林海飛陳 勇李樹剛成連華王紅勝

(1.西安科技大學(xué)能源學(xué)院,陜西省西安市,710054; 2.兗州煤業(yè)股份有限公司濟(jì)寧三號(hào)煤礦,山東省濟(jì)寧市,272169)

★煤炭科技·地質(zhì)與勘探 ★

Surfer和A utoCAD軟件在編制礦井瓦斯地質(zhì)圖中的應(yīng)用＊

林海飛1陳 勇2李樹剛1成連華1王紅勝1

(1.西安科技大學(xué)能源學(xué)院,陜西省西安市,710054; 2.兗州煤業(yè)股份有限公司濟(jì)寧三號(hào)煤礦,山東省濟(jì)寧市,272169)

通過交叉驗(yàn)證的方法,優(yōu)選了格網(wǎng)內(nèi)插方法,采用Surfer和AutoCAD軟件繪制出了煤層瓦斯地質(zhì)圖中的瓦斯壓力、含量及涌出量等值線,同時(shí)闡述了使用Surfer和AutoCAD軟件繪制礦井瓦斯地質(zhì)圖中瓦斯含量等值線的方法及過程。

Surfer軟件 AutoCAD軟件 瓦斯地質(zhì)圖 等值線

AbstractOn the basis of cross p roof method,grid interpolation method is selected.Surfer and AutoCAD softwares are used to compile themine gasp ressure isoline,mine gas concentration isoline and gas in-flow isoline.A t the same time,this paper also deals w ith the method and p rocedures of draw ing the gas concentration isoline in the mine gas geology map w ith the app lication of Surfer and AutoCAD softwares.

Key wordsSurfer softw are,AutoCAD softw are,gas geology map,isotope line

礦井瓦斯地質(zhì)圖是瓦斯地質(zhì)規(guī)律和瓦斯預(yù)測(cè)成果的直觀表達(dá)和高度概括,是煤礦安全生產(chǎn)的一項(xiàng)重要基礎(chǔ)工作,它可直接用于安全生產(chǎn)管理、瓦斯(煤層氣)抽采利用和煤礦規(guī)劃,是我國(guó)煤炭工業(yè)發(fā)展必不可少的技術(shù)圖件。瓦斯地質(zhì)圖中瓦斯壓力、含量及涌出量等值線是其中的重要內(nèi)容,但傳統(tǒng)手工繪制等值線圖是一項(xiàng)非常繁瑣的工作,不僅繪制速度慢、效率低,且不同水平的技術(shù)人員繪制的質(zhì)量也存在較大差異。而通過 Surfer和Auto-CAD軟件繪制,則可達(dá)到高效、高質(zhì)的目的。

1 Surfer軟件插值方法的優(yōu)選

在利用Surfer軟件生成等值線過程中,插值方法的選擇對(duì)于生成的等值線的可靠性及合理性至關(guān)重要。

1.1 插值方法的評(píng)價(jià)

Surfer8.0軟件包括加權(quán)反距離、克里金、最小曲率、最近鄰點(diǎn)、改進(jìn)謝別德、自然鄰點(diǎn)、多元回歸、徑向基函數(shù)、線性插值三角網(wǎng)、移動(dòng)平均、局部多項(xiàng)式和數(shù)據(jù)度量等12種插值法,在生成格網(wǎng)之前,可使用交叉驗(yàn)證來評(píng)價(jià)插值方法,使用交叉驗(yàn)證的統(tǒng)計(jì)結(jié)果評(píng)估空間變異性,從而分析各種插值方法的合理性,其評(píng)價(jià)步驟見圖1。

1.2 交叉驗(yàn)證的統(tǒng)計(jì)指標(biāo)

對(duì)變量的空間相關(guān)性進(jìn)行分析,就是利用區(qū)域性變量理論和變異函數(shù)的概念進(jìn)行空間變量的結(jié)構(gòu)分析。

式中:n——數(shù)據(jù)總數(shù);

Xi——數(shù)據(jù)值。

(2)標(biāo)準(zhǔn)誤差。標(biāo)準(zhǔn)誤差 (σ)是各測(cè)量值誤差的平方和的平均值的平方根,又稱為均方誤差。

(3)平均偏差。平均偏差 ()是各單次測(cè)量偏差的絕對(duì)值之和與測(cè)量次數(shù)之比。

(4)標(biāo)準(zhǔn)偏差。標(biāo)準(zhǔn)偏差 (S)用以衡量數(shù)據(jù)值偏離算術(shù)平均值的程度。標(biāo)準(zhǔn)偏差越小,數(shù)據(jù)值偏離平均值就越少,反之亦然。

