煤炭资源的真三维评价 毕业论文.docx
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1、煤炭资源的真三维评价摘要影响煤层开采的条件有多种因素,本研究从煤层地质赋存状态来评价影响煤层开采的综合条件。煤层资源开采条件的综合评价有利于从总体来设计开采区,合理布置采矿工程,提高煤炭的开采回收率,提高生产效益。煤层开采条件包括煤层的厚度,埋深,倾角,煤质,顶底板岩性,煤层中的夹层厚度和数量,构造应力,岩溶积水,岩浆侵入对煤质和煤层的破坏,后期河道冲刷对煤层的改造,断裂切割对煤层的破坏,煤层的连续性等多种因素。借助GIS技术,分别对上述因素进行空间信息的定量提取,对各个可采煤层进行综合定量评价,利用三维可视化技术对煤层分布和影响开采的各种因素进行显示。可以合理指导煤炭的有序生产,保障煤矿生产
2、安全1。关键词:煤炭资源,综合评价,GIS,三维TRUE THREE-DIMENSIONAL EVALUATION OF COAL RESOURCESABSTRACTCoal mining conditions affecting a variety of factors, from the coal geology of this study to assess the impact of existing state coal mining in general terms. Coal resources, mining conditions conducive to the compre
3、hensive evaluation of overall mining area to design, reasonable layout of mining engineering, coal mining to improve recovery, improve production efficiency.Coal mining conditions, including coal seam thickness, depth, dip, coal, roof and floor lithology, seam thickness and amount of dissection, tec
4、tonic stress, karst water, magma intrusion on coal and coal seam damage, erosion of the river late the transformation of coal seam, breaking the destruction of coal cutting, coal seam continuity and other factors.With GIS technology, these factors were the quantitative extraction of spatial informat
5、ion, each coal layer on a comprehensive quantitative evaluation, using three-dimensional visualization of the distribution and impact of technology on coal mining display a variety of factors. Reasonable guide to the orderly production of coal, coal mine production safety protection.KEYWORDS: coal r
6、esources, evaluation,GIS, three-dimensional目录ABSTRACTKEYWORDS: coal resources, evaluation,GIS, three-dimensional目录1 绪论11.1引言11.2论文总说明11.2.1基本原理11.2.2主要研究内容和研究的路线21.3国内外研究现状41.4选题的目的和意义52评价资源的划分原则62.1单元划分的概念及常用方法62.2三维网格化单元62.2.1网格化单元的概念及原理62.2.2网格化单元的优点62.2.3网格单元划分的关键问题62.2.4本次研究网格划分的基本原理73煤层开采综合评价变
