大阳泉煤矿三维地质建模与储量估算分析

李青松

（大阳泉煤炭有限责任公司，山西 阳泉 045000）

1 概述

对于矿体规模与形态的掌握是煤矿开采设计关键的一环。 大阳泉煤矿的矿体勘探设计仍使用平面图与剖面图结合的办法，对煤矿厚煤层的赋存以及各种物探、化探信息进行整理与分析。 运用该方法所形成的二维表达以及资源分析表达较为模糊，信息的深入挖掘较为困难，已无法满足企业的发展需求。 随着三维建模及三维可视化技术的不断发展，将煤矿煤层构造进行三维模拟分析，可更加直观的反应矿体状态，且通过三维模型的形象表达也可使矿体边界圈定、储量计算分析更加方便。

2 煤矿地质概况

大阳泉煤矿地处山西南部，属半掩盖型，煤层上方有黄土覆盖，仅有少量露出。 该区以沉积岩为主，辅有变质岩，区内含煤地层主要为石炭—二叠系，由下至上分为太原组、山西组、下石盒子组，地层总厚度约为172 m。 其煤层地层剖面如图1 所示。 太原组厚度约为60 m，主要由泥岩、中粒砂岩、煤等组成；山西组厚度约为78 m，由砂岩、泥岩和煤层组成；下石盒子组厚度最大，约为225 m，可将该含煤段分为七、八、九三段，主要由中粒砂岩、泥岩以及砂质泥岩组成。 大阳泉煤矿构造发育中等，内有大隗滑动构造、樊寨断层、樊寨支断层三个构造，分别地处矿区北部、中南部和南部。

图1 煤层地层剖面

3 三维地质建模

三维地质建模的实质就是运用数字建模的方法研究煤矿不同的地形、 地层信息进行形象化表达的方法。 以大阳泉煤矿的勘探数据为主要建模依据，对大阳泉煤矿进行三维地质建模分析，其具体内容包括地形模型的建立、地层模型的建立、巷道模型的建立，以及矿体模型的建立[1]。

3.1 地形模型的建立

为使地形模型建立的精度更加准确，采用高程散点与等高线组合的方法进行，其模式如图2所示。 模型建立所用数据全都为实际勘探数据，模型建立的步骤为：

图2 地表模型

（1）运用3D Mine 软件对高程散点进行Z 赋值并进行三维散点转换，使其可进行三维旋转，并进行校对验证。

（2）将转换后的散点产生地表等高线。

（3）将等高线组成三维空间，并进行校对验证。

（4）生成DEM，表达矿山真实形态与地貌，完成模型建立。

3.2 地层模型的建立

地层模型主要是对地层结构、形态、组成等方面的形象表达，对矿山开采过程中要素的设计与定位、矿井的设计与定位、导线网的布置都具有十分重要的意义，是矿山开采的基础[2]。 模型的建立与前述地形模型的建立方法一致，其地层模型如图3 所示。

图3 地层模型

大阳泉煤矿地层模型中钻孔揭露地层主要包括下古生界奥陶系中统马家沟组、 上古生界石炭系上统本溪组和太原组、 二叠系下统山西组和下石盒子组以及新生界第四系地层。 太原组、 山西组、下石盒子组等地层为含煤地层；山西组二1 煤为可开采煤层。

3.3 巷道模型的建立

巷道模型的建立主要是运用巷道中线生成法。 首先，应依据采掘工程平面图对巷道中线进行提取，然后依据测点换算高程值；其次，中线进行赋值后采用线文件格式生成三维中线，并进行修正检查；最后，利用中线生成实体功能生成巷道三维模型。 本次模型建立提取主井附近和副井附近的围岩以及煤层巷道线及其测试点。 竖井包括主副井和风井；围岩巷道包括回风巷和井底车场等；煤层巷道包括上下伏巷。

3.4 矿体模型的建立

矿体模型的建立采用普通克里格法构建；模型的构建主要分为四步： ①运用3D Mine 软件对顶底板煤层的特征点进行提取。 ②依据实际勘探数据进行顶底板的DEM面的建立。 ③将三角网进行合并处理，生成实体模型。④对形成的模型进行优化，形成有效实体。 大阳泉煤矿起控制作用的重要钻孔共有13 个，钻孔最大长度为24.1 m，平均长度为8.22 m。 选取5 号钻孔为特征点并进行矿体模型建立，如图4 所示。

图4 矿体模型

4 煤炭储量估算分析

用三维地质模型对大阳泉煤矿进行煤炭储量估算。 为分析估算数据是否有效，将三维模型估算数据与传统估算方法数据进行比较[3]。

4.1 传统估算方法

传统的资源储量估算方法主要有断面法与地质块段法两种。 本文选用地质块段法对该煤矿进行煤炭储量估算，利用斜面积和平均煤厚对该煤矿进行资源储量估算。 首先对大阳泉煤矿的估算范围、工业指标情况、储量资源的类别划分进行分析。 依据大阳泉煤矿采矿许可证，该煤矿面积约为1.051 km2；将矿区参数指标与工业规范标准对比，该矿区指标均不超标；大阳泉煤矿属于中等构造类型，其经济基础储量以小于500 m 为基准，其内蕴经济资源量以小于2 000 m 为基准，以探明储量的断层两侧50 m 为界限。

资源储量估算的具体公式为[4]：

Q =S×seca×M×D

式中：Q为资源总储量，t；S为面积，m2；a为平均倾角，°；M为平均纯煤真厚，m；D为视密度，t/m3。

经查询，煤层平均倾角为7°，平均纯煤真厚4.35 m，煤层视密度值为1.4 t/m3。 计算后得本矿区资源储量约为9.794 9 Mt。

4.2 三维地质模型储量估算

三维地质模型的储量估算，利用三维模型所模拟出的煤层矿体体积，结合相应的估算参数进行计算。 其具体计算公式为[5]：

Q=S×D

式中：Q为资源总储量，t；S为面积，m2；D为视密度，t/m3。

将视密度的数值输入三维地质模型参数表，用普通克里格法估算的煤炭储量为9.871 Mt。 计算结果与传统估算方法相比，该方法的误差率仅有0.83%，不足百分之一。 因此，该建模符合使用精度，可用于实际数值的估算分析，方法科学。

5 结论

大阳泉煤矿现使用的地质勘探与设计方法仍然为二维分析方法，该方法不直观，且数据无法深入分析，无法适应企业发展需要。 针对该问题，运用三维可视化及其建模的方法对大阳泉煤矿进行了地质仿真分析，得出了如下结论；

1）三维地质建模使大阳泉煤矿地质分析更加清晰、直观。

2）通过地质估算方法与三维地质模型的储量估算对比，模型估算数据与原估算方法误差率不超过百分之一，较为精准可靠，该模型估算数据可用于实际的地质勘探与设计之中。