运用先进的地理信息系统技术, 依据煤矿生产过程中所能收集到的大量廉价的煤层开采信息和矿井构造分析与物探资料以及钻探成果等, 采用了一套全新的多源地学信息复合研究思路, 建立了矿井小构造预报的地理信息系统物理概念模型, 总结提出了具体的预报工作程序和研究方法, 开辟了一个应用潜力十分广阔的小构造预报的新的研究领域.
关键词　小构造预报　地理信息系统　多源地学信息图像复合
中图分类号　P 551 　TD 76
1 　问题提出
小构造是指断距小于5 m 的小断层或一些发育规模较小的裂隙、溶隙. 在矿井生产过程中, 这些小构造对工作面回采和巷道开拓具有极大的影响, 它们不仅影响煤层的可采性, 增加巷道掘进量, 而且还破坏了煤层顶、底板的稳定性, 形成较为隐蔽的涌水通道. 这些通道轻则使生产矿井涌水量明显增大, 增加了矿井的排水费用, 提高了吨煤成本; 重则造成部分巷道、部分工作面或整个矿井突水被淹, 给国家和人民生命财产造成巨大损失. 生产中的大量负面教训使人们已经逐渐认识到小构造预测预报在矿井防治水工作中的重要地位.因此, 对煤层回采和巷道开拓前方小构造空间发育规律和展布方向的预报具有重要的理论意义和实用价值.
矿井小构造预报研究是一个难度极大的研究课题, 由于它发育规律的隐蔽性和发育规模的有限性, 一般不易被探测.人们在长期生产实践中, 已逐渐积累了一些小构造预报的丰富经验, 例如, 在多煤层矿井开采生产中, 一般来说, 上、下煤层中的小断层发育特征是一致的, 因而可根据上部煤层开采所获信息来对下部未开采煤层中的小断层进行预报; 同时可以利用矿井各类地球物理勘探方法对小构造作出预报, 在出现小构造的部位, 地球物理参数显示出异常变化; 另外, 通过对比相邻钻孔资料, 并结合整个矿区大、中型构造的发育规律及其空间展布特征, 也可对小构造作出一些预报.
上述方法在以往的小构造预报工作中发挥了巨大作用. 但由于它们各自均有其自身的局限性和具体应用条件, 因而在实际预报工作中仍存在一些急待解决的问题.本文根据煤矿生产实践活动过程中揭露最多的地层是煤层这个事实, 利用煤层回采过程中所暴露出的
大量廉价但与小构造密切相关的煤层信息, 应用先进的地理信息系统技术, 遵循多源信息复合原理, 结合类似构造分析和物(钻) 探等其它方面信息, 提出了煤层回采前方小构造预报的物理概念模型和多源信息复合的地理信息系统模型.
2 　地理信息系统( GIS) 的基本理论
211 　概述
地理信息系统(简称GIS) 是在计算机软硬件的支持下, 运用系统工程和信息科学的理论, 科学管理和综合分析具有空间内涵的地学数据, 以便对规划、管理、决策和科学研究等提供所需的全方位信息. 简言之, GIS 就是综合处理和分析空间数据的一种先进的技术系统[1 ] .
地理信息系统与计算机技术发展水平密切相关, 计算机的快速发展和计算机技术在自然资源和环境数据处理中的广泛应用, 促使了GIS 技术的迅猛发展.GIS 的应用领域非常广泛, 如自动制图和桌上制图系统、国土规划和土地评价、自然资源管理、环境保护、医学和犯罪等. 目前地理信息系统已逐渐渗透到水文地质模型开发的各个环节, 成为水文地质模型建立过程中不可缺少的重要工具之一[2 ] . 例如GIS 已在我国被应用于煤矿底、顶板突水危险性预测和地裂缝与海水入侵等地质灾害敏感性评价与发展趋势预测中.GIS 的主要功能包括∶数据采集与编辑、地理数据库管理、制图、空间查询与空间分析等. 其中空间
查询与空间分析是GIS 的核心, 它包括拓扑空间查询、缓冲区分析和叠加分析等, 它们是GIS 区别于其它类型信息系统的本质特征.目前, 国内外GIS 软件种类繁多, 主要有ARC/ INFO , Microstation , Genmap , Grass , MAPGIS 等.其中MAPGIS 是在地质矿产部的支持下, 由中国地质大学(武汉) 计算机系开发研制的我国第一个功能较全、系统较为完善的地理信息系统原型. 在该原型系统的基础上, 先后已完成了管网系统、警用电子地图系统、旅游系统等一系列应用系统的开发.本文将MAPGIS 选作工作平台, 开发研制了工作面回采前方和巷道开拓前方小构造模拟识别预报的地理信息系统模型.
