计算机映射采矿中的断层

弗拉德斯拉夫.科克基维克a，迪恩.威廉斯b，威廉姆.维尔克森b，安德鲁.斯施勒a

a美国宾夕凡尼亚州州立大学地球矿物科学学院，154 Hosler 大楼， 大学 Park， PA 16802， 美国

b米尼科姆，Inc.，9635 Maroon Circle， Englewood， CO 80112， 美国

2004年5月3日收稿，2005年2月2日和2005年3月7日两次校订，2005年4月12日网上可查

摘要:采矿中有效的断层映射由于经济和安全原因而显得非常重要。未被发现的或错误标注的地质危险能阻碍甚至使项目的发展停滞，使其利润和安全受到影响。 计算机映射能够满足当今的快速回采率，要求采矿业在较短的时间内排除地质危险。一份案例研究表明计算机建模的作用在哥伦比亚的一个存在着多样煤层和多样逆断层的露天煤矿上实现.米尼科姆的MineScape™模型被用在计算机映射上.

关键词:计算机映射 建模  地质危害  采矿  安全

文章大纲:

1.绪论

2.利用完整的地质煤矿编制软件建立断层模型

3.哥伦比亚露天矿山的案例研究

4.结论

参考文献

1.绪论

由于有了更重要的加强设备，煤矿回采面积增大了，定位和映射地质危险的重要性也更加突出了，美国长壁开采的煤矿能最有力的说明了这一点，来自Sprouls (1988)， Fiscor (2002)和美国能源信息中心(EIA， 2004)的数据表明2002年美国长壁开采平均回采面积是2749m×280m 或77 ha而在1988年平均回采面积是945 m×192 m 或 18 ha，安装采煤机的平均功率在1988年只有346KW，而在2002年达到了922KW，大多数国际采煤地区生产率都有了类似的增长。

检测、映射和减少地质危险对产量和安全的负面影响对采矿有一定的经济效益，并在矿山设计中非常重要。长期的设计计划，短期的产量计划，每天产量的实现要靠映射和评估来准确的描绘煤炭矿床的几何形状，这对由于大断层的位移被压紧的矿床的描绘尤其准确。

映射地质危险对按时计薪和矿山管理者很重要，良好的安全性能是在危险减到最小的情况下矿工对个人负责来实现的， 映射地质危险是由地质学家、采矿工程师和矿工合作想出来减少危险的。矿工和检查员可以利用危险映射作为一个重要的、可以用来传达未知的和已知的危险的工具，利用它在安全的步骤下救助。

每天，每周甚至更长时间的决策都要以最初的矿山计划和更具会才工作的数据修订的地质危险映射作为基础。当可能存在的危险被准确映射时，我们要增加有效地顶板支护。Greb在1991年《肯塔基西部煤矿顶板垮落与危害预测》的分析报告中强调顶板事故预报是一个动态过程，要结合不断更新的地质和设计知识来为最好的煤矿顶板支护提供信息。反复的地质和矿山设计要求用上所有能用上的工具来完成分析报告。这篇论文将以利用MineScape™ (2004)地质建模软件映射断层为例作介绍。

2.利用完整的地质或煤矿计划编制软件映射断层

断层及其他的地质构造影响煤层形成的方式，不完善的矿床描述将导致不完善的设计，从而导致在非最佳领域中做出必要调整，采矿设计要考虑逆断层的垂直叠加，以确保资源评估对煤层叠加的评估数据精确，因为断层周围的岩石常被破坏，地质危害映射精确的描述断层有助于设计安全的采矿计划。在采矿过程中人们发现断层的形状与模型预测的形状又很大出入，这既是生产噩梦，又是安全中存在的隐患。

