元寶山露天煤礦地質(zhì)信息系統(tǒng)的建立

1、元寶山露天煤礦地質(zhì)信息系統(tǒng)的建立宋子嶺 王東（遼寧阜新，遼寧工程技術(shù)大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，123000）摘要：介紹了應(yīng)用澳大利亞VULCAN軟件經(jīng)二次開發(fā)建立元寶山露天煤礦地質(zhì)信息系統(tǒng)的方法和技術(shù)。VULCAN軟件系統(tǒng)是一個(gè)集處理地質(zhì)、測(cè)量、采礦、巖土工程等三維數(shù)據(jù)、建立三維立體模型于一體的大型軟件包，應(yīng)用該系統(tǒng)建立元寶山露天煤礦礦床地質(zhì)模型時(shí)，由于該礦煤層分層多、尖滅點(diǎn)多，其估值結(jié)果不理想，為此，我們對(duì)估值方法進(jìn)行了改進(jìn)，提出了考慮煤礦床各向異性的改進(jìn)的距離冪次反比法，提高了建模精度。運(yùn)用所建地質(zhì)模型編制采礦計(jì)劃計(jì)算礦巖量時(shí)，該軟件只能計(jì)算出全礦的總量，不能計(jì)算出各個(gè)臺(tái)階上的礦巖量，無法

2、滿足我國(guó)露天礦精細(xì)的開采計(jì)劃工作的需求，因此，對(duì)該軟件進(jìn)行二次開發(fā)，采用先計(jì)算露天礦坑底至某臺(tái)階頂盤的礦巖總量，再計(jì)算坑底至該臺(tái)階底盤的礦巖總量，兩者之差即為所求的辦法解決。關(guān)鍵詞：露天煤礦；地質(zhì)信息系統(tǒng)；礦床模型；估值方法0、引言露天礦地質(zhì)信息系統(tǒng)（Geological Information System）是實(shí)現(xiàn)“數(shù)字礦山”的重要組成部分，地質(zhì)信息系統(tǒng)是研究將礦山地表地形、礦床賦存狀況、地質(zhì)構(gòu)造等信息數(shù)字化、建立計(jì)算機(jī)模型并實(shí)現(xiàn)可視化的一門學(xué)科。具體說就是綜合運(yùn)用數(shù)字化技術(shù)、圖形技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等，用一定的方法建立礦床地質(zhì)模型，對(duì)某一地區(qū)的地質(zhì)地形進(jìn)行準(zhǔn)確而詳細(xì)的描述，具有對(duì)地質(zhì)地形信息存

3、貯、查詢、修改，計(jì)算地質(zhì)儲(chǔ)量和礦層品位，繪制地質(zhì)地形圖件，進(jìn)行地質(zhì)分析等功能的信息系統(tǒng)。本文以運(yùn)用Vulcan軟件系統(tǒng)建立元寶山露天煤礦地質(zhì)信息系統(tǒng)為例系統(tǒng)地介紹地質(zhì)信息系統(tǒng)建立的基本原理和方法。1、元寶山露天煤礦簡(jiǎn)介元寶山露天煤礦是大型現(xiàn)代化露天礦，區(qū)地表平坦，上部為松軟的第四紀(jì)黃土，厚度20-60米，平均厚度40米。其可采煤層自上而下分為4#煤組、5#煤組、6#煤組、7#煤組，以7#底板為界，上部為露天開采，7#煤組底板以下為井工開采。元寶山露天礦煤層賦存極其復(fù)雜，分層多，馬尾狀結(jié)構(gòu)。其上部黃土采用輪斗挖掘機(jī)膠帶輸送機(jī)連續(xù)工藝，下部巖石采用單斗汽車開采工藝，采煤工藝為單斗汽車半固定式破碎機(jī)

4、膠帶輸送機(jī)。設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為萬噸年。 元寶山露天礦礦床地質(zhì)模型的建立2.1基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備2.1.1鉆孔數(shù)據(jù)元寶山露天礦煤層劃分原則：以1m為界限，凡大于1m厚的小夾矸單獨(dú)劃分分層，以含矸率指標(biāo)描述煤分層中的小夾矸含量。在劃分煤層分層時(shí)，除考慮夾矸厚度值外，還考慮周圍鉆孔煤層劃分。依據(jù)上述原則，各煤層劃分成如下分層：4#煤組，自下而上劃分為41#，42#兩個(gè)分層；5#煤組，自下而上劃分為51#、52#、53#、54#四個(gè)分層；6#煤組，自下而上劃分為61#、62#、69#、6X#等10個(gè)分層；7#煤組，自下而上劃分為71#、72#76#六個(gè)分層。共22個(gè)煤分層。如圖1所示，經(jīng)過整理鉆孔數(shù)據(jù)文件格式