7、量分析和地质信息定量提取83.1煤层开采条件的变量选择83.2煤层可采性评价信息的定量提取93.2.1离散数据定量化93.2.2数值型数据93.2.3矢量空间-属性信息定量提取103.2.4开采性指标的定量信息提取104煤层开采条件多变量综合评价134.1煤层可采性评价指标的量纲统一与变量关系分析134.2评价模型135井田煤层三维地质模型145.1 三维地质模型概述145.2 GOCAD概述145.3 GOCAD建模145.3.1建立三维地层界面145.3.2层面光顺处理155.3.3建立三维地层实体165.3.4研究区三维地层模型构建165.3.5利用GOCAD评价过程176总结246.1
8、 论文总结246.2 不足及展望24参考文献25致谢26IV安徽理工大学毕业论文1 绪论1.1引言煤炭是一种宝贵的不可再生资源,在目前的条件下仍为我国的主要能源。中国煤炭资源丰富,截至2002 年年底,全国共有煤炭资源的矿区6019 个,查明煤炭资源储量为10201 亿吨,其中煤炭基础储量3341 亿吨(煤炭储量为1886 亿吨),煤炭资源量为6872 亿吨。按照中国探明可直接利用的煤炭储量1886 亿吨计算,我国人均探明煤炭储量145 吨,按人均年消费煤炭1.45 吨,即全国年产19 亿吨煤炭匡算,可以保证开采上百年。 另外,包括3341 亿吨基础储量和6872 亿吨资源量共计10201 亿
9、吨的资源,可以留待后人勘探开发。另外,中国炼焦用煤储量为649 亿吨,还有基础储量1244 亿吨、资源量1477 亿吨;2003 年中国生产焦炭1.78 亿吨,出口量占世界贸易量的56.4%。按照近期中国焦炭的生产能力,已经探明的炼焦用煤储量,可以保证开采200 年左右。 我国煤炭储量主要分布在华北、西北地区,集中在昆仑山秦岭大别山以北的北方地区,以山西、陕西、内蒙古等省区的储量最为丰富。晋陕蒙(西)地区(简称“三西”地区)集中了中国煤炭资源的60%,另外还有近9%集中于川、云、贵、渝地区。 山西省是资源储量最多的省份,占全国总储量的30%。与资源分布相对应的,是煤炭生产也集中于这些地区。在漫
10、长的地质演变过程中,煤田受到多种地质因素的作用;由于成煤年代、成煤原始物质、还原程度及成因类型上的差异,再加上各种变质作用并存,致使中国煤炭品种多样化,从低变及程度的褐煤到高变质程度的无烟煤都有储存2。 按中国的煤种分类,其中炼焦煤类占27.65%,非炼焦煤类占72.35%。中国虽然煤炭资源丰富,但适于露天开采的煤炭储量少,仅占总储量的7%左右,其中70%是褐煤,主要分布在内蒙、新疆和云南。对于煤炭生产基地开展资源综合评价工作,可将开发前期相关资料与开发过程中获得的信息相结合,对煤炭资源进行精细评价,从而科学、合理地进行资源开发决策。获得最大经济和社会效益,因而具有重要的意义11。1.2论文总
11、说明1.2.1基本原理在地质因素分析与综合评价过程,数据通常以栅格和矢量方式存储,它们所对应的表达形式可能是多种多样的:(1)地质资料一般为点、线、面矢量图层的形式,点是用一对坐标表达的空间几何对象,如断裂构造等,例如断裂分布是一种矢量数据,含有断距,规模等属性,多边形则是由一些相联的弧段构成的封闭几何对象,具有一定的面积,如区域地层、岩体的分布。每一图元相应的有一组属性数据,用以描述该图元的性质。地层和岩性分布是面状矢量数据,含有空隙度,稳定性等重要信息,(2)可能是原始数据文件(如DBF 格式),也可能是根据样品位置信息生成GIS 的点图层,通过属性表存储分析数据,如煤层厚度,发热量等数据