212 　多源信息复合原理
多源信息复合技术又称多源地学信息数字图像复合处理技术, 它是80 年代初开始在国际、国内迅速兴起的在地学资料图像化技术基础上发展起来的一项新技术, 它以数字图像处理学为基础, 综合了计算机数字信号处理、信息、数学地质、专题地图等学科知识的新地学信息处理技术. 它的实质是采用一种算法或模式对不同来源的地学数据进行处理与运算, 获得能够更好地表达地质体赋存规律的新的综合地质变量.
从方法结构上看, 信息复合包括空间配准和内容复合两个方面. 多源信息在统一的地理坐标系统下,分别构造各自新的空间信息, 生成各自新的子专题层图像, 然后根据各信息对目标的贡献比例, 经过优化复合处理, 突出增强有用的子专题层信息, 消除或抑制无关信息层, 以便达到改善整体目标识别的图像环境的目的.
小构造预报也应以多源地学信息复合为基础, 通过对各种不同渠道而获得的地学信息进行综合加工处理与分析, 从而得出一个合理的地质结论.
3 　小构造预报的GIS 物理概念模型
311 　与小构造相关的煤层信息
煤层作为整个煤系沉积地层的一部分, 在整个地质历史演变过程中, 与其它沉积地层一样, 同样经受了一系列的地质构造运动, 因而煤层中也必然保留了大量的构造运动痕迹[3 ] . 由于煤比一般岩石质软,因而更易遭受变形破坏. 构造痕迹主要包括以下几个方面:
(1) 煤层的裂隙类型的变化　在工作面回采过程中, 如果发现所采煤层的裂隙由缓倾斜裂隙(α<30°) 或X 型剪切裂隙(α= 30～44°) 逐渐变化为急倾斜裂隙(α= 45～80°) 甚至垂直裂隙(α= 90°) , 则应该结合其它信息, 注意回采前方可能存在小断层的错动.
(2) 煤层倾角的变化　在断层部位, 由于受到牵曳作用的影响, 小构造两盘相互错动, 使得在原状态下呈某一固定产状延伸的煤层倾角发生了急剧变化. 煤层的这种倾角变化相对原倾角可变大也可变小. 根据大量煤矿井的回采实践证明, 一般如果每开采10 m , 其煤层倾角变化大于016°时, 就应该注意回采前
方可能存在小构造.
(3) 煤层厚度的变化　在漫长的地质年代, 煤层受区域构造应力的作用可能产生流变, 致使煤层厚度发生变化. 在小构造部位, 由于两盘相互错动, 往往使煤层变薄. 根据实践经验总结, 一般当煤厚变化量大于正常背景厚度的20 %时, 回采前方可能存在小构造.
(4) 煤层瓦斯聚集量的变化　煤层瓦斯含量的高低主要取决于煤层系统的封闭程度和完整性, 如果煤层系统的开启程度差, 封闭性好, 贮集于煤层的瓦斯气体不易向外散发, 那么瓦斯聚集量就大; 相反, 如果煤层系统的完整性受到诸如小构造错动等的破坏, 使其裂隙发育, 封闭性变差, 煤层中的瓦斯气体就很容易逸出, 瓦斯含量就偏低. 因此, 在煤层回采过程中, 如果发现煤层瓦斯聚集量由正常背景值突然急剧降低, 就应注意回采前方可能存在小构造.
(5) 煤层温度的变化　张性和张扭性断裂带一般是地下水和地下热水运移的良好通道, 它既可以使浅层水和上部凉水沿断裂带不断渗透到地下深层, 使煤层温度降低, 也可以使地下深处的热水或断层生成的热源不断地输送到浅部, 使煤层温度升高. 因此在回采过程中, 如果煤层温度发生急剧的升降变化, 也应注意开采前方可能存在小构造.
(6) 煤层涌水量的变化　大量生产实践证明, 导水断裂构造带是矿井涌水的一个重要通道, 若导水断裂构造切割充水含水层组, 那么靠近断裂构造带, 涌水量就会明显增大, 甚至可能造成突水淹井事故. 因此, 若回采前方涌水量出现异常增大现象, 则表明前方可能存在导水小构造.
(7) 煤层破碎程度的变化　在含煤建造遭受小构造破坏的同时, 赋存于其中的煤层也必然发生破碎变形. 煤层受小构造的切割错动, 一般在构造影响带, 煤层发生碎裂变形破坏, 其完整性大幅度降低, 破碎程度急剧增加, 煤层裂隙率明显变高. 但在构造影响带以外, 煤层逐渐恢复到原来的完整状态.
