矿业工程在地质建模的应用

矿区面积25.5km2，发育有宽缓的波状起伏。主要含煤地层为侏罗系中下统延安组（J1-2y），上覆地层有侏罗系中统直罗组（J2z）、安定组（J2a）、白垩系下统的迳川组（K1jc）和东胜组（K2ds），第三系上新统（N2）和第四系（Q）。地层产状平缓，无断裂和较大的褶曲构造，无岩浆岩侵入。主要煤层共5层3-1、4-1、5-1、6-1、6-2。本区煤岩类型为暗淡型和半暗淡型，煤岩成分以暗煤为主，含较多丝炭和少量亮煤。本文旨在建立资源空间地质模型，进行资源量估算，为矿产资源合理利用提供依据。

2建立三维地质模型

2.1简述

建立三维地质模型（3DGeologicalModelling）简称地质建模，是在分析整理前期已有的地质资料的基础上，将测量资料、钻孔柱状图、煤质资料、物探资料等二维数据导入到Minex软件相应的三维空间中，利用和二维空间的相关性，将不连续的离散的数据联系起来，从而形成三维实体的过程。三维地质模型建立流程如图1所示。

2.2地质数据库的建立与煤层连线

2.2.1原始数据准备地质数据库一般通过钻探、坑探和槽探等方法获得。地质数据库是三维地质模型建模的基础，对获取矿区深部信息有着十分重要的作用，而在矿体模型圈定、资源量估算等方面也起着关键作用。按照软件要求产生6个数据表，即COLLAR、SURVEY、PICKS、QUALITY、LITHO、GEOPHY表。数据表结构见表1。2.2.2基础数据库的建立Minex数据库基本上是由6个二进制文件组成，其文件扩展名为.B3n，n取不同的值对应文件的不同用途，如钻孔数据通过B31文件进行管理，煤层层序通过B35管理。在Minex软件中，按步骤分别导入以上6个.csv格式数据表，要注意字段的匹配及数据的检查及修正。Minex中提供了对钻孔数据检验的模块功能，可以对导入的钻孔数据和煤层数据等进行验证，若出现错误提示，则说明输入的原始数据之间存在错误或矛盾，可及时修正。煤层连线是很关键的一步，Minex根据实际情况，提供了两种煤层连线的方法。一种是father-son煤层连线方式，一种是split煤层连线方式。father-son煤层连线方式适合于存在多个主煤层和少量薄煤层的情况；split煤层连线方式适合于对应主煤层层位存在2个或多个煤层且厚度较平均的情况，该煤矿煤层分布情况适合于第二种连线方式。需要通过反复检查各个剖面，纠正不合理存在，修正煤层连线。图2为该矿区的2号剖面示意图。

