基于TIN模型的煤炭資源儲量計(jì)算

張文波 胡海峰 張雪芹

(太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024)

基于TIN模型的煤炭資源儲量計(jì)算

張文波 胡海峰 張雪芹

(太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024)

為精確計(jì)算煤炭資源儲量，建立了基于TIN模型的煤炭資源儲量計(jì)算方法。通過利用ArcGIS軟件，對原始的鉆孔等數(shù)據(jù)構(gòu)建Delaunay TIN，再由此TIN按線性內(nèi)插轉(zhuǎn)柵格，進(jìn)行柵格數(shù)據(jù)運(yùn)算和塊段分布圖疊加后，由分區(qū)統(tǒng)計(jì)技術(shù)計(jì)算每個(gè)塊段的煤炭體積，最后按體積與容重之積計(jì)算儲量。通過實(shí)例應(yīng)用可發(fā)現(xiàn)，此方法與傳統(tǒng)塊段法的計(jì)算結(jié)果相比，具有明顯效果。此外，本方法非常適用于無煤層底板等高線等資料僅有鉆孔數(shù)據(jù)的礦產(chǎn)勘探期資源儲量估算和村莊下資源壓覆量計(jì)算。

TIN 資源儲量 GIS 疊加分析 村莊壓煤

煤炭資源儲量計(jì)算結(jié)果的精確度直接關(guān)系到煤礦投資風(fēng)險(xiǎn)大小、煤礦生產(chǎn)決策合理性等實(shí)際問題[1-2]，如采煤區(qū)域內(nèi)村莊下煤層開采與否。目前在傾斜及緩傾斜煤層煤炭儲量計(jì)算方法中主要有地質(zhì)塊段法、垂直平行斷面法、水平平行斷面法、索波列夫斯基網(wǎng)格法和等高線法等方法。它們在計(jì)算過程中，不是步驟復(fù)雜、手工計(jì)算量大易導(dǎo)致人為誤差，就是因采用平均值而無法最佳擬合煤層走勢變化導(dǎo)致精度降低。例如，最為常用的地質(zhì)塊段法是使用簡化了煤層起伏形態(tài)計(jì)算出的塊段體積，和平均煤厚來計(jì)算該區(qū)塊煤炭資源儲量。本研究利用GIS中的TIN模型計(jì)算煤炭資源儲量，并利用ArcGIS加以實(shí)現(xiàn)，以達(dá)到擬合煤層形態(tài)變化的同時(shí)，減少人為誤差的目標(biāo)。

1 TIN模型結(jié)構(gòu)

在GIS中，用以表示地形起伏變化的方式一般有規(guī)則格網(wǎng)結(jié)構(gòu)和不規(guī)則三角網(wǎng)(Triangular Irregular Network，簡稱TIN)2種。規(guī)則格網(wǎng)是將需要表達(dá)地形表面特征的區(qū)域空間切分為規(guī)則的格網(wǎng)單元，每個(gè)格網(wǎng)單元賦予1個(gè)屬性數(shù)值，如高程、煤層底板標(biāo)高。TIN則是通過一系列互不交叉、互不重疊的三角形相連接起來表示地形表面特征。與規(guī)則格網(wǎng)結(jié)構(gòu)模型相比，TIN模型在某一特定分辨率下能用更少的空間和時(shí)間更精確地表示更加復(fù)雜的表面，如有斷裂線、構(gòu)造線等特征[3-4]。能真實(shí)反映現(xiàn)場地形地貌，且有相對較高計(jì)算精確度的TIN已被大多數(shù)測圖軟件所支持[5]，這為TIN快速建立提供了可能。

TIN建立方法主要有基于離散點(diǎn)、基于等值線和基于規(guī)則格網(wǎng)3類。針對研究問題，本研究建立了基于離散點(diǎn)生成TIN并提取等值線的模型，其如圖1所示。

圖1 TIN生成模型

在準(zhǔn)備好離散點(diǎn)數(shù)據(jù)之后，便可以根據(jù)相應(yīng)三角剖分準(zhǔn)則構(gòu)建TIN。本模型按照以下3種準(zhǔn)則，構(gòu)建了地形擬合表現(xiàn)最出色的Delaunay TIN[4，6]：