5、為：文件之一：存儲(chǔ)每個(gè)鉆孔的孔號(hào)、孔口坐標(biāo)、孔深等信息文件格式：holeid，east，north，high，Depth 孔號(hào)， X1， Y1， Z1， D1 孔號(hào)， X， Y ， Z， D文件中第一行為注釋行，第二行起為每個(gè)鉆孔的坐標(biāo)值，Xi為孔口東坐標(biāo)，Yi為孔口北坐標(biāo)，Zi為孔口標(biāo)高，Di為鉆孔深度。文件之二：存儲(chǔ)每個(gè)鉆孔的各個(gè)地層頂?shù)装鍢?biāo)高（深度）、分層的層名、巖性、煤質(zhì)指標(biāo)等。文件格式：holeid， from， to， seam，litho，per，ash，qch，sulpher，density孔號(hào)1,1分層頂板深度,底板深度,分層名,巖性,含煤率,灰分,發(fā)熱量,硫分,密度孔號(hào)1,

6、2分層頂板深度,底板深度,分層名,巖性,含煤率,灰分,發(fā)熱量,硫分,密度孔號(hào)1,K1分層頂板深度,底板深度,分層名,巖性,含煤率,灰分,發(fā)熱量,硫分,密度孔號(hào)n,分層頂板深度,底板深度,分層名,巖性,含煤率,灰分,發(fā)熱量,硫分,密度孔號(hào)n,2分層頂板深度,底板深度,分層名,巖性,含煤率,灰分,發(fā)熱量,硫分,密度孔號(hào)n,Kn分層頂板深度,底板深度,分層名,巖性,含煤率,灰分,發(fā)熱量,硫分,密度孔口標(biāo)高表土層底板1.1煤層頂板1.1煤層底版1.2煤層頂板1.3煤層頂板1.3煤層底板2.1煤層頂板2.1煤層底板2.2煤層頂板2.2煤層底板表土層基巖層1.1煤層1.2煤層1.3煤層2.1煤層2.2煤層

7、1.2煤層底板孔 深圖1 鉆孔結(jié)構(gòu)示意圖文件中第一行為注釋行；自第二行起為各個(gè)鉆孔的地層信息；holeid表示第一列數(shù)為每個(gè)鉆孔的孔號(hào)；from為某個(gè)分層的頂板距孔口深度；to為某個(gè)分層的底板距孔口的深度；seam為分層的層名seam=0表示該層為表土層；seam='41'，'42'，'71'，分別表示 41#煤分層，42#煤分層等；seam='y41''y71'，分別表示相應(yīng)煤層上面的獨(dú)立分層的大夾矸層；Litho為相應(yīng)煤層的巖性，Litho='ty'表示該層為表土層；Litho='co&

8、#39;表示該層為煤層；Litho='yy'表示該層為夾矸巖層；Ash為煤灰分值%；Qch為煤層的發(fā)熱量，千卡；Density為該層的密度，Kgm3；Per為煤分層的純煤含量百分?jǐn)?shù)。2.1.2 斷層信息（1）將斷層面最上部邊界線，即平面地形圖上的斷層線輸入計(jì)算機(jī)，斷層線由一系列三維坐標(biāo)點(diǎn)構(gòu)成；（2）量出每個(gè)斷層沿?cái)鄬泳€在各個(gè)點(diǎn)處的斷層斷距，正斷層斷距值取正值，逆斷層取負(fù)值；（3）測(cè)出每個(gè)斷層的斷層面的傾角，以斷層線的方向?yàn)閰⒖?，斷層面向左傾斜，傾角取正值，斷層面向右傾斜，則傾角取負(fù)值；（4）量出每個(gè)斷層面在深度方向的垂直延伸深度或沿?cái)鄬用娣较虻难由焐疃?，以確定斷層面的范圍；（5