通常情况下，对矿床的生动再现是通过计算机辅助设计工具（CAD）完成的，三维设计缩短了过程时间，使制图法快速产生，采矿工程师在次进步中收益颇多，采矿软件的发展帮助他们将岩层参数的复杂性和空间分布视图化。从而助其在新领域未进行操作之前就可以修改工程设计，检验与比较新内容。关于地质模型和采矿计划的总体设想是由LeBlanc-Smith et al在1997年提出来的，而测量，了解和将煤矿特性视图化的重要性是由Whateley 2002年提出来的。

探测矿井的过程综合利用了地理学、地球物理学、土工技术与地形学。未处理的数据经过电脑字典与一系列人们所接受的数值所验证，并储存在相关的地理学数据库中。此字典是存储了有效参数的典籍，若遇到数值，则有一系列有效数据，若遇到特性区域，则有一连串能为人接受的特性参数。

相关的数据库是用来集合与组织大量描述矿床的参数与信息。ODBC的原理为这些数据的演示、分析与交叉联系提供了环境。

地质结构模型以MineScape™ Stratmodel为例，使在真实的三维环境中再现断层成为可能，这意味着在断层引起叠加的区域，其形状可以在制图中精确描述，用户可以看到断层的上下盘与煤层的交叉点。如果断层通过垂直叠加，那么当计算储量的时候，次区域可以有两倍的储量，这对储量有经济影响，但是更重要的是他允许设计者在三维图中意识到哪里可能出现交叉点，露天及地下设计在接近断层带的地方都有可能出现，这是设计过程中一条重要信息。

电脑软件的另一个重要而特别的地方是通过一组服务器进行地质模型和安全隐患分析的，使众多用户能够使用 相同的模型进行制图再现、储量计算、以及解决其他的问题，当多种解释存在时每个服务器有一个拷贝的模型，可以减少计算失误和解决管理者和用户的疑虑。

选择正确的软件系统的其他考虑是生产出包括可管理性在内的设计质量要求。如果模型在建造过程中需要大量人力，那么即便是有能力的用户也不能提供最佳模型，地质学家的解释与模型模型系统的分界面必须精确，简单易懂，易于修改。模型本省应尽可能的合理化以允许重复操作。正如软件模型中使用的批处理一样，批处理是在多部程序中首先建立的。例如这些步骤有可呢个包括MineScape™ Stratmodel模型，并接着产生线图模型、多层交叉步为、复合计划图，例如结构轮廓、等厚线、露头线和其他的图表展示。记录批文件，展示批文件甚至确定重新启动批的时间都是在MineScape™ Stratmode的能力范围之内。第一步一旦完成，整个过程便被命名，并被名字所取代。因此一个命令允许地质学家不受任何干涉开动所有的模型和制图，对批过程进行处理允许地质学家集中精力研究模型分析的结果，而不为建立重复机制浪费精力。

简易使用重复模型的能力是十分重要的，考虑到地质学评价和容量分析的功能是源于岩性的连续性，岩性的地质截断信息基本来源于钻孔，露头样品，调查数据和横穿工作面的勘探线和来自不可避免的测量信息，例如2004年Stolarczyk et al发明的放射影像方法。

建造模型的过程是困难的综合，例如钻孔数据与地质学解释，由于断层的形态位置，煤层的位移与变化，断层的形状，都依赖于地理学家的解释，是模型过程的结果，所以此过程是学习的过程。因为采集数据是动态的过程，模型应具备通过新数据研究而进行改变和修改的能力，重复为检验复杂的假设提供了有力的工具。例如断层的相互作用会随着新数据的出现发生改变，特别是小区域内有多条断层的部位。如果修订断层数据的完整过程可以用单一要求获得（通过建模来完成像结构轮廓，横切面的展示），地质学家就可以集中精力与更好的解释以助于采矿计划，而不需要再建立完整的新模型。模型越简单，地质学家约有可能在规定的时间内完成尽可能精确的模型。

模型展示工具例如设计映像和横切面展现需要准确再现模型，可以尽可能准确的展现煤层在断层交叉点的尖灭位置，以辅助试图和计划。横贯地下矿产的断层位置和为露天矿采矿计划而编制的阶段计划图要准确的展现短期计划内回采水平任何一侧的断层形态。