(1)空外接圓準(zhǔn)則：每個(gè)三角形的外接圓均不包含原始數(shù)據(jù)點(diǎn)集的其余任何點(diǎn)。

(2)最大最小角準(zhǔn)則：每2個(gè)相鄰三角形的最小內(nèi)角一定大于由它們所形成的凸四邊形的另一條對角線分割出的2個(gè)新三角形的最小內(nèi)角。

(3)唯一性準(zhǔn)則：由不同位置開始建立三角形格網(wǎng)，其最終的形狀和結(jié)構(gòu)應(yīng)相同。

2 基于TIN的儲量計(jì)算方法

2.1 儲量計(jì)算方法

一個(gè)鉆孔點(diǎn)或采掘過程中實(shí)測的導(dǎo)線點(diǎn)，同時(shí)具有煤層底板標(biāo)高和煤厚2個(gè)數(shù)據(jù)。首先，基于這些點(diǎn)，采用克里金插值法在一些關(guān)鍵點(diǎn)(如保護(hù)煤柱邊界拐點(diǎn)處的點(diǎn))處，同時(shí)內(nèi)插底板標(biāo)高和煤厚。其次，由這些原有點(diǎn)和內(nèi)插點(diǎn)來構(gòu)建2套TIN表面，且這2套TIN節(jié)點(diǎn)的平面坐標(biāo)位置相同，一套TIN的節(jié)點(diǎn)Z值為底板標(biāo)高，另一套TIN的節(jié)點(diǎn)Z值為底板標(biāo)高與煤厚之和(即煤層頂板標(biāo)高)。

如圖2所示，三角形ABC面屬于表示煤層頂板的TIN，三角形DEF面則屬于表示煤層底板的TIN，三角形CA′B′和DE′F′平行于水平面，線段AD、BF和CE垂直于水平面。因此，點(diǎn)A、B、C、D、E、F的坐標(biāo)已知，則AC、AB、AA′、BC、A′B′、A′C、BB′、B′C邊長可知，且A′B邊長亦可知(直角三角形斜邊)。此外，對于四面體，若記同一頂點(diǎn)引出的三條棱棱長的平方分別為a、b、c，它們的對棱棱長的平方分別為d、e、f，則此四面體的體積計(jì)算公式為

(1)

加之，五面體ABCDEF可分解為多面體ABCA′、BCA′B′、CA′B′DE′F′、DEE′F′和DEFF′，即VABCDEF=VABCA′+VBCA′B′+VCA′B′DE′F′+VDEE′F′+VDEFF′，使得多面體ABCDEF可求，由煤層底板TIN和頂板TIN構(gòu)成的空間體積可求。大家知道，資源儲量Q=V×γ(γ為煤的密度，單位常為t/m3)，因此在通過TIN模型計(jì)算出所求區(qū)域地下煤層體積后，資源儲量便可根據(jù)其相應(yīng)容重計(jì)算出。

圖2 頂板TIN與底板TIN構(gòu)成的多面體

但在實(shí)際工作中，一些項(xiàng)目是需要計(jì)算各個(gè)塊段的資源儲量，且此塊段要去除無煤區(qū)(陷落柱和采空區(qū)等區(qū)域)。因塊段、陷落柱和采空區(qū)等的邊界線具有光滑性而非多邊形形狀，使得這些區(qū)域內(nèi)的一些TIN三角面被切割出曲線邊(計(jì)算機(jī)中采用無限小的折線近似表示)，如圖3。

圖3 塊段與TIN疊加

針對圖3所示曲面體，為提高計(jì)算精度，可將頂板和底板TIN中上下對應(yīng)的每一個(gè)三角面分割成相同數(shù)量與大小的格網(wǎng)結(jié)構(gòu)，形成垂直于水平面的單元格。當(dāng)單元格寬度無限小時(shí)，可近似看做長方體。此時(shí)的格網(wǎng)因位于三角形平面上，格網(wǎng)標(biāo)高通過線性插值即可精確求出。

