一种基于煤层展布特征的褶皱构造复杂程度辨识方法

技术领域

本发明涉及煤矿开采及煤矿安全理技术领域，特别是涉及一种基于煤层展布特征的褶皱构造复杂程度辨识方法。

背景技术

冲击地压、煤与瓦斯突出作为煤矿生产过程中典型的动力灾害，严重威胁着煤矿生产安全、矿工生命财产安全。目前我国已有冲击地压、煤与瓦斯突出矿井200余座，几乎遍布全国各个产煤省份，尤其是安徽、陕西及内蒙的部分矿区，受开采深度大、地质条件复杂等影响，冲击地压、煤与瓦斯突出威胁日益加剧。高应力集中作为煤岩动力灾害发生的必要条件，而褶皱构造区受构造应力作用，此区域应力集中程度更高。褶皱构造区开采的显著特点是煤岩层呈波状起伏、构造变形复杂、煤层倾角变化剧烈、煤层厚度大，且回采中常留有顶煤或底煤，受水平构造应力影响较大。因围岩应力分布的非均匀性，在应力梯度变化异常区进行巷道开挖或工作面回采常常引起局部应力集中程度过高，在采掘扰动影响下，极易造成巷道局部严重变形和破坏现象，甚至诱发煤岩动力显现，对工作面造成严重破坏，甚至人员伤亡。

如何有效辨识褶皱构造的复杂程度等级对矿井设计、工作面采掘布置有效规避褶皱高应力区具有重要意义。褶皱构造复杂程度的定性、定量判别方法经过国内外诸多学者的研究与探索实践，目前部分指标已应用于煤矿褶皱构造复杂程度判别。其特点在于矿井设计人员多采用褶皱构造复杂程度单一辨识指标进行独立辨识，计算速度快，但褶皱构造复杂程度单一辨识方法在广泛应用的同时，仍存在一些不足。

褶皱构造复杂程度单一辨识指标的各自独立辨识，缺乏针对性，各种辨识指标中采取的参数指标量纲不统一，虽然辨识方法较多，但没有将其各自优点进行规范、进行统一，辨识效果并不理想，一定程度上易造成辨识等级有误。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于煤层展布特征的褶皱构造复杂程度辨识方法，以解决现有技术中存在的技术问题，能够对多种褶皱构造辨识方法以及多指标进行有机结合，并实现多参数可量化，能够对褶皱构造的复杂等级进行准确辨识。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种基于煤层展布特征的褶皱构造复杂程度辨识方法，包括如下步骤：

S1、基于矿井煤层展布特征，获取褶皱构造基础参数，并基于所述褶皱构造基础参数，采集全矿井区域褶皱构造数据；

S2、基于所述褶皱构造基础参数，获取褶皱构造特征参数；

S3、对各褶皱构造特征参数进行处理，对处理后的各褶皱构造特征参数的复杂程度权重进行计算；

S4、根据各褶皱构造特征参数的复杂程度权重，计算褶皱构造复杂程度指标值；

S5、根据所述褶皱构造复杂程度指标值，获取褶皱构造复杂程度等级。

优选地，所述褶皱构造基础参数包括：波长、波幅、翼间角、枢纽长度、枢纽产状、轴面倾角、见煤厚度、等高线信息；其中，所述枢纽产状包括倾伏角、侧伏角；

所述褶皱构造特征参数包括：平面形态、剖面形态、空间形态、复杂性系数、平面变异系数、煤层倾角变异系数。

优选地，基于所述褶皱构造基础参数，获取平面形态的具体方法包括：基于枢纽长度与波长的比值获取平面形态的具体类型。

优选地，基于所述褶皱构造基础参数，获取剖面形态的方法包括：基于轴面倾角和翼间角，获取剖面形态的具体类型。

优选地，基于所述褶皱构造基础参数，获取空间形态的方法包括：基于轴面倾角、倾伏角、侧伏角，获取空间形态的具体类型。

优选地，基于所述褶皱构造基础参数，获取复杂性系数的方法包括：基于等高线的最大曲率值、等高线条数，计算复杂性系数。

优选地，基于所述褶皱构造基础参数，获取平面变异系数的方法包括：获取计算单元中心相邻两条等高线的标高差、计算单元中心相邻两条等高线之间的水平距离、与计算单元中心最近的等高线在计算单元内的实际长度、与计算单元中心最近的等高线在计算单元内的割线长度，基于计算单元中心相邻两条等高线的标高差、计算单元中心相邻两条等高线之间的水平距离、与计算单元中心最近的等高线在计算单元内的实际长度、与计算单元中心最近的等高线在计算单元内的割线长度获取平面变异系数。

