大陽泉煤礦三維地質建模與儲量估算分析

李青松

（大陽泉煤炭有限責任公司，山西 陽泉 045000）

1 概述

對于礦體規(guī)模與形態(tài)的掌握是煤礦開采設計關鍵的一環(huán)。 大陽泉煤礦的礦體勘探設計仍使用平面圖與剖面圖結合的辦法，對煤礦厚煤層的賦存以及各種物探、化探信息進行整理與分析。 運用該方法所形成的二維表達以及資源分析表達較為模糊，信息的深入挖掘較為困難，已無法滿足企業(yè)的發(fā)展需求。 隨著三維建模及三維可視化技術的不斷發(fā)展，將煤礦煤層構造進行三維模擬分析，可更加直觀的反應礦體狀態(tài)，且通過三維模型的形象表達也可使礦體邊界圈定、儲量計算分析更加方便。

2 煤礦地質概況

大陽泉煤礦地處山西南部，屬半掩蓋型，煤層上方有黃土覆蓋，僅有少量露出。 該區(qū)以沉積巖為主，輔有變質巖，區(qū)內含煤地層主要為石炭—二疊系，由下至上分為太原組、山西組、下石盒子組，地層總厚度約為172 m。 其煤層地層剖面如圖1 所示。 太原組厚度約為60 m，主要由泥巖、中粒砂巖、煤等組成；山西組厚度約為78 m，由砂巖、泥巖和煤層組成；下石盒子組厚度最大，約為225 m，可將該含煤段分為七、八、九三段，主要由中粒砂巖、泥巖以及砂質泥巖組成。 大陽泉煤礦構造發(fā)育中等，內有大隗滑動構造、樊寨斷層、樊寨支斷層三個構造，分別地處礦區(qū)北部、中南部和南部。

圖1 煤層地層剖面

3 三維地質建模

三維地質建模的實質就是運用數(shù)字建模的方法研究煤礦不同的地形、 地層信息進行形象化表達的方法。 以大陽泉煤礦的勘探數(shù)據(jù)為主要建模依據(jù)，對大陽泉煤礦進行三維地質建模分析，其具體內容包括地形模型的建立、地層模型的建立、巷道模型的建立，以及礦體模型的建立[1]。

3.1 地形模型的建立

為使地形模型建立的精度更加準確，采用高程散點與等高線組合的方法進行，其模式如圖2所示。 模型建立所用數(shù)據(jù)全都為實際勘探數(shù)據(jù)，模型建立的步驟為：

圖2 地表模型

（1）運用3D Mine 軟件對高程散點進行Z 賦值并進行三維散點轉換，使其可進行三維旋轉，并進行校對驗證。

（2）將轉換后的散點產(chǎn)生地表等高線。

（3）將等高線組成三維空間，并進行校對驗證。

（4）生成DEM，表達礦山真實形態(tài)與地貌，完成模型建立。

3.2 地層模型的建立

地層模型主要是對地層結構、形態(tài)、組成等方面的形象表達，對礦山開采過程中要素的設計與定位、礦井的設計與定位、導線網(wǎng)的布置都具有十分重要的意義，是礦山開采的基礎[2]。 模型的建立與前述地形模型的建立方法一致，其地層模型如圖3 所示。

圖3 地層模型

大陽泉煤礦地層模型中鉆孔揭露地層主要包括下古生界奧陶系中統(tǒng)馬家溝組、 上古生界石炭系上統(tǒng)本溪組和太原組、 二疊系下統(tǒng)山西組和下石盒子組以及新生界第四系地層。 太原組、 山西組、下石盒子組等地層為含煤地層；山西組二1 煤為可開采煤層。