3.哥伦比亚露天矿案例研究

一个煤层的计算机模型和钻孔的截面，断层，断面和地表结构在图1和图2中展现出来，这些图展现了这个露天矿有数个10m的水平阶段，为了使矿工和决策者能够对断层和矿床的相互作用形象的了解，我们可以从图1和图2中得到三个特征，二维交叉断面的可以建立出来 (图3)，在这个哥伦比亚露天矿的例子中，三维的模型为矿山提供最佳的规划信息.由于矿床很陡，矿山规划要求用铲和卡车将各层间的表土剥离出来.利用推土机将声誉的表土和煤推至下一个水平的铲斗里.采矿进行到下一个煤层，采矿就这样循环进行.

图1  一个煤层的计算机模型和钻孔的截面，断层，断面和地表结构

图2  哥伦比亚露天矿的生产水平复合煤层地带有复杂的逆断层

图3  东西交叉点(在图1图2 所示位置的最南不边缘).

模型中断层定位的准确行很大程度上受到钻孔信息的影响，当钻孔证明有断层交叉点存在，断层的落差通常情况下用岩心测试来确定，这比在临近钻孔交界处无明显断层的例子提供了更好的参考，但可以更加清楚的看出钻孔的位移。在最后一个案例中，临近钻孔之间的位移有向类似现象发展的趋势。应特别注意钻孔的准确性，由于在此区域进行采矿，在此区域内调查记录的断层与先前模型进行比较，在以前的上部水平采矿中对断层的痕迹和倾角经常进行评估，在采矿过程中为下面的水平提供准去的断层模型。

4.结论

计算机制图软件为我们提供了综合工作环境，在此环境中地层情况可以被模型化，一再现当地地质情况。一般情况下地质模型为储量计算和期他的采矿佳话工作奠定了基础。

利用二维和三维模式来辨别断层的能力对于露天矿山和地下矿山都很重要，准确的说明是给予稳固的模型，此模型在岩层和不断变化的采矿环境中可能会对矿工造成危险的区域提供必要的安全保障，为避免规划中的高投资和危险区域的因素，高质量的计算机模型会确保矿井设计请矿和现实情况相一致。

参考文献:

⑴.库伦，2003  J.M.库伦.一段盛衰沉浮的传说--西弗吉尼亚Mingo县沿着Warfield断层采矿.煤矿地质学国际杂志，2003年54期，193-207页

⑵.菲斯克，2002 S .菲斯克.2002年美国长壁开采普查.煤炭时代vol. 107， No. 2，普瑞梅地亚商业杂志，Overland Park， KA，2002， 28-32页

⑶.格瑞伯，1991  S.F格瑞伯.肯塔基西部煤矿顶板垮落与危害预测.In:D.C.彼得斯，编辑.煤炭资源利用中的地质学. Fairfax， VA， TechBooks，美国石油地质学者协会.能源矿物的分配， 1991，245-262页

⑷.莱布莱恩克史密斯et al.， 1997  G..莱布莱恩克，J.艾斯特勒，B.普勒森，P.苏勒，C.卡瑞斯.一目了然：煤矿计划编制和和勘查数据综合效应，澳大利亚矿山回顾，1997年7月，18-22页

⑸.莫林达和恩格瑞姆，1989  G..M.莫林达和D.K.恩格瑞姆.维吉尼亚西南部断层对地面控制的影响，美国矿务局内部科，RI 9289.美国国家技术情报局No. 90-196809，匹兹堡，PA 1989.

⑹.尼尔森 1991  W.J.尼尔森.伊利诺斯州断层和其对采矿的影响，Circular vol. 523，伊利诺斯州地质普查，原野，IL 1991， 1-40.页

⑺.斯普鲁，1988  M.W.斯普鲁，长壁开采普查88，煤炭时代vol. 25， No. 2，芝加哥马特里恩.亨特出版公司 1988，65-77页