9、）若同一個(gè)斷層的上述參數(shù)如傾角、切斷的地層等不相同時(shí)，可將一個(gè)斷層按兩個(gè)斷層分別描述。其數(shù)據(jù)文件格式為：Fi,h （x1,y1,z1）,（x2,y2,z2）,（xn,yn,zn） h1 , h2, , ,hn其中： Fi,斷層名或斷層號(hào);斷層面傾角;h斷層面的延深深度;（xn,yn,zn）斷層線上第n個(gè)點(diǎn);hn斷層線上第n個(gè)點(diǎn)處所對(duì)應(yīng)的斷距。2.2 礦床地質(zhì)模型的建立礦床地質(zhì)模型的建立方法與步驟如下：(1) 建立鉆孔數(shù)據(jù)庫；(2) 形成煤層的邊界范圍多邊形；(3) 建立二維格網(wǎng)礦床模型（包括地形、煤層頂、底板，煤質(zhì)指標(biāo)模型）；由于元寶山露天煤礦是層狀礦體，具有明顯的地質(zhì)界限（即煤巖界面、煤層平

10、面賦存范圍），煤層多、尖滅點(diǎn)多，直接用Vulcan軟件系統(tǒng)所提供的方法進(jìn)行估值效果不理想，因此，我們對(duì)估值方法進(jìn)行了改進(jìn)，提出了一種考慮煤礦床各向異性的改進(jìn)的距離冪次反比法，并對(duì)該礦進(jìn)行估值，提高了建模精度。改進(jìn)的距離冪次反比法進(jìn)行估值法的原理如下：式中：Z待估點(diǎn)X的參數(shù)估計(jì)值；Zi第i號(hào)樣本點(diǎn)參數(shù)值；m冪指數(shù)，取2次；n參估樣本點(diǎn)個(gè)數(shù)，取10；為避免分母為零而附加的很小的正數(shù)；Zi為第i號(hào)鉆孔處煤層頂板或底板標(biāo)高，獲礦石質(zhì)量指標(biāo)，如礦石品位，煤發(fā)熱量、灰分、硫分、水分、密度、含煤率等煤質(zhì)指標(biāo)；Xi為鉆孔i與待估點(diǎn)X之間的距離在煤層走向上的分量；Yi為鉆孔i與待估點(diǎn)X之間的距離在煤層傾向上的分

11、量；Zi為主要考慮在煤層傾向方向上可用已知點(diǎn)煤層頂板或底板標(biāo)高及附近煤層傾角推斷未知點(diǎn)的煤層頂板或底板標(biāo)高；即：待估點(diǎn)X附近的礦層傾角。估值時(shí)，鉆孔搜索距離取500米，趨勢(shì)面指數(shù)取2，光滑指數(shù)取9。格網(wǎng)單元大小定義為20×20m；（4）將所形成的二維格網(wǎng)模型轉(zhuǎn)換成三角網(wǎng)模型；（5） 斷層處理；其處理方法如下： 輸入斷層線，每條斷層線由一系列點(diǎn)連接而成，斷層線上逐點(diǎn)坐標(biāo)為（X，Y，Z，W），其中W坐標(biāo)為斷層在該點(diǎn)處的斷距值（或落差值）； 根據(jù)斷層面的傾角、傾向形成斷層面； 根據(jù)斷層面上各點(diǎn)處的斷距（落差）值將煤層頂、底板三角網(wǎng)切開，并形成帶有斷層面的煤層頂、底板三角網(wǎng)。（6）用煤層邊界

12、多邊形切割煤層頂?shù)装迦蔷W(wǎng)，并形成邊界“墻”三角網(wǎng)；用布爾運(yùn)算將煤層頂、底板三角網(wǎng)和邊界“墻”三角網(wǎng)組裝在一起，形成封閉的立體三角網(wǎng)，即建立起了三維立體礦床模型。圖2、3、4分別為用上述方法所形成的元寶山露天煤礦61#煤層頂板、底板格網(wǎng)模型、61#煤層三維立體實(shí)體模型。圖3 61#煤層底板網(wǎng)格圖圖2 61#煤層頂板網(wǎng)格圖圖4 61#煤層填充后的實(shí)體模型3 元寶山露天礦開采計(jì)劃的編制及礦巖量計(jì)算編制露天礦開采計(jì)劃的基礎(chǔ)是礦床地質(zhì)模型，計(jì)劃期初的礦坑驗(yàn)收平面圖，要求驗(yàn)收平面圖上各點(diǎn)帶有三維坐標(biāo)，以形成三維立體礦坑圖。關(guān)鍵是事先做好計(jì)劃開采臺(tái)階的劃分，形成所有臺(tái)階的頂、底平盤的格網(wǎng)面模型。3.1 劃