12、,可以通过离散钻孔点插值到一定空间范围,属于连续性栅格数据12。如何对这些数据进行联合分析,需要借助专用的GIS空间分析工具来完成。其基本原理如图1-2-1:图1-1 基于GIS的多变量煤层开采条件综合评价技术流程1.2.2主要研究内容和研究的路线 本论文研究基于windows操作系统,以GOCAD为平台,对煤炭资源进行三维综合评价,研究工作的技术路线如下:一、评价单元的划分原则,单元划分是进行煤层开采条件地质信息提取、资源综合评价最基础的环节,单元划分得合理与否将对矿产预测结果产生直接的影响。它不仅是统计观测的基本单位,也是提取与煤层资源特征有密切关系的地质变量的基础,而且统计对比和综合评价
13、的对象、评价的结果是以单元为基础或通过单元表达的。常用的统计单元划分方法有两种,一种是网格单元,另一种是地质体单元法(也称自然单元法)。网格化单元是指采用一定规则的网格作为统计预测样品的方法总称。该方法母体构成是以“相似类比”原理为基础的,即相似的地质构造环境应含有相似的矿产。研究区域内所有地质构造环境相似的地段都是母体的组成部分,因此,采样必须沿一定网格连续进行。网格单元划分的关键问题是选择单元的位置、大小,单元划分不易过大或过小。划分应该考虑:评价区比例尺和精度要求。评价区地质条件复杂程度。研究区范围大小及保证统计分析所需的单元数。地质特征的空间变异性。应遵循抽样的随机性与样品的代表性原则
14、。本次研究采用煤田地质勘探的基本外推原理来决定网格单元的大小,其基本原理是,对于见煤钻孔,通常可以以钻孔间距的1/2来外推煤层的分布厚度1。二、本次评价的煤层为花沟西82和10煤层,根据评价模式,确定“总分总”的评价模式,即确定评价目的评价要素评价结果。利用煤矿开采过程中常用的参考数据,以及根据花沟西井田煤层赋存特征,选择煤层厚度、煤质特征、断层、顶板砂泥比以及煤层埋藏深度作为评价煤层赋存条件的因素。诸多地质因素,大部分是描述性数据,必须对其进行定量表达,才能对其进行利用。另外有部分数据需要建立数学模型才能进行信息提取,例如断裂复杂程度,煤层连续性指标等。而对于煤的发热量,顶底板沙泥比等指标,
15、则可以通过空间插值进行表面拟合。研究煤层可采性评价信息的定量提取,离散数据定量化;对于数值型数据,则可以通过离散数据空间插值方式获取整个评价区的数据。矢量空间-属性信息定量提取,本次研究中利用的矢量图层主要是断裂分布,断裂分布本身是空间信息,但其中包含的属性数据,断距、规模、断裂性质对于评价煤层非常重要,因此需要将这些属性信息综合利用,定量提取。开采性指标的定量信息提取,包括煤层可采厚度、煤层埋深、煤质煤的发热量、煤层倾角、顶板稳定性、煤层的结构复杂度、可采煤厚度占煤层厚度百分比、煤层空间分布稳定性。三、煤层开采条件多变量综合评价,由于各个评价指标的量纲不统一,量纲大的因素势必会影响评价结果,
16、而量纲小的指标则在数据之中被淹没,因此,对上述不同量纲的数据进行数据水平统一,即统一量纲,采用极差方式对数据水平进行统一,这样,不同的评价指标的数据统一到一个水平。在煤层资源综合评价中,采用无模型的评价方法,证明开采条件优良的模型来训练变量。资源评价中的两类方法,一类是无模型的预测(无监督的),另一类是有模型的预测法(有监督的),有模型预测是以模型单元集合建立的统计预测模型,对未知单元定量类比达到资源评价的目的。在煤层资源综合评价中,并没有好的已知单元提供,这就决定了在煤层资源评价中只能采用无模型的评价方法,即只能通过数据本身来发现评价区的好坏,而不能要求提供一个可见的,证明开采条件优良的模型
17、来训练变量。按照上述对变量关系的分析,采用下面的模型对煤层进行综合评价:,其中是综合评价结果,是各个评价变量的值。四、煤层三维地质模型,一个典型的三维地质模型是由一个或多个地层、结构面、断层等组成的。可以使用GOCAD建立三维地质模型,一般包括:数据的分析和预处理、插值、建立三维地层界面、建立三维地层实体、剖面图对比等步骤。构建三维地质模型的方法: 基于面模型的构建方法和基于体模型的构建方法. 利用钻孔数据建立地层界面,GOCAD提供了两种常用方法:第一种方法是先建立钻孔(well),利用钻孔模型中的分层数据(marker)直接相连生成层面;第二种方法是利用已划分好层面的钻孔点数据生成网格。层