對于長方體單元格，體積公式為

V =(cell_area)×ΔZ，

(2)

式中，cell_area為長方體單元格上下表面面積；ΔZ為長方體單元格所在位置頂板TIN標(biāo)高與底板TIN標(biāo)高之差。因每個(gè)長方體單元格的cell_area大小相同，則對于某個(gè)面積一定的區(qū)域， 其地下某煤層煤炭體積為

∑V=∑(cell_area)×ΔZi=(cell_area)×

(3)

式中，S為所求塊段區(qū)域水平面積；Z為此塊段中所有長方體單元格所對應(yīng)Z值的平均值。至此，此塊段的煤炭資源儲量可求出。

2.2 基于ArcGIS的算法實(shí)現(xiàn)

ArcGIS作為GIS的典型代表，提供了大量空間分析與數(shù)據(jù)處理技術(shù)。針對本研究的基于TIN模型的煤炭資源儲量計(jì)算方法，ArcGIS可以輕松實(shí)現(xiàn)。針對不區(qū)分塊段區(qū)域煤炭資源儲量計(jì)算，可按GIS中的典型應(yīng)用“土方量計(jì)算”方法實(shí)現(xiàn)，如圖4所示。

圖4 不分塊段區(qū)域資源儲量計(jì)算

針對按塊段計(jì)算煤炭資源儲量的步驟則如圖5所示，在對頂板TIN與底板TIN按線性插值轉(zhuǎn)換為柵格數(shù)據(jù)后，可由3D Analyst Tools下的Minus將頂板TIN與底板TIN變換成一個(gè)各單元格Z值為對應(yīng)煤厚的柵格數(shù)據(jù)，然后使用Spatial Analyst Tools下ZonalStatisticsAsTable獲得各塊段的水平面面積S與各單元格的平均煤厚Z值。最后按公式

求取煤炭資源儲量值。

圖5 基于TIN的地質(zhì)塊段法實(shí)現(xiàn)

3 應(yīng)用實(shí)例

以山西省長治市某煤礦內(nèi)一村莊下壓覆的3號煤層資源儲量計(jì)算為例，此區(qū)域平均密度為1.42 t/m3，通過物探確定了存在采空區(qū)及采空區(qū)的分布區(qū)域。其部分計(jì)算量如表1所示。

表1 實(shí)例計(jì)算結(jié)果

通過表1可知，基于TIN方法計(jì)算的柵格面積與通過原始邊界計(jì)算的面積存在細(xì)微差別。為保證精度，在使用基于TIN模型的煤炭資源儲量計(jì)算方法時(shí)，可采用原始邊界計(jì)算出的面積，而非柵格的。此外，從實(shí)例可發(fā)現(xiàn)基于TIN的儲量計(jì)算方法不需要計(jì)算煤層平均煤厚與平均傾角。

4 結(jié) 論

(1)通過分析TIN結(jié)構(gòu)，找出了基于煤層變化形態(tài)的煤炭資源儲量計(jì)算方法，并利用GIS 軟件ArcGIS加以實(shí)現(xiàn)。該方法在繼承塊段法優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，通過TIN模擬煤層起伏變化形態(tài)，擯棄了塊段法中對煤層傾角和煤層厚度取平均值的弊端，從而提高了計(jì)算精度。因?yàn)榭赏ㄟ^ArcGIS等GIS軟件實(shí)現(xiàn)，因此也加快了計(jì)算速度。

(2)基于TIN模型的煤炭資源儲量計(jì)算方法因是通過離散的鉆孔點(diǎn)等生成TIN，使得其特別適合于沒有底板等值線的村莊區(qū)域下煤炭資源壓覆量計(jì)算，亦適合于礦產(chǎn)勘探初期僅有有限離散鉆孔數(shù)據(jù)，還未制作底板等值線時(shí)的煤炭資源儲量初步估算。