13、分開采臺(tái)階，形成臺(tái)階平盤格網(wǎng)面(1) 根據(jù)露天開采的設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)每個(gè)臺(tái)階平盤面模型，對(duì)每個(gè)臺(tái)階平盤，輸入平盤面上控制點(diǎn)，形成計(jì)劃臺(tái)階格網(wǎng)模型；(2) 用已經(jīng)開采形成的臺(tái)階平盤修改計(jì)劃臺(tái)階平盤格網(wǎng)面模型。首先，用臺(tái)階上的測(cè)量驗(yàn)收點(diǎn)形成臺(tái)階的平盤范圍多邊形；第二，用臺(tái)階上的測(cè)量驗(yàn)收點(diǎn)及平盤范圍多邊形形成臺(tái)階實(shí)際平盤格網(wǎng)面；第三，用實(shí)際格網(wǎng)面修改計(jì)劃臺(tái)階的平盤格網(wǎng)面；(3) 將最新測(cè)量驗(yàn)收數(shù)據(jù)調(diào)入屏幕，修改采場(chǎng)位置現(xiàn)狀圖，以形成最新的采場(chǎng)面貌圖，并形成最新采場(chǎng)三角網(wǎng)模型。3.2 編制開采計(jì)劃，計(jì)算剝采量等計(jì)劃指標(biāo)，形成計(jì)劃平面圖、剖面圖在運(yùn)用所建地質(zhì)模型編制采礦計(jì)劃計(jì)算礦巖量時(shí)，Vulcan軟件只

14、能計(jì)算出全礦的總量，不能計(jì)算出各個(gè)臺(tái)階上的礦巖量，無法滿足我國(guó)露天礦精細(xì)的開采計(jì)劃工作的需求，針對(duì)此問題，對(duì)該軟件進(jìn)行二次開發(fā)，采用先計(jì)算露天礦坑底至某臺(tái)階頂盤的礦石總量和巖石總量，再計(jì)算坑底至該臺(tái)階底盤的礦石總量和巖石總量，兩者之差即為所求的該臺(tái)階礦石計(jì)劃量和巖石計(jì)劃量。步驟如下：（1） 畫出每個(gè)臺(tái)階坡底線的計(jì)劃位置，形成計(jì)劃開采區(qū)邊界多邊形；（2） 計(jì)算臺(tái)階計(jì)劃區(qū)內(nèi)的煤量及剝離量；（3） 采礦計(jì)劃平面圖的形成與繪制。將每個(gè)臺(tái)階上的計(jì)劃線多邊形投影到相應(yīng)的臺(tái)階底盤格網(wǎng)面上；（4） 設(shè)計(jì)臺(tái)階斜坡道，并投影形成臺(tái)階的坡底線；（5） 將臺(tái)階原坡底線（或坡頂線）多邊形與計(jì)劃線多邊形進(jìn)行合并（原坡底線

15、與計(jì)劃坡底線多邊形合并，原坡頂線與計(jì)劃坡頂線多邊形合并），形成計(jì)劃位置圖；（6） 進(jìn)行各種標(biāo)注（標(biāo)注文字字符及坐標(biāo)：名稱等）；（7） 形成與繪制地質(zhì)或開采剖面圖；（8） 用繪圖機(jī)繪制開采計(jì)劃平面圖、剖面圖；并輸出計(jì)劃指標(biāo)量表。4 結(jié) 論（1） 所建立的元寶山露天礦礦床地質(zhì)模型，可準(zhǔn)確進(jìn)行儲(chǔ)量計(jì)算，用于編制生產(chǎn)計(jì)劃等，并實(shí)現(xiàn)了建立三維立體顯示，所建立的模型是可靠的；（2） 通過對(duì)Vulcan軟件系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)和二次開發(fā)，所提出的改進(jìn)的距離冪次反比估值法，估值效果好，提高了模型精度；也滿足了我國(guó)編制詳細(xì)的露天礦開采計(jì)劃的要求。參考文獻(xiàn)1 宋子嶺，魏春?jiǎn)ⅲ鹬乔?，煤礦床地質(zhì)算量方法改進(jìn)的距離冪次估值法，阜新礦業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，1997.32 宋子嶺，魏春?jiǎn)ⅲ诐?rùn)才，黑岱溝露天礦短期計(jì)劃編制系統(tǒng)及模型建立，煤炭學(xué)報(bào)1997.12（第6期）3 宋子嶺，白潤(rùn)才