312 　利用矿井物探资料预报小构造
目前人们已采用多种矿井物探方法对小构造进行勘探预报, 如电法勘探和地震勘探等. 电法勘探包括直流电法、电磁频率测深法、无线电波透视法、地质雷达法等[4 ] ; 地震勘探主要包括地面地震勘探、瑞利波勘探、槽波勘探等.其中无线电波坑道透视是目前生产实践应用较为广泛的一种矿井物探方法, 由于断层破坏了煤层的正常结构, 使煤层发生错动或位移, 在断层面附近煤层破碎、节理裂隙发育, 而电磁波遇到各种规则或不规则的界面时就会发生折射、反射或散射等物理现象, 比正常煤层对电磁波能量有更大的吸收作用. 如果断层带是充水断层, 则断层带附近电阻率降低, 故吸收系数将会显著增大. 因此, 断层在透视曲线上的反映一般表现为η< 0 (η为衰减系数) 的低值异常.因此, 根据透视曲线的异常特征, 综合分析其它资料, 就可以利用无线电波透视法确定工作面内的小断层.由于每一种物探方法都有其各自的应用条件和适用范围, 所以在实际应用中, 要遵循多手段、多信息相结合的综合勘探原则.
313 　利用区域大、中型构造体系预测小构造
井田内小构造的发育展布规律一般受控于大、中型构造体系, 大多数小构造主要为大、中型构造的伴生构造, 其它部分是在构造应力作用下沿煤层产生的层间滑动小断层, 少数小构造是在局部应力场作用下在煤层中形成的小断层.因此, 预测小构造必须首先搞清楚井区内的大、中型构造发育规律, 在开采接近这些构造部位时, 就应特别注意可能出现的小构造.综合上述与小构造发育有关的各方信息, 在统一坐标体系下, 绘制多源地学信息复合图像(见图1) ,形成工作面回采前方小构造预报的地理信息系统物理概念模型. 这个概念模型是GIS 技术应用的基础和前提条件, 只有搞清楚了这个模型的物理背景, GIS 模型的模拟与预报效果才有保证.
4 　GIS 技术应用的具体工作程序
(1) 运用MAPGIS 工作平台, 生成判断小构造存在的各因子证据的子专题层. 将各判断证据变化曲线离散化后输入MAPGIS , MAPGIS 将自动为各子专题层分别建立数据库, 用户可根据需要对数据库进行修改扩充,添加属性数据, 并由此生成子专题层图.
(2) 采用层次决策分析法, 由VB 语言实现确定各
判断证据适当的权重系数. 层次决策分析法的基本原理是假设n 个影响因子, 他们对决策层的重要性(权重)为Wi ( i = 1 , 2 , ⋯, n) , 将每个因子的重要性进行相互比较, 形成判断矩阵, 然后再采用适当的方法使各判断证据的相对重要性定量化.对于不同的生产矿井, 各判断证据不一定同时存在, 因而其权重系数也无统一的标准. 因此, 应根据具体生产矿井的实际地质条件和实测资料确定适当的权重系数.
(3) 根据确定出的权重系数, 利用VB 的动态连接实现与MAPGIS 之间的数据传输, 应用MAPGIS 所拥有的强大的空间分析和叠加功能模块对各子专题层进行复合叠加, 形成新的综合专题层和对应的数据库.
(4) 利用已知样本, 进行模型识别校正. 把回采过程中已揭露的小构造和对应的煤层信息以及构造分析、物探解释资料等作为已知样本, 将其叠加结果与阈值进行比较, 通过修改参数, 反复拟合识别, 最终建立预报模型.
(5) 应用识别后的预报模型, 根据工作面回采和巷道开拓过程中所发现的各子专题层新的异常信息, 经过多源信息复合叠加, 最终达到判断未来前方是否存在小构造的目的.
5 　主要结论
　　(1) 由于煤矿井生产实践活动接触最多的地层就是煤层, 故煤层回采过程中所暴露的信息量也最多,例如, 煤层裂隙类型变化、倾角变化、厚度变化、瓦斯聚集量变化、温度变化和涌水量变化等. 如果这些煤层信息再结合矿井构造条件和地球物理勘探资料以及钻探成果等综合分析研究, 就完全可以合理地概化出工作面回采或巷道开拓前方小构造预报的GIS 物理概念模型.
　　(2) 矿井小构造预测预报是一个目前尚未很好解决的难度极大的研究课题, 本文在充分挖掘地理信息系统所具有的强大空间信息处理与分析功能的基础上, 应用了国际上先进的多源地学信息图像复合技术,对矿井小构造预报的GIS 物理概念模型进行了一系列的仿真模拟分析与处理, 最终提出的矿井小构造预报的地理信息系统模型将为小构造预报提供了一种全新的研究思路, 并必将开辟出一个应用潜力十分广阔的新的研究领域.
参考文献
1 　黄杏元, 汤　勤. 地理信息系统概论. 北京: 高等教育出版社, 1990
2 　武　强, 曹红梅. 地理信息系统在水文地质计算中的应用. 水文地质工程地质, 1995 , 23 (1) : 43～45
3 　武　强, 金玉洁. 华北型煤田矿井防治水决策系统. 北京: 煤炭工业出版社, 1995. 125～127
4 　储绍良. 矿井物探应用. 北京: 煤炭工业出版社, 1995

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