(3)雖然文中基于TIN模型的煤炭資源儲量計(jì)算方法是通過離散點(diǎn)生成TIN，但等值線也可以生成TIN，從而可以將等值線轉(zhuǎn)換為TIN后再利用此法來計(jì)算煤炭資源儲量。

(4)雖然文中基于TIN模型的煤炭資源儲量計(jì)算方法擬合了煤層變化形態(tài)，去除了使用煤層平均煤厚和煤層平均傾角的弊端，但是當(dāng)鉆孔、控制點(diǎn)和采掘過程中實(shí)測的導(dǎo)線點(diǎn)等數(shù)據(jù)較少時(shí)，生成的TIN模型將無法很好擬合煤層，從而降低儲量計(jì)算精度。

[1] 丁安民.煤炭儲量計(jì)算方法的理論適用性研究[J].淮南礦業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,1998,18( 2)：14-18. Ding Anmin.Study on the theoretical suitability of the methods to estimate coal reserve[J].Journal of Huainan Mining Institute：Natural Science，1998,18( 2)：14-18.

[2] 鄧興升，劉文楷，王瑞芳.基于支持向量機(jī)的煤炭儲量精確算法[J].煤炭學(xué)報(bào),2008,33( 9)：1015-1019. Deng Xingsheng，Liu Wenkai，Wang Ruifang.An accurate algorithm for estimation of coal reserves based on support vector machine[J].Journal of China Coal Society,2008,33( 9)：1015-1019.

[3] 譚仁春,杜清運(yùn),楊品福,等.地形建模中不規(guī)則三角網(wǎng)構(gòu)建的優(yōu)化算法研究[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)：信息科學(xué)版,2006,31(5):436-439. Tan Renchun，Du Qingyun，Yang Pinfu，et al.Optimized triangulation arithmetic in modeling terrain[J].Journal of Wuhan University：Geomatics and Information Science，2006,31(5):436-439.

[4] 張治木,蔡寅峰.基于TIN和格網(wǎng)的DEM表面建模的比較[J].銅業(yè)工程,2005(2):8-10. Zhang Zhimu，Cai Yinfeng.Comparison of DEM surface modeling based on TIN and Grid[J].Copper Engineering，2005(2):8-10.

[5] 李春梅,景海濤.基于ArcGIS的土方量計(jì)算及可視化[J].測繪科學(xué),2010(2):186-187. Li Chunmei，Jing Haitao.Earth volume calculation and visualization based on ArcGIS[J].Science of Surveying and Mapping,2010(2):186-187.

[6] 沈 晶,劉紀(jì)平,林祥國,等.集成距離變換和區(qū)域鄰接圖生成Delaunay三角網(wǎng)的方法研究[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)：信息科學(xué)版,2012,37(8):1000-1003. Shen Jing，Liu Jiping，Lin Xiangguo，et al.A method for delaunay triangulation by integration of distance transformation and region adjacency graphic[J].Journal of Wuhan University：Geomatics and Information Science,2012，37(8):1000-1003.

(責(zé)任編輯 石海林)

Coal Resources Reserves Calculation Based on TIN

Zhang Wenbo Hu Haifeng Zhang Xueqin

(CollegeofMiningEngineering，TaiyuanUniversityofTechnology，Taiyuan030024，China)

Based on TIN model，the calculation method for coal resource reserve is built in order to calculate the coal resource reserves precisely.By using ArcGIS software，Delaunay TIN model based on the original borehole data is built，thus TIN model is converted into grid data according to the linear interpolation.After raster data operation and block map overlay，the coal volume of each block is calculated by the partition statistical techniques.Finally，reserves are calculated by the product of volume and density.Through example application，it is found that this method has obvious effect compared with the calculation results of the traditional segment method.In addition，this method is very applicable to resource reserve estimation and resource coverage quantity calculation under village during mineral exploratory period in the case that there is only borehole data of no coal floor seat such as contour line.

TIN，Resources reserves，GIS，Overlay analysis，Coal under villages

2015-02-04

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號：41301469)，山西省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號：2014011001-3)。

張文波(1988—)，男，碩士研究生。

TD177.3

A

1001-1250(2015)-04-278-04