露天煤礦三維地質(zhì)地形建模、可視化及應(yīng)用研究

王麗英，劉 紅

（1.遼寧工程技術(shù)大學 測繪與地理科學學院，遼寧 阜新 123000；2.神華和利時信息技術(shù)有限公司，北京 100011）

近年來，三維地質(zhì)建模（3D Geoscience Modeling，3DGM）己引起地質(zhì)、采礦、巖土工程等諸多領(lǐng)域的日益重視。相對于傳統(tǒng)的二維地質(zhì)數(shù)據(jù)表示方法，三維模型能夠完整準確地表達復雜地質(zhì)現(xiàn)象的邊界條件及地質(zhì)體內(nèi)含的各種地質(zhì)構(gòu)造，直觀地再現(xiàn)地質(zhì)單元的空間展布及其相互關(guān)系，最大限度地提高地質(zhì)分析的直觀性和準確性［1］。3DGM的概念最早由加拿大學者Simon W.Houlding于1993年提出［2］。所謂3DGM，就是運用計算機技術(shù)，在三維環(huán)境下將空間信息管理、地質(zhì)解譯、空間分析和預測、地質(zhì)統(tǒng)計學、實體內(nèi)容分析以及圖形可視化等工具結(jié)合起來，并用于地質(zhì)分析的技術(shù)。

隨著三維地質(zhì)建模和可視化［3－15］軟件的發(fā)展，計算機己在各行各業(yè)得到了充分的應(yīng)用，并己成為人們處理各種事務(wù)和工作的必不可少的工具。雖然地理信息系統(tǒng)己經(jīng)在地質(zhì)學領(lǐng)域取得了廣泛的應(yīng)用，但是在露天煤礦方面的應(yīng)用比較少，有一些難以解決的本質(zhì)問題，主要是因為露天煤礦地質(zhì)條件的復雜性和對于地下三維地質(zhì)體模型的數(shù)學建模沒有較好的解決方案。本文以國內(nèi)某大型露天煤礦為研究對象，以GIS為核心技術(shù)，基于SDE、GeoDatabase和Oracle平臺，建立基礎(chǔ)地理地質(zhì)空間數(shù)據(jù)庫，在此基礎(chǔ)上開發(fā)三維地形地質(zhì)建模GIS系統(tǒng)，實現(xiàn)地質(zhì)模型的動態(tài)三維展示和空間查詢、任意剖面圖繪制、采剝量分類計算和儲量計算、模型實時更新等功能，為露天開采設(shè)計奠定基礎(chǔ)，為礦上人員提供高效便捷的服務(wù)。

1 露天礦三維地形地質(zhì)建模GIS系統(tǒng)的實現(xiàn)

1.1 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

1.1.1 空間數(shù)據(jù)庫技術(shù)

依托ArcInfo提供的SDE、GeoDatabase以及Oracle來實現(xiàn)多種類型、多種來源、多種空間數(shù)據(jù)的集成建庫。

屬性數(shù)據(jù)庫主要存儲建模用到的基礎(chǔ)鉆孔數(shù)據(jù)、煤質(zhì)數(shù)據(jù)、儲量數(shù)據(jù)等結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，系統(tǒng)通過Oracle數(shù)據(jù)庫接口訪問屬性數(shù)據(jù)庫。

空間數(shù)據(jù)庫主要存放各類包含空間位置的基礎(chǔ)圖層、模型數(shù)據(jù)、圖件數(shù)據(jù)和地形數(shù)據(jù)等。系統(tǒng)通過ArcSDE空間數(shù)據(jù)庫引擎訪問空間數(shù)據(jù)庫。

1.1.2 地形地質(zhì)建模技術(shù)

目前，對于地質(zhì)層面模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)主要有2種方式：規(guī)則格網(wǎng)Grid和不規(guī)則三角網(wǎng)TIN。針對露天礦實際賦存情況本文采用不規(guī)則三角網(wǎng)TIN算法建立地質(zhì)層面模型。