18、面光顺处理:GOCAD创建的一种新的插值方法离散光滑插值(DSI),将插值结果同控制点再次进行匹配,修正插值过程中存在的几何畸变,GOCAD称之为几何适应(fit geometry)。GOCAD中的DSI插值对地层面进行光顺处理的操作步骤:(1)确定控制点(原始采样点),确定地层初始边界线;(2)使用“constrain all borders on straightline”选项将地层界线转变为模糊控制点,并且引出插值方向。研究区三维地层模型构建:(1)根据钻孔分层资料,提取分层的高程数据,导入到GOCAD中,生成原始点分布图;(2)进行克里金插值,导入到GOCAD中后,生成加密后的数据点分
19、布图;(3)以各个钻孔分层点作为控制点,在地层尖灭、缺失处获得交线;(4)形成Delaunay三角网格化的层面,并利用GOCAD中里的DSI插值算法优化各层初始层面,用交线约束修改原尖灭、缺失地层层面从而最终建立各地层的层面。1.3国内外研究现状近年来形成了一套集图形与数据管理、模型建立、辅助决策为一体的资源条件信息管理与决策支持系统。其紧密结合煤矿生产实际 ,将煤炭资源条件评价预测、技术经济分析、开发开采决策连为有机整体 ,使评价结果的实用性、针对性及在指导开发开采与管理决策方面的作用得到了显著增强。1.4选题的目的和意义影响煤层开采的条件有多种因素,本研究从煤层地质赋存状态来评价影响煤层开
20、采的综合条件。煤层资源开采条件的综合评价有利于从总体来设计开采区,合理布置采矿工程,提高煤炭的开采回收率,提高生产效益。煤层开采条件包括煤层的厚度,埋深,倾角,煤质,顶底板岩性,煤层中的夹层厚度和数量,构造应力,岩溶积水,岩浆侵入对煤质和煤层的破坏,后期河道冲刷对煤层的改造,断裂切割对煤层的破坏,煤层的连续性等多种因素。借助GIS技术,分别对上述因素进行空间信息的定量提取,对各个可采煤层进行综合定量评价,利用三维可视化技术对煤层分布和影响开采的各种因素进行显示。可以合理指导煤炭的有序生产,保障煤矿生产安全。2评价资源的划分原则2.1单元划分的概念及常用方法单元划分是进行煤层开采条件地质信息提取
21、、资源综合评价最基础的环节,单元划分得合理与否将对矿产预测结果产生直接的影响。它不仅是统计观测的基本单位,也是提取与煤层资源特征有密切关系的地质变量的基础,而且统计对比和综合评价的对象、评价的结果是以单元为基础或通过单元表达的。常用的统计单元划分方法有两种,一种是网格单元,另一种是地质体单元法(也称自然单元法)。本研究中主要采用网格单元法。2.2三维网格化单元2.2.1网格化单元的概念及原理网格化单元是指采用一定规则的网格作为统计预测样品的方法总称。自60 年代D.P.Harris 首先采用网格法划分单元建立资源统计预测模型以来,该方法一直被广泛地应用于资源预测、统计性地质数据处理等领域。该方
22、法母体构成是以“相似类比”原理为基础的,即相似的地质构造环境应含有相似的矿产。研究区域内所有地质构造环境相似的地段都是母体的组成部分,因此,采样必须沿一定网格连续进行。2.2.2网格化单元的优点(1)网格化单元的划分原则统一,预测区和模型区网格单元规格易统一,它不受地质工作程度的不平衡性所限制;(2)网格化单元是独立的,单元内地质变量是随机分布的,有利于随机抽样,形成简单样本,同时还可以研究矿床在单元内的分布规模;(3)采用网格化单元有利于扩大样品数,扩大样本容量,以提高统计的准确性;(4)网格化单元划分方法简便,划分方案统一,易于坐标化,便于大范围信息的储存和计算机成图工作。 2.2.3网格
23、单元划分的关键问题网格单元划分的关键问题是选择单元的位置、大小。单元划分太小,会造成同一地质体分布于多个单元,人为割裂地质现象,增加了预测工作量,不利于地质模型的建立;而网格单元划分太大,则会造成已有信息的丢失,歪曲了地质变量分布形态,使预测结果的信度降低。因此如何确定最佳网格单元大小,并非易事,也缺乏明确的准则通常对单元的,划分应该考虑以下因素:评价区比例尺和精度要求。评价区地质条件复杂程度。研究区范围大小及保证统计分析所需的单元数。地质特征的空间变异性。应遵循抽样的随机性与样品的代表性原则。通常要根据图件比例尺或者采样精度来确定单元大小,对于1:50 万比例尺的地质图,用25-100 平方
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