2.3构建三维地质模型的方法选择

目前建模的主要方法有块段构模法和界面构模法。Minex软件采用界面构模法建立矿床模型，实质是用若干个多边形面拼接形成一个多边形网来模拟矿床的各种地质界面和开挖工程界面。Minex采用界面模型的构模方法主要有3种：规则格网构模法（Grid）、三角网构模法（Triangle）和等值线构模法3种。本文采用Grid建模法，这是基于规则分布数据点的建模方法。它将构模区域按一定的方向划分成若干个等距二维矩形网格，再根据已知的样本点数据，采用一定的估值方法算出各网格顶点的高程、矿石质量等指标以描述矿床[2]。估值主要由已知样品点推断未知样品点的值，成熟的市场经济国家同我国的资源储量估计方法有很大差异。剖面法在我国资源储量估计中占统治地位，其次是地质块断法。而国外现在已基本上不使用剖面法。多边形法、克里格法以及反比距离加权法是目前研究较成熟的3种方法[3]。Minex软件提供了3种估值方法，如包括多边形法、克里格法和距离幂次反比法。多边形法是一种最原始的估值方法，即找出每个样本（钻孔）的影响范围边界，在边界范围内的所有块段或网格顶点的值都与该孔样本值相同。其方法就是对勘探格规则的钻孔连线的中点垂线构成多边形，形成多边形块段。此法计算简单，适用于矿床在平面上变化幅度小的储量计算。针对矿区煤层稳定的特点，本次采用了多边形法进行估值。2.3.1地表模型的建立地表模型建立的依据是地表测量的数据，通过对这些离散不均匀的数据的加密插值，才能形成完整的地表高程数据。地表模型可以用钻孔孔口标高自动生成，也可以通过地表等高线对应标高赋予等高线Z值生成地表模型。由于本区高差不大，故使用了__种钻孔孔口标高自动生成地表模型的方法。2.3.2煤层顶底板、煤厚及夹矸模型的建立煤层顶底板、煤厚及夹矸模型的建立方法，根据煤层特征不同而各异。对于煤层较厚，分布稳定的煤层，可以先自动生成顶底板，再依据顶底板模型用顶板减去底板的数学计算方法生成煤厚模型从而生成夹矸层；对于薄煤层，建议先生成煤厚与底板模型，用底板加上煤厚模型模拟出顶板模型，再模拟出夹矸层，这样模拟出的煤层顶底板不容易出现交叉重叠，夹矸不容易出现负值；对于数据最差，煤层最不稳定的薄煤层，建议生成夹矸和煤厚模型，在用这两个模型模拟出顶底板的方式最佳。本文采用的是第二种方法。通过computerwashoutgrids生成MK网格。运用SQL语言，借助MK变量（washout位置赋值0，否则1）重新生成煤厚模型后，重新计算出煤层顶板。至此，煤层结构模型建成。图3为此法构筑的5-1煤层的三角网模型。图35-1煤层三角网Minex与其他国际通用的软件例如Surpac相比，优势非常明显，Surpac需要地质人员通过各勘探线剖面逐个圈定矿体范围，建立三维实体模型。Minex是针对层状譬如煤而设计的专业的软件，煤层建立可以由软件自动完成，大大节约了时间成本，这也是Minex软件在煤矿建模时优于其他软件的最重要的标志。2.3.3采空区的建立资源量的估算方法有断面法、算数平均法、等值线等，这些算法都是在矿产资源勘探时期估算矿产资源量的估算方法，并不适于计算矿体采空区的开采量。因此用矿业工程软件对采空区进行三维空间模拟、展示，有着传统方法无法比拟的优越性。运用Minex建立采空区的步骤：将CAD中的采空区边界通过软件导入到Minex中，并设定线型为mask。通过SeamModelOperations运算建立采空区。2.3.4Distance模型的建立按照相关规范及标准的，如JORK准则（2004年澳大利亚报告地质勘探结果，矿产资源及矿石储量），“测定的资源量”“标志的资源量”以及“推断的资源量”分别以“250m”、“500m”、“1000m”进行空间圈定，这是一种常用的资源量估算的方法，结合地质工作可靠程度适当调节。通过“boreholedistancegridding”建立的各煤层的“distancegrid”可以明显看出资源量在二维及三维空间上的分布，并且可以以JPG以及DXF输出所需的平面分布图，可以进行直接利用或编辑。图5是该区5-1煤层的资源量估算图。2.3.5煤质模型的建立首先将煤质参数灰分（ASH）、、挥发分（VOLATILE）、硫分（SULFUR）、发热量（HEATVAL）、密度（DENSITY）用多重变量自动建立的方法，建立各参数对应的煤质模型。Minex软件利用SQL语言可对灰分、挥发分等几乎所有煤矿关心的数据属性进行赋值，根据各种约束条件和不同属性可自由组合建立不同的煤质模型并与资源量级别进行限定，模型在报告资源量时可以自由利用。

3结论

在资源量报告阶段，可以对开采标高、矿权边界等相关参数进行设定，得出需要的内容。显然，矿区若有采空区，既可以按部就班建立含采空区模型再汇报出资源量，也可以先汇报总的资源量，再按照采空区边界，汇报出采空区资源量，两者差与__种方法对比发现，误差仅为0.6%，大大低于国内储量估算标准[4]。由此可见两种资源量计算方法都是可行的，基于建模的本质是呈现三维可视化，呈现直观立体的形象，笔者认为建立采场模型是相当必要的。通过上文的分析可得出以下结论。1）Minex建立的地质模型具有很好的三维可视化效果，快速精确，直观形象，提高了地质技术人员的工作效率。2）与同类软件相比，对煤矿来说更具有针对性，操作简单方便。3）两种资源量的估算方法，误差仅为0.6%，原则上都是可行的。

作者：徐伟 程明 郭仕鹏 单位：北京斯罗柯资源技术有限公司