煤炭資源儲(chǔ)量估算方法及應(yīng)用價(jià)值研究

張秀東

(晉能控股煤業(yè)集團(tuán) 燕子山礦，山西 大同 037037)

隨著煤炭需求的不斷增長(zhǎng)，要確保煤炭資源穩(wěn)定供應(yīng)，提升煤炭開(kāi)采的效益，但由于煤炭?jī)?chǔ)量估算存在的較大誤差，制約了煤炭的正常開(kāi)采[1-3]。目前，國(guó)內(nèi)外在煤炭?jī)?chǔ)量估算上采用地質(zhì)塊段法、索波列夫斯基網(wǎng)格法、垂直平行斷面法和等高線(xiàn)法等方法，在計(jì)算過(guò)程中，由于估算步驟復(fù)雜、計(jì)算量大造成人為誤差，采用平均值無(wú)法擬合煤層的走勢(shì)變化，導(dǎo)致估算精度低。為了解決這一問(wèn)題，燕子山礦采用不規(guī)則三角網(wǎng)格模型計(jì)算方法開(kāi)展煤炭?jī)?chǔ)量估算，精確計(jì)算開(kāi)采范圍內(nèi)的煤炭資源儲(chǔ)量，借助ArcGIS仿真軟件擬合煤層走勢(shì)變化。制定合理地開(kāi)采方案，避免出現(xiàn)過(guò)度開(kāi)采，降低人為誤差，增加煤炭開(kāi)采的科學(xué)性。

1 地質(zhì)概況

燕子山礦井田東西走向長(zhǎng)度為4.03 km，南北走向?qū)挾葹?.5 km，井田面積為18.1 km2，根據(jù)勘查區(qū)邊界和可采邊界來(lái)圈定要估算的煤炭資源儲(chǔ)量范圍。8號(hào)煤層的地質(zhì)條件較復(fù)雜，煤炭?jī)?chǔ)量豐富，煤層賦存比較穩(wěn)定，煤層平均厚度為5.6 m，傾斜角度為13°，煤類(lèi)為貧瘦煤和貧煤。按照現(xiàn)行的規(guī)范要求[4-7]，對(duì)煤層進(jìn)行資源儲(chǔ)量估算時(shí)，要求可開(kāi)采的最低煤層厚度為0.80 m，最高灰分Ad為40%，最高硫分St.d為3%，最低發(fā)熱量Qnet,d為17.0 MJ/kg。

2 模型結(jié)構(gòu)

地形的起伏變化通常使用規(guī)則網(wǎng)格或不規(guī)則三角網(wǎng)格來(lái)表示，其中，規(guī)則網(wǎng)格是將地形的表面特征劃分成若干個(gè)規(guī)則的網(wǎng)格單元，給每個(gè)單元進(jìn)行賦值，可以是煤層底板標(biāo)高、高程等數(shù)據(jù)。不規(guī)則三角網(wǎng)格是將地形的表面特征通過(guò)若干個(gè)互不交叉、不重疊的三角形連接起來(lái)。相比之下，不規(guī)則三角網(wǎng)格模型可以用更少的空間和時(shí)間去精確地反映復(fù)雜的地形表面，展示的地形地貌更加真實(shí)，且計(jì)算精度較高。根據(jù)燕子山礦復(fù)雜的地形，建立基于離散點(diǎn)的不規(guī)則三角網(wǎng)格等值線(xiàn)模型，在建立不規(guī)則三角網(wǎng)格模型時(shí)，一般遵循以下3種Delaunay準(zhǔn)則[8-10]：

1) 空外接圓準(zhǔn)則：在不規(guī)則三角網(wǎng)格中，每個(gè)三角形的外接圓內(nèi)都不存在其他任何點(diǎn)。

2) 最大最小角準(zhǔn)則：三角剖分所形成的三角形的最小角最大，2個(gè)相鄰三角形構(gòu)成的凸四邊形的對(duì)角線(xiàn)，在相互交換后，內(nèi)角的最小角不再增大。