优选地，基于所述褶皱构造基础参数，获取煤层倾角变异系数的方法包括：基于平面变异系数、各见煤点的见煤厚度,计算煤层倾角变异系数。

优选地，所述步骤S3具体包括：

S31、对各褶皱构造特征参数分别进行无量纲归一化处理；

S32、对无量纲归一化处理后的所述褶皱构造特征参数进行复杂程度权重计算。

优选地，所述步骤S32具体包括：

S321、构建参数层、目标层，所述参数层包括所述褶皱构造特征参数，所述目标层用于计算各褶皱构造特征参数的权重；

S322、建立所述目标层基于所述参数层的判断矩阵，基于所述判断矩阵获取所述目标层基于所述参数层的权重向量，所述参数层的权重向量即为所述褶皱构造特征参数的复杂程度权重。

本发明公开了以下技术效果：

本发明采集矿井工程平面图中的波长、波幅、翼间角、枢纽长度、枢纽产状、轴面倾角、见煤厚度、等高线信息等基础参数进行理论预处理，将处理得到的平面形态、剖面形态、空间形态、复杂性系数、平面变形系数、煤层倾角变异系数等特征参数进行后处理，进一步辨识褶皱构造复杂程度等级，能够对煤矿褶皱构造发育复杂程度等级进行准确辨识，为矿井设计、采掘工作面布置有效规避上述褶皱构造复杂区(高应力区)提供地质基础支承，为降低矿井开采期间诱发的煤岩动力灾害提供技术保障，进而能够有效降低由于开采设计导致的工作面应力集中现象，以及煤岩发生动力灾害的应力条件，提高了井下工作人员的生命安全系数，为矿井风险决策及安全生产提供重要依据。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明基于煤层展布特征的褶皱构造复杂程度辨识方法流程图；

图2为本发明矿井煤层展布特征平面图；

图3为本发明矿井煤层展布特征剖面图；

图4为本发明矿井局部煤层展布立体图；

图5为本发明平面变异系数计算示意图；

图6为本发明褶皱构造特征参数进行权重计算流程图；

图7为本发明实施例中某矿煤层展布特征平面图；

图8为本发明实施例中某矿煤层展布特征剖面图；其中，图8(a)为A-A剖面褶皱剖面图；图8(b)为B-B剖面褶皱剖面图；图8(c)为C-C剖面褶皱剖面图；图8(d)为D-D剖面褶皱剖面图；

图9为本发明实施例中某矿煤层厚度变化分布图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参照图1所示，本实施例提供一种基于煤层展布特征的褶皱构造复杂程度辨识方法，具体包括如下步骤：

S1、基于矿井煤层展布特征，获取褶皱构造基础参数，并基于所述褶皱构造基础参数，采集全矿井区域褶皱构造数据；

所述的褶皱构造基础参数包括：波长、波幅、翼间角、枢纽长度、枢纽产状、轴面倾角、见煤厚度、等高线信息；其中，所述枢纽产状包括倾伏角、侧伏角。

全矿井区域褶皱构造数据获取方法包括：

S1.1、获取矿井煤层展布特征平面图，基于矿井煤层展布特征平面图获取枢纽长度、等高线信息、褶皱构造名称，其中，等高线信息包括相邻两条等高线的标高差、相邻两条等高线之间的水平距离、计算单元中心最近的等高线在计算单元内的实际长度、计算单元中心最近的等高线在计算单元内的割线长度，如图2所示；

S1.2、获取矿井煤层展布特征剖面图，基于矿井煤层展布特征剖面图获取见煤厚度、波长、波幅、翼间角，如图3所示；

S1.3、获取矿井煤层展布立体图，基于矿井煤层展布立体图获取枢纽产状、轴面倾角，其中枢纽产状包括倾伏角、侧伏角，如图4所示。

S2、基于所述褶皱构造基础参数，获取褶皱构造特征参数；

所述的褶皱构造特征参数包括：平面形态、剖面形态、空间形态、复杂性系数、平面变异系数、煤层倾角变异系数。

1)基于所述褶皱构造基础参数，获取平面形态的方法包括：

所述平面形态即为褶皱在平面上的展布类型，获取平面形态的具体方法包括：基于枢纽长度与波长的比值η，获取平面形态的具体类型；所述平面形态包括线状褶皱、短轴褶皱、等轴褶皱，如表1所示；η值的计算如下式所示：

式中，S

表1

2)基于所述褶皱构造基础参数，获取剖面形态的方法包括：

基于轴面倾角和翼间角，获取剖面形态的具体类型；其中，所述剖面形态包括直立褶皱、倒转褶皱、平卧褶皱、翻卷褶皱、斜歪褶皱，如表2所示。

表2

3)基于所述褶皱构造基础参数，获取空间形态的方法包括：

基于轴面倾角、倾伏角、侧伏角，获取空间形态的具体类型；其中，剖面形态包括直立水平褶皱、直立倾伏褶皱、倾竖褶皱、斜歪水平褶皱、斜歪倾伏褶皱、平卧褶皱、斜卧褶皱，如表3所示。

