唐山矿西南区构造复杂程度的熵函数评价_李家宏.pdf

第43卷第3期 2015年6月 煤田地质与勘探Vol. 43 No.3 Jun. 2015 COALGEOLOOY entropy function; Tangshan mine; southwest section 唐山矿构造极为复杂，具有多期次、多性质、 多方向和多级别的特点。其西南区作为唐山矿重要 的煤炭生产接续区，复杂的地质构造是制约该处煤 炭生产的重要因素。地质构造复杂程度是控制矿井 采掘布置、采煤方法选择、巷道支护方式的重要因 素，因此准确、有效的评价地质构造复杂程度对煤 矿安全、高效生产具有十分重要的意义。本文引人 ’脑函数对唐山矿西南区9号煤层的构造复杂程度进 行评价，并用评价结果与分形分维相比较，使评价 结果更真实可靠，旨在为煤矿安全生产提供保障。 1 地质概况 唐山煤矿位于河北省唐山市开平煤田北部，是 由古生界、中生界和新生界叠合而成的构造盆地， 地处燕山南麓，南以宁河－昌黎断裂与南堡凹陷相 邻，东与茨榆吨卑子院背斜相连，整体上是一个被 收稿日期2014-06-12 后期构造复杂化了的向斜构造，轴向北东，向西南 倾伏。在大地构造上处于中朝准地台（I级构造单元） 燕山沉降带（II级构造单元）的东南侧，为华北断块 区阴山－燕山断裙带与冀鲁断块塌陷相连接处的次 级构造单元－唐山块陷之上。 唐山矿地层走向为NE-SW，井田内主要构造绝 大部分平行于地层走向，构造极为复杂，由北向南 依次排列着F1、F10, Fn、Frn,Frv, Fv等主断层， 其断层走向均与地层走向基本平行［1-4］。唐山矿榴皱 构造发育，除Fm号断层以南的主向、背斜外，还 发育有岭子倾伏背斜、安机寨单斜、青各庄向斜等 一系列榴曲构造（图1）。 2 摘函数简述 情函数，自从玻耳兹曼（L.Boltzmann）提出以后， 已在生物学、气象学 、天文学、经济学、社会学等 作者简介李家宏（198步寸，男，河北沧州人，硕士研究生，从事煤与油气地质研究.E-mail lijiahong 引用格式李家宏，朱炎铭，唐鑫，等唐山矿西南区构造复杂程度的摘函数评价［巧煤田地质与勘探，2015,433 6-10. ChaoXing 第3期李家宏等唐山矿西南区构造复杂程度的摘函数评价 7 Fv 图巴二3井田边界正断层rn背斜 例CJ研究区逆断层rn向斜 图1唐山矿构造纲要图 Fig. l The tectonic outline of Tangshan mine 诸多领域得到了广泛的应用［匀。’摘函数通常用下式 表示 S-I乓ln.P; 式中S为系统的情；P；为系统中i状态出现的概 率；n为系统中状态数。 孀具有下列重要性质 a. S只有当P1,P2,,Pn之一等于1，而其余等 于零时才为零，其他情况恒为正值； b.当n个可能状态出现的概率相等时（均等于 1/时，S取其最大值Inn）。 为了消除系统状态不同对系统惰的影响，引入 相对惰的概念 S’S/Smax S/lnn 式中S’为系统的相对情；Smax为系统的最大情值。 多个系统的情具有加和性。如果一个大系统由 m个小系统组成，则大系统的情为 SS LSJ 1 1 式中SS为大系统的’脑；sj为第j个小系统的情。 在信息、理论中，信息摘是指信息在传播中的不确 定性，高信息度的信息’脑是很低的，低信息度的情则 高。所以，可以认为在构造复杂程度评价中，’脑函数 的情值越小构造越复杂，情值越大构造越简单。 3 西南区9号煤层构造复杂程度评价 研究区位于唐山矿西南部（图1,9号煤层全区 可采，厚度最大，并且8号煤层多与9号煤合并形 成特厚煤层。西南区断裂构造较为发育，主要发育 在西部、北部和东部边界，多为逆断层，方向以NE 向为主，还发育有SE向断层。大型断裂为分布在 西部边界的Fm逆断层和东部边界的Fv逆断层，中 小型断层主要分布于西南区的北部。西南区主要发 育四个榴曲带西部的膏各庄向斜带、北部的岳各 庄波状槽曲带、中部的岭子背斜以及东部的安机寨 单斜带（图2）。 3.1 网格单元划分 在研究构造复杂程度的情函数时，第一步是划 分网格单元。单元的长轴方向、形状和大小是单元 划分的3大要素［6］。网格单元长轴方向应与区域构 造线的方向一致。在研究区，构造线呈北东向，所 以网格单元长轴也取北东向。