煤炭资源储量估算方法及应用价值研究

2022-02-17张秀东

煤 2022年2期

张秀东

(晋能控股煤业集团燕子山矿，山西大同 037037)

随着煤炭需求的不断增长，要确保煤炭资源稳定供应，提升煤炭开采的效益，但由于煤炭储量估算存在的较大误差，制约了煤炭的正常开采[1-3]。目前，国内外在煤炭储量估算上采用地质块段法、索波列夫斯基网格法、垂直平行断面法和等高线法等方法，在计算过程中，由于估算步骤复杂、计算量大造成人为误差，采用平均值无法拟合煤层的走势变化，导致估算精度低。为了解决这一问题，燕子山矿采用不规则三角网格模型计算方法开展煤炭储量估算，精确计算开采范围内的煤炭资源储量，借助ArcGIS仿真软件拟合煤层走势变化。制定合理地开采方案，避免出现过度开采，降低人为误差，增加煤炭开采的科学性。

1 地质概况

燕子山矿井田东西走向长度为4.03 km，南北走向宽度为3.5 km，井田面积为18.1 km2，根据勘查区边界和可采边界来圈定要估算的煤炭资源储量范围。8号煤层的地质条件较复杂，煤炭储量丰富，煤层赋存比较稳定，煤层平均厚度为5.6 m，倾斜角度为13°，煤类为贫瘦煤和贫煤。按照现行的规范要求[4-7]，对煤层进行资源储量估算时，要求可开采的最低煤层厚度为0.80 m，最高灰分Ad为40%，最高硫分St.d为3%，最低发热量Qnet,d为17.0 MJ/kg。

2 模型结构

地形的起伏变化通常使用规则网格或不规则三角网格来表示，其中，规则网格是将地形的表面特征划分成若干个规则的网格单元，给每个单元进行赋值，可以是煤层底板标高、高程等数据。不规则三角网格是将地形的表面特征通过若干个互不交叉、不重叠的三角形连接起来。相比之下，不规则三角网格模型可以用更少的空间和时间去精确地反映复杂的地形表面，展示的地形地貌更加真实，且计算精度较高。根据燕子山矿复杂的地形，建立基于离散点的不规则三角网格等值线模型，在建立不规则三角网格模型时，一般遵循以下3种Delaunay准则[8-10]：

1) 空外接圆准则：在不规则三角网格中，每个三角形的外接圆内都不存在其他任何点。

2) 最大最小角准则：三角剖分所形成的三角形的最小角最大，2个相邻三角形构成的凸四边形的对角线，在相互交换后，内角的最小角不再增大。

3) 唯一性准则：不论从区域的哪个位置开始构建，建立的不规则三角形网格都是唯一的。

3 煤炭储量估算方法

3.1 估算方法

首先找到具有煤层底板厚度和标高数据的钻孔点或实测导线点，在保护煤柱边界拐点等一些关键点处基于原始点进行差值计算，得到内插底板的厚度和标高，然后，根据原有数据点和内插点构建2套不规则三角网格模型表面，所构建的模型节点均处在同一平面坐标位置，其中一套以底板标高为模型节点的Z值，另一套以底板煤层的厚度和标高之和为模型节点的Z值。在实际计算中，由于个别项目是需要估算块段的储量，去除无煤柱区域，而块段、采空区等边界线是光滑且非多边形的，在进行不规则三角网格划分时被切割出曲线边，如图1所示。

图1 块段与TIN叠加

针对这些曲面体，为了提高储量估算的精度，将不规则三角网格中对应的上下三角面垂直于水平面进行分割，分割成数量和大小相同的网格，当单元格的宽度足够小时近似为长方体，此时通过线性插值可精确求出网格的标高[11-13]。

3.2 算法实现

利用ArcGIS软件进行仿真[14]，根据开采前后的数字高程模型计算实际开采的体积大小，为了确保估算精度，尽可能将采区划分成若干个子区域，每个子区域的体积是用开采前后地表高程降低或抬高的差值乘以子区域面积得到的，累加厚得到总体积方量，计算公式为：

式中：Aj为第i个子区域的面积,m2；Hi为第i个子区域开采前的地表高程,m；hi为第i个子区域开采后的地表高程,m；n为子区域的数量；i为当前子区域编号；V为体积,m3。

对燕子山矿地表进行分区，将RTK数据导入到ArcGIS软件中，对各个子区进行自动划分，矢量数据生成不规则三角网格，构建处三维地表模型如图2所示。

图2 三维地表模型图

在ArcGIS软件工具箱中，选择三维分析工具下的曲面模型计算[15]，将开采前的不规则三角网格和开采后的不规则三角网格输入软件中，自动计算后生成一个文件，通过文件属性查看地表模型体积信息，通过ArcScene得到地表模型的三维可视化模型，如图3所示。

图3 三维可视化模型图

4 应用分析

对燕子山矿8号煤层的煤炭资源储量进行估算，煤矿范围内获得8号煤层的煤炭保有资源储量为4 624万t，其中包括3 679万t的探明经济基础资源储量，约占总资源储量的63.0%，924万t的控制经济基础资源储量，4 603万t的探明和控制经济基础资源储量，占总资源储量的95%，21万t的推断内蕴经济基础资源储量，保有资源储量如表1所示。