3) 唯一性準(zhǔn)則：不論從區(qū)域的哪個(gè)位置開(kāi)始構(gòu)建，建立的不規(guī)則三角形網(wǎng)格都是唯一的。

3 煤炭?jī)?chǔ)量估算方法

3.1 估算方法

首先找到具有煤層底板厚度和標(biāo)高數(shù)據(jù)的鉆孔點(diǎn)或?qū)崪y(cè)導(dǎo)線(xiàn)點(diǎn)，在保護(hù)煤柱邊界拐點(diǎn)等一些關(guān)鍵點(diǎn)處基于原始點(diǎn)進(jìn)行差值計(jì)算，得到內(nèi)插底板的厚度和標(biāo)高，然后，根據(jù)原有數(shù)據(jù)點(diǎn)和內(nèi)插點(diǎn)構(gòu)建2套不規(guī)則三角網(wǎng)格模型表面，所構(gòu)建的模型節(jié)點(diǎn)均處在同一平面坐標(biāo)位置，其中一套以底板標(biāo)高為模型節(jié)點(diǎn)的Z值，另一套以底板煤層的厚度和標(biāo)高之和為模型節(jié)點(diǎn)的Z值。在實(shí)際計(jì)算中，由于個(gè)別項(xiàng)目是需要估算塊段的儲(chǔ)量，去除無(wú)煤柱區(qū)域，而塊段、采空區(qū)等邊界線(xiàn)是光滑且非多邊形的，在進(jìn)行不規(guī)則三角網(wǎng)格劃分時(shí)被切割出曲線(xiàn)邊，如圖1所示。

圖1 塊段與TIN疊加

針對(duì)這些曲面體，為了提高儲(chǔ)量估算的精度，將不規(guī)則三角網(wǎng)格中對(duì)應(yīng)的上下三角面垂直于水平面進(jìn)行分割，分割成數(shù)量和大小相同的網(wǎng)格，當(dāng)單元格的寬度足夠小時(shí)近似為長(zhǎng)方體，此時(shí)通過(guò)線(xiàn)性插值可精確求出網(wǎng)格的標(biāo)高[11-13]。

3.2 算法實(shí)現(xiàn)

利用ArcGIS軟件進(jìn)行仿真[14]，根據(jù)開(kāi)采前后的數(shù)字高程模型計(jì)算實(shí)際開(kāi)采的體積大小，為了確保估算精度，盡可能將采區(qū)劃分成若干個(gè)子區(qū)域，每個(gè)子區(qū)域的體積是用開(kāi)采前后地表高程降低或抬高的差值乘以子區(qū)域面積得到的，累加厚得到總體積方量，計(jì)算公式為：

式中：Aj為第i個(gè)子區(qū)域的面積,m2；Hi為第i個(gè)子區(qū)域開(kāi)采前的地表高程,m；hi為第i個(gè)子區(qū)域開(kāi)采后的地表高程,m；n為子區(qū)域的數(shù)量；i為當(dāng)前子區(qū)域編號(hào)；V為體積,m3。

對(duì)燕子山礦地表進(jìn)行分區(qū)，將RTK數(shù)據(jù)導(dǎo)入到ArcGIS軟件中，對(duì)各個(gè)子區(qū)進(jìn)行自動(dòng)劃分，矢量數(shù)據(jù)生成不規(guī)則三角網(wǎng)格，構(gòu)建處三維地表模型如圖2所示。

圖2 三維地表模型圖

在ArcGIS軟件工具箱中，選擇三維分析工具下的曲面模型計(jì)算[15]，將開(kāi)采前的不規(guī)則三角網(wǎng)格和開(kāi)采后的不規(guī)則三角網(wǎng)格輸入軟件中，自動(dòng)計(jì)算后生成一個(gè)文件，通過(guò)文件屬性查看地表模型體積信息，通過(guò)ArcScene得到地表模型的三維可視化模型，如圖3所示。

圖3 三維可視化模型圖

4 應(yīng)用分析

對(duì)燕子山礦8號(hào)煤層的煤炭資源儲(chǔ)量進(jìn)行估算，煤礦范圍內(nèi)獲得8號(hào)煤層的煤炭保有資源儲(chǔ)量為4 624萬(wàn)t，其中包括3 679萬(wàn)t的探明經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)資源儲(chǔ)量，約占總資源儲(chǔ)量的63.0%，924萬(wàn)t的控制經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)資源儲(chǔ)量，4 603萬(wàn)t的探明和控制經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)資源儲(chǔ)量，占總資源儲(chǔ)量的95%，21萬(wàn)t的推斷內(nèi)蘊(yùn)經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)資源儲(chǔ)量，保有資源儲(chǔ)量如表1所示。

表1 保有資源/儲(chǔ)量匯總

5 結(jié) 語(yǔ)

1) 通過(guò)離散點(diǎn)生成地表模型的不規(guī)則三角網(wǎng)格模型，借助ArcGIS仿真軟件，對(duì)原始鉆孔數(shù)據(jù)構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)格，經(jīng)線(xiàn)性插值算法，估算出煤炭?jī)?chǔ)量，提高估算精度。

2) 通過(guò)對(duì)燕子山礦8號(hào)煤層煤炭?jī)?chǔ)量估算，獲得8號(hào)煤層的煤炭保有資源儲(chǔ)量為4 624萬(wàn)t，其中包括3 679萬(wàn)t的探明經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)資源儲(chǔ)量，924萬(wàn)t的控制經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)資源儲(chǔ)量，21萬(wàn)t的推斷內(nèi)蘊(yùn)經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)資源儲(chǔ)量。