网格单元的宽长之比 大致为1/2～1/3，此次网格单元的宽长比采用1/2。 网格单元的大小是决定能否充分反映出研究对象结 构特征的重要因素。面积太小其平均相对情也趋于 零；而网格单元扩大到一定程度，平均相对情值则 趋于某一常数c,c的数值取决于状态数n。根据实 际情况，确定研究区网格单元面积为500mxl 000 m （图2）。 3.2 摘值计算 根据唐山矿实际情况，此次共有5个状态量参与 计算，即大型断层、中型断层、小型断层以及无构造 类型。单纯的利用断层条数和向、背斜个数不能准确 反映构造复杂程度，所以要依据断层和榴曲的规模赋 值，然后进行怖的计算。因为计算后’脑值需要相互比 较大小，所以赋值时只注重数值的相对大小，不强调 其绝对大小，但应遵从的原则是，断层和榴曲规模大 的赋值大，反之，赋值小［叫］，这样就能大大消除人 为赋值对评价结果的影响。按表l的赋值系列给研究 区断层和榴曲赋值的结果见表2。 表1赋值表 Table 1 Assigned values 构造类型 断层 无裙曲 大型中型小型 赋值7 5 3 7 1 注I.研究区内只有一种类型的梢曲，因此只赋值于榴曲 一个值；2.每种构造类型基础值为lo ChaoXing 第43卷 。 煤田地质与勘探 2km 8 E三3 断层 主里主主 图2唐山矿西南区构造纲要图及网格单元划分 The tectonic outline and grid units division in southwest section of Tangshan mine 囚叫 应 向斜轴 Ehl []]] 井四边界网格单元 因 例 表3构造复杂程度相对摘值分类表 Table 3 Classification of relative entropy values about structure complexity 复杂较复杂简单中等构造复杂程度 相对煽值 愤值 0.9 这些区域均有规模较大的断层或者榴曲，简单区主 要集中’脑值最大的10号、12号、13号以及28号 网格附近，基本上没有断层和榴曲的发育。 图4为应用分形分维［9-11］绘制的唐山矿西南区 构造复杂程度分区图，对比图3和图4可以看出， 总体上二者对研究区构造复杂程度的划分基本一 致，差距比较大的主要有四个区域，即西北部、北 部边界、东部边界以及东南部。利用分形分维统计 计算，四个区域的构造复杂程度为简单到中等，而 应用摘函数则评价四个区域为较复杂到复杂，造成 这种差异的原因主要有两点a.运用分形分维评价 时，没有将榴曲对构造的控制与断层对构造的控制 加以区分，因此将西北部、北部边界以及东部边界 评价为简单或中等，而利用情函数评价时，根据不 同的构造类型，分别对断层与榴曲进行统计与计算， 因而在有榴曲发育的区域评价结果要较分形分维评 价结果复杂，所以将有榴曲发育的上述区域评价为 较复杂或复杂；b.分形分维只是单纯的统计断层的 条数并未因断层大小而进行分类统计及计算，所以 将只发育一条大断层的东南部评价为中等或简单， 而运用情函数评价时，对不同大小的断层分类统计 及计算，因此在有大断j二吃育的东南部评价为复杂 或较复杂。而从图2中可以看出，在这四个区域均 有较为复杂的构造发育，应当评价沟较复杂至复杂。 0.80.9 0.7-0.8 0.7 表2相对情值计算结果表 Table 2 Calculated results of relative entropy values 赋值结果I 赋值结果 序断层l序断层 精熔值1 号大中小品1号大中小裙曲 型型型I 型型型 I 6 4 8 0.87 注．如果P；等于0，则令lnP产0。 构造复杂程度评价 依据表2中33个单元的相对情值对构造复杂 程度分类（表3），并勾绘出构造复杂程度恼值等值 线（图3）。由图3可以看出，研究区外围恼值相对 较小，构造较为复杂，向内情值变大，构造逐步变 为简单；同时，以研究区中部NW向为轴，构造复 杂程度呈对称分布，对称轴方向与构造线方向相一 致。复杂区主要分布在研究区西部、北部和东部， Fig.2 0.56 0.64 0.79 0.75 1.00 0.77 0.72 0.75 0.86 0.64 0.79 0.64 1.00 0.73 0.83 0.72 15 15 8 ’且。。