(5)變異系數(shù)。變異系數(shù) (C.V)又稱標(biāo)準(zhǔn)差率,是衡量各觀測(cè)值變異程度的另一個(gè)統(tǒng)計(jì)量,變異系數(shù)可以消除單位和 (或)平均數(shù)不同對(duì)兩個(gè)或多個(gè)資料變異程度比較的影響。

圖1 插值優(yōu)化步驟

1.3 插值方法的優(yōu)選

采用 Surfer 8.0所支持的不同插值方法將XYZ數(shù)據(jù)文件格網(wǎng)化,生成相對(duì)應(yīng)的格網(wǎng)文件,即.grd文件。然后通過不同插值方法,計(jì)算和統(tǒng)計(jì)各個(gè)格網(wǎng)文件的殘差信息,利用上述公式(Surfer8.0軟件會(huì)自動(dòng)生成)求得各個(gè)模型對(duì)應(yīng)的均值、標(biāo)準(zhǔn)誤差、平均偏差、標(biāo)準(zhǔn)偏差和變異系數(shù)等統(tǒng)計(jì)指標(biāo)值,最后進(jìn)行不同插值方法的綜合有效性評(píng)價(jià)。

2 繪制瓦斯地質(zhì)圖中等值線的步驟

利用Surfer和AutoCAD軟件繪制瓦斯地質(zhì)圖中瓦斯壓力、含量和涌出量等值線,主要包括數(shù)據(jù)源的建立、用 Surfer軟件生成等值線、用Auto-CAD進(jìn)行處理加工等步驟。

2.1 數(shù)據(jù)源的建立

瓦斯地質(zhì)圖中瓦斯壓力、含量及涌出量等值線的繪制質(zhì)量與數(shù)據(jù)的合理性及可靠性密切相關(guān),因此對(duì)實(shí)測(cè)煤層瓦斯參數(shù)資料應(yīng)逐個(gè)進(jìn)行審核分析,舍棄不符合采樣規(guī)程要求的資料。對(duì)于基本符合總體特征的采樣點(diǎn),可利用實(shí)測(cè)值內(nèi)插連線。對(duì)于實(shí)測(cè)點(diǎn)分布少的區(qū)段,應(yīng)依據(jù)瓦斯與地質(zhì)因素 (如煤層埋深、底板標(biāo)高、揮發(fā)分、煤厚等)的相關(guān)性分析,建立煤層瓦斯與地質(zhì)因素的回歸方程,計(jì)算出回歸值,并以該值為基礎(chǔ)來編制等值線。

表1 某礦煤層瓦斯含量測(cè)值

在Surfer軟件中數(shù)據(jù)源結(jié)構(gòu)至少包括3個(gè)字段,通常前兩個(gè)字段是該點(diǎn)的坐標(biāo) (x,y),第三字段是該點(diǎn)的屬性 (可為瓦斯含量、壓力或涌出量)。表1為收集的繪制某礦煤層瓦斯含量測(cè)點(diǎn)的離散點(diǎn)數(shù)據(jù),第一列為該區(qū)域內(nèi)測(cè)點(diǎn)的x坐標(biāo),第二列為y坐標(biāo),第三列為瓦斯含量值。將數(shù)據(jù)源輸入到Excel,建立數(shù)據(jù)庫,以便增減離散點(diǎn)數(shù)據(jù),重新生成等值線圖。

2.2 利用Surfer軟件繪制等值線

(1)建立網(wǎng)格文件。網(wǎng)格文件是 Surfer軟件繪制等值線圖的基礎(chǔ),在Surfer軟件中選擇菜單命令“網(wǎng)格”→“數(shù)據(jù)”選擇數(shù)據(jù)源,在對(duì)話框“數(shù)據(jù)列”欄中選擇 x、y方向,z列中選擇要估值的指標(biāo),如繪制瓦斯含量等值線圖需輸入瓦斯含量值數(shù)據(jù)列,單擊查看數(shù)據(jù),可查看數(shù)據(jù)格式。在網(wǎng)格化方法中選擇插值方法,在高級(jí)選項(xiàng)中對(duì)估值方法的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。根據(jù)需要輸入完對(duì)話參數(shù)后,生成網(wǎng)格文件。