3.3 巷道模型的建立

巷道模型的建立主要是運用巷道中線生成法。 首先，應依據(jù)采掘工程平面圖對巷道中線進行提取，然后依據(jù)測點換算高程值；其次，中線進行賦值后采用線文件格式生成三維中線，并進行修正檢查；最后，利用中線生成實體功能生成巷道三維模型。 本次模型建立提取主井附近和副井附近的圍巖以及煤層巷道線及其測試點。 豎井包括主副井和風井；圍巖巷道包括回風巷和井底車場等；煤層巷道包括上下伏巷。

3.4 礦體模型的建立

礦體模型的建立采用普通克里格法構建；模型的構建主要分為四步： ①運用3D Mine 軟件對頂?shù)装迕簩拥奶卣鼽c進行提取。 ②依據(jù)實際勘探數(shù)據(jù)進行頂?shù)装宓腄EM面的建立。 ③將三角網(wǎng)進行合并處理，生成實體模型。④對形成的模型進行優(yōu)化，形成有效實體。 大陽泉煤礦起控制作用的重要鉆孔共有13 個，鉆孔最大長度為24.1 m，平均長度為8.22 m。 選取5 號鉆孔為特征點并進行礦體模型建立，如圖4 所示。

圖4 礦體模型

4 煤炭儲量估算分析

用三維地質模型對大陽泉煤礦進行煤炭儲量估算。 為分析估算數(shù)據(jù)是否有效，將三維模型估算數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)估算方法數(shù)據(jù)進行比較[3]。

4.1 傳統(tǒng)估算方法

傳統(tǒng)的資源儲量估算方法主要有斷面法與地質塊段法兩種。 本文選用地質塊段法對該煤礦進行煤炭儲量估算，利用斜面積和平均煤厚對該煤礦進行資源儲量估算。 首先對大陽泉煤礦的估算范圍、工業(yè)指標情況、儲量資源的類別劃分進行分析。 依據(jù)大陽泉煤礦采礦許可證，該煤礦面積約為1.051 km2；將礦區(qū)參數(shù)指標與工業(yè)規(guī)范標準對比，該礦區(qū)指標均不超標；大陽泉煤礦屬于中等構造類型，其經(jīng)濟基礎儲量以小于500 m 為基準，其內蘊經(jīng)濟資源量以小于2 000 m 為基準，以探明儲量的斷層兩側50 m 為界限。

資源儲量估算的具體公式為[4]：

Q =S×seca×M×D

式中：Q為資源總儲量，t；S為面積，m2；a為平均傾角，°；M為平均純煤真厚，m；D為視密度，t/m3。

經(jīng)查詢，煤層平均傾角為7°，平均純煤真厚4.35 m，煤層視密度值為1.4 t/m3。 計算后得本礦區(qū)資源儲量約為9.794 9 Mt。

4.2 三維地質模型儲量估算

三維地質模型的儲量估算，利用三維模型所模擬出的煤層礦體體積，結合相應的估算參數(shù)進行計算。 其具體計算公式為[5]：

Q=S×D

式中：Q為資源總儲量，t；S為面積，m2；D為視密度，t/m3。

將視密度的數(shù)值輸入三維地質模型參數(shù)表，用普通克里格法估算的煤炭儲量為9.871 Mt。 計算結果與傳統(tǒng)估算方法相比，該方法的誤差率僅有0.83%，不足百分之一。 因此，該建模符合使用精度，可用于實際數(shù)值的估算分析，方法科學。

5 結論

大陽泉煤礦現(xiàn)使用的地質勘探與設計方法仍然為二維分析方法，該方法不直觀，且數(shù)據(jù)無法深入分析，無法適應企業(yè)發(fā)展需要。 針對該問題，運用三維可視化及其建模的方法對大陽泉煤礦進行了地質仿真分析，得出了如下結論；

1）三維地質建模使大陽泉煤礦地質分析更加清晰、直觀。

2）通過地質估算方法與三維地質模型的儲量估算對比，模型估算數(shù)據(jù)與原估算方法誤差率不超過百分之一，較為精準可靠，該模型估算數(shù)據(jù)可用于實際的地質勘探與設計之中。