，10006 ’1 8 8 10 10 37 31 ’A’AA 啡’ A 4 4 16 11 21 ’Aζoro －－－ztA 6 6 8 8 ’ARunxuna 20 24 26 勺，。。QJnuta 匀，“句3 句，＆肉，＆俑，＆句31d 句314 18 19 22 25 23 21 0.72 。.64 0.64 0.76 0.76 0.76 0.64 0.75 0.75 8 8 8 8 7 7 4 11 8 8 8 8 8 8 8 10 ，、Jro7’ lll 3.3 l234 Ill - 2 4 6 8 9 5 7 3 ChaoXing 第3期李家宏等唐山矿西南区构造复杂程度的精函数评价 9 。2km 图Es;;;;J D 例井臼边界烧值等值线简单中等较复杂复杂 图3唐山矿西南区构造复杂程度分区图（据娴函数） Fig.3 Zoning of s位ucturecomplexity of southwest section of Tangshan mine based on entropy function 。2 ktη 阁‘E二J 例井回边界分维值简单中等较复杂复杂 等值线 图4唐山矿西南区构造复杂程度分区图（据分形分维） Fig.4 Zoning of structure complexity of southwest section of Tangshan minebased on fractal dimension 综上所述，利用’脑函数对构造复杂程度进行评价是 可行的，并且更加符合实际。 评价结果与分形分维相比较，应用摘函数评价 构造复杂程度有以下几点优势 第一，对于不同类型的构造，分类统计与计算， 对于相同类型的构造，根据规模大小分别统计，分 级赋值与计算，避免了对所有构造类型单纯的应用 数量计算而造成不准确的评价； 第二，在划分网格单元时，长轴方向与构造线 相一致，更好的反映了构造真实情况； 第三，统计时，只需划分一次网格单元无需细 化网格，工作量较分形分维小。 综合图2、图3可以看出，唐山矿西南区9号 煤层断层、福曲构造发育的区域，情值较小；构造 不发育的区域，情值较大。在西南区9号煤层的北 部和西北部发育了两条大型断层FID和Fv断层以及 密集的中小断层，同时受到岳各庄波状福曲带控制 使得该区恼值最小，均小于0.7，评定为复杂区；在 东部、中部以及西南部受Fm、Fv断层以及青各庄 向斜带、岭子背斜、安机寨单斜带等影响’脑值较小， 为0.70-0.80，评定为较复杂；在岭子背斜两侧，构 造较简单，仅有数条中小断层发育，摘值最大，评 定为中等或简单。由此可以看出，应用情函数进行 构造复杂程度评价所得结果符合研究区构造分布。 ChaoXing 10 煤田地质与勘探第43卷 研究区西南部和东南部煤层均未开采，且均有 复杂区分布，复杂区断层和榴曲发育，开采过程中 处理构造时要遵循有利生产、保证安全、减少煤损 和少掘巷道的原则，同时要特别注意煤与瓦斯突出、 矿井水害等的防治。 4结论 a.依据情函数对唐山矿西南区9号煤层构造复 杂程度的分析，整体上9号煤层由外向内构造复杂 程度由复杂逐渐变为简单。构造复杂区主要分布在 北部及西北部，相对摘值均小于0.7，在开采过程中 应注意因构造复杂所产生的安全生产问题；而在岭 子背斜两侧，即中部偏东与中部偏西的区域’脑值最 大，接近于1，构造相对简单稳定。 b.与分形分维理论相比较，应用’脑函数对矿井构 造复杂程度进行评价，可以较为客观的反映矿井构造 的复杂程度，同时具有一定的优越性，可以对未采区 作出科学推断，为矿井安全生产部署提供一定参数。 参考文献 川王崇明，王文秋，苏幼波唐山市区断裂活动与地质灾害问． （上接第5页） b.子长－延川矿权区三叠系煤炭资源开发潜力 优度为78.32分，属于资源富集有利区。矿区煤炭资 源丰度高，煤层结构简单，煤层及顶底板稳定，地质 构造平缓，煤炭开采条件较好，且交通便利，经济发 达。因此，矿区煤炭资源开发前景好，具备煤－油综 合勘探化开发的资源基础。 c.子长一延川矿权区内煤炭矿权l区块较煤炭矿权 2区块的煤炭资源开发潜力优度高，资源开发前景更好。 参考文献 [I］王双叨鄂尔多斯盆地聚煤规律及煤炭资源评价［M）.北京 煤炭工业出版社，1996. 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