通過對(duì)某礦煤層瓦斯含量測(cè)點(diǎn)網(wǎng)格化時(shí),不同模型的均值、標(biāo)準(zhǔn)誤差、平均偏差、標(biāo)準(zhǔn)偏差和變異系數(shù)等統(tǒng)計(jì)指標(biāo)的有效性評(píng)價(jià),綜合結(jié)果表明,使用克里金插值法優(yōu)于其他方法 (如表2所示)。

表2 各種插值方法的有效性評(píng)價(jià)指標(biāo)

(2)生成等值線。在 Surfer中選擇菜單命令“地圖”→“等值線圖”→“新建等值線圖”或單擊工具欄上的“新建等值線圖”按鈕,對(duì)話框出現(xiàn)后,選擇并打開前面生成的網(wǎng)格文件＊.grd,即繪制成了初始等值線。

(3)修改等值線。根據(jù)所繪制的等值線圖,打開等值線屬性對(duì)話框,然后修改等值線 (如等值線之間填充顏色、增減或移動(dòng)等值線標(biāo)注及等級(jí)、更改坐標(biāo)軸屬性等)。

(4)輸出等值線圖。等值線繪制、修改符合要求后,選擇菜單命令“文件”→“輸出”保存成AutoCAD識(shí)別的圖形文件＊.dxf。

2.3 利用AutoCAD軟件完善等值線圖

(1)啟動(dòng)AutoCAD軟件,打開原有的采掘工程平面圖或煤層底板等高線圖作為基礎(chǔ)圖。

圖2 某礦最終繪制的瓦斯含量等值線圖

(2)打開瓦斯含量等值線圖文件＊.dxf,把該圖復(fù)制到基礎(chǔ)圖中,將其圖層名改為瓦斯含量等值線,并置為當(dāng)前圖層,利用AutoCAD的圖形編輯功能,通過線形處理,利用旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)、縮放或?qū)R命令,把多幅圖合成一幅。

(3)利用打斷、延長(zhǎng)或修改等命令進(jìn)行等值線的修改,即得到需要的最終等值線圖。某礦最終繪制的瓦斯含量等值線圖見圖2。

3 結(jié)語

(1)通過交叉驗(yàn)證法得到,利用 Surfer繪制煤礦瓦斯地質(zhì)圖中瓦斯壓力、含量及涌出量等值線圖時(shí),最優(yōu)的插值方法是克里金方法。

(2)闡述了使用Surfer和AutoCAD軟件繪制礦井瓦斯地質(zhì)圖中瓦斯含量等值線的方法及過程,瓦斯壓力及瓦斯涌出量等值線圖的繪制方法及過程與其類似。

(3)用Surfer和AutoCAD軟件繪制煤礦瓦斯地質(zhì)圖,不但節(jié)省時(shí)間、提高效率,而且避免人為誤差,提高了瓦斯地質(zhì)圖繪制質(zhì)量,具有重要意義。

[1]張子敏,張玉貴.三級(jí)瓦斯地質(zhì)圖與瓦斯治理 [J].煤炭學(xué)報(bào),2005(4)

[2]張子敏,張玉貴.礦井瓦斯地質(zhì)圖編制 [J].煤炭科學(xué)技術(shù),2005(8)

[3]陳歡歡,李星,丁文秀.Surfer8.0等值線繪制中的十二種插值方法[J].工程地球物理學(xué)報(bào),2007(1)

[4]武俊紅,汪云甲.基于Surfer的煤礦等值線空間插值方法有效性評(píng)價(jià) [J].中國(guó)礦業(yè),2007(1)

[5]王濤,黃文濤.井田煤層瓦斯地質(zhì)圖的編制方法[J].中國(guó)煤田地質(zhì),1995(4)

Application of Surfer and AutoCAD softwares in the compilation of mine gasgeologymap

Lin Haifei1,Chen Yong2,Li Shugang1,Cheng Lianhua1,Wang Hongsheng1
(1.School of Energy Resource,Xi’an University of Science and Technology,Xi’an,Shaanxi p rovince 710054,China; 2.Ji,ning No.3 Coal M ine,Yanzhou Coal Co L td,Jining,Shandong p rovince 272169,China)

A

林海飛 (1979-),男,山西大同人,講師,博士,主要從事礦山安全與瓦斯災(zāi)害防治技術(shù)的研究。

(責(zé)任編輯 張艷華)

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目 (50874089),高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金 (20096121110002),西安科技大學(xué)培育基金 (2009008)