表3

4)基于所述褶皱构造基础参数，获取复杂性系数的方法包括：

基于煤层等高线的最大曲率值ξ、煤层等高线的条数n，计算复杂性系数γ，如下式所示：

γ＝ξ×n

式中，

5)基于所述褶皱构造基础参数，获取平面变异系数的方法包括：

获取计算单元中心相邻两条等高线的标高差h(单位：m)、计算单元中心相邻两条等高线之间的水平距离l

6)基于所述褶皱构造基础参数，获取煤层倾角变异系数的方法包括：

基于平面变异系数κ、各见煤点的见煤厚度,计算煤层倾角变异系数

式中，m

S3、对各褶皱构造特征参数进行处理，对处理后的各褶皱构造特征参数的复杂程度权重进行计算；具体包括：

S31、对各褶皱构造特征参数分别进行无量纲归一化处理，具体如下式所示：

其中，T(x)表示褶皱构造特征参数无量纲归一化处理后的数据，t(x)表示褶皱构造特征参数无量纲归一化处理前的数据，min(t(x))和max(t(x))分别表示褶皱构造特征参数量化值的最小值和最大值。

S32、对无量纲归一化处理后的所述褶皱构造特征参数的复杂程度权重进行计算；具体包括：

S321、构建参数层、目标层，所述参数层包括所述褶皱构造特征参数，即，平面形态、剖面形态、空间形态、复杂性系数、平面变异系数、煤层倾角变异系数6个参数，所述目标层用于计算各褶皱构造特征参数的权重，如图6所示；

S322、建立所述目标层基于所述参数层的判断矩阵，基于所述判断矩阵获取所述目标层基于所述参数层的权重向量，即所述褶皱构造特征参数的最终复杂程度权重；具体包括：

1)建立所述目标层基于所述参数层的判断矩阵U

其中，U

表4

2)根据VU＝λ

式中，CI为一致性指标，用于衡量判断矩阵U

表5

当计算的CR值<0.1时，判断矩阵U

S4、根据各褶皱构造特征参数的复杂程度权重，计算褶皱构造复杂程度指标值；

褶皱构造复杂程度指标用于对褶皱构造复杂程度进行辨识，褶皱构造复杂程度指标值的计算如下式所示：

S＝T

式中，T

S5、根据所述褶皱构造复杂程度指标值，获取褶皱构造复杂程度等级；

本实施例中，通过设置阈值，将所述褶皱构造复杂程度指标值与所述阈值进行比较，划分褶皱构造复杂程度等级，具体为：

当0≤S＜0.25时，褶皱构造复杂程度等级为Ⅰ，不复杂；建议矿井设计、采掘工作面布置正常进行；

当0.25≤S＜0.5时，褶皱构造复杂程度等级为Ⅱ，低度复杂；建议矿井设计、采掘工作面布置时适当考虑此因素；

当0.5≤S＜0.75时，褶皱构造复杂程度等级为Ⅲ，中度复杂；建议矿井设计、采掘工作面布置时考虑此因素，并施工期间采取卸压、加强支护等措施；

当0.75≤S＜1时，褶皱构造复杂程度等级为Ⅳ，高度复杂；建议矿井设计、采掘工作面布置时规避此区域，若无法规避时，则采取强卸压、强支护等措施。

为进一步验证本发明基于煤层展布特征的褶皱构造复杂程度辨识方法的有效性，本实施例选取某矿层展布分布图，对其井田内褶皱构造复杂程度进行等级辨识。

(1)基于某矿煤层展布分布平面图(如图7)、煤层展布分布剖面图(如图8)、煤层厚度变化图(如图9)，采集井田区域褶皱构造波长、波幅、翼间角、枢纽产状、枢纽长度、轴面倾角等基础参数，采集结果如表6所示。

表6

(2)将采集的某一位置的褶皱构造基础参数进行后处理运算，得到褶皱构造特征参数；重复此步骤，计算某一褶皱不同位置、不同区域的褶皱构造特征参数，得到某一区域褶皱构造特征参数值，如表7所示。

表7

(3)选择A5褶皱构造特征参数进行权重赋值，如表8所示。

表8

表8判断矩阵特征值为6.112，CI＝0.112，RI＝1.26，CR＝0.018＜0.1，满足一致性验证，则褶皱构造特征参数的权重矩阵V＝(0.112，0.122，0.139，0.081，0.483，0.063)

(4)将A5褶皱构造特征参数进行归一化处理，如表9所示。

表9

(5)基于确定用于褶皱构造复杂程度辨识指标，计算指标值：

A5褶皱构造复杂程度指标值S＝0.112×0.45+0.122×0.68+0.139×0.66+0.081×0.52+0.483×0.71+0.063×0.87＝0.665。

(6)基于褶皱构造复杂程度指标值(S＝0.665)，获取A5褶皱构造复杂程度等级，为Ⅲ级，中度复杂；建议矿井设计、采掘工作面布置时考虑此因素，并施工期间采取卸压、加强支护等措施。

(7)基于本发明操作流程，能够依次计算得出某矿其余5条褶皱构造复杂程度等级。

由此可见，本发明能够对褶皱构造的复杂等级进行准确辨识。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。