把三維礦床地質(zhì)模型看成是由地表面、土巖界面、巖層界面、煤巖界面等若干界面的組合。每個界面根據(jù)勘探鉆孔、地質(zhì)寫實等離散點數(shù)據(jù)提取出各地質(zhì)體頂?shù)仔畔ⅲㄟ^插值以及擬合算法增加數(shù)據(jù)密度，并利用地質(zhì)統(tǒng)計學估值算法（構(gòu)建TIN），生成各地質(zhì)體層面模型。根據(jù)三維地形模型、構(gòu)造信息優(yōu)化地質(zhì)層面模型，在層面模型基礎(chǔ)上拉伸構(gòu)建地質(zhì)體模型。通過此方法形成動態(tài)、高效、高精度的露天礦三維地形模型、地質(zhì)層面模型（煤巖土各界面模型），展示礦區(qū)地形地貌、煤巖層賦存特征三維形態(tài)、三維空間關(guān)系，以此作為整個項目各種數(shù)據(jù)算量和優(yōu)化的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)模型。

1.2 露天礦三維地形地質(zhì)模型的建立

1.2.1 基于地形等高線的三維地形模型

以原始地形等高線（等高距2m，DWG格式）為基礎(chǔ)建模數(shù)據(jù)，進行粗差檢測，剔除異常高程點；以等高線高程數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以等高線為約束條件，采用帶有約束的建模算法，三角網(wǎng)不可以穿過等高線生成，不能出現(xiàn)地形溝壑被填平的現(xiàn)象，保證地形DEM的準確性與真實性，如圖1所示。

圖1 地形模型三維效果圖

對等高線賦予三維高程信息，根據(jù)礦區(qū)的勘探邊界和準確的等高線數(shù)據(jù)生成地表TIN模型。

1.2.2 基于勘探鉆孔數(shù)據(jù)的三維地質(zhì)模型

以勘探鉆孔數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，經(jīng)過嚴格的數(shù)據(jù)檢查，包括數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)檢查、數(shù)據(jù)邏輯關(guān)系檢查、數(shù)據(jù)粗差檢查，通過插值擬合處理，建立巖石頂板面模型、煤層頂?shù)装迕婺Ｐ?，并按照空間位置關(guān)系進行無縫拼接，建立地層實體模型，如圖2所示。

圖2 地質(zhì)模型三維效果圖

1.2.3 基于鉆孔采樣數(shù)據(jù)的煤質(zhì)指標模型

本研究中，根據(jù)勘探鉆孔和生產(chǎn)鉆孔的原始煤質(zhì)采集數(shù)據(jù)，對毛煤和原煤的Ad（干燥基灰分）、Mad（空氣干燥基水分）、Mt（全水分）、Qnet、ar（收到基低位發(fā)熱量）等離散勘探鉆孔、生產(chǎn)地質(zhì)鉆孔以及補勘鉆孔的煤質(zhì)數(shù)據(jù)，采用合適的空間估值算法，通過生成毛煤、原煤等各煤質(zhì)指標的柵格模型，如圖3所示。

圖3 灰分煤質(zhì)模型三維效果圖

1.2.4 三維地形地質(zhì)模型動態(tài)更新

隨著實際生產(chǎn)的進行，礦區(qū)地表模型會因為地表巖土的剝離與堆積而隨之改變，所以利用每月的采場DEM更新地表模型（見圖4），實施展示礦區(qū)的位置與剝離情況，對實際生產(chǎn)也將起到重要的指導意義。另一方面，隨著實際生產(chǎn)的進行，露天礦甚至直接把上覆巖土層剝離使之露出地面，這樣就必須根據(jù)實際需要對該煤巖層進行修復更新，使原來的三維模型更大程度上符合實際生產(chǎn)情況。

圖4 地表（上）、煤巖層（下）模型更新示意圖

2 地形地質(zhì)三維GIS系統(tǒng)的可視化應(yīng)用研究

基于三維地形地質(zhì)GIS系統(tǒng)，實現(xiàn)地質(zhì)層面模型的三維旋轉(zhuǎn)展示、平移、縮放、地質(zhì)層面模型屬性查詢、繪制鉆孔柱狀圖、繪制任意方向剖面圖、煤層等高線、煤巖層對比圖等基本地質(zhì)圖件地質(zhì)模型更新和煤層儲量分類計算等基本功能，為露天礦開采計劃提供強有力的技術(shù)保障，有助于指導科學規(guī)劃、合理生產(chǎn)進行輔助決策，同時也為露天礦工作人員提供高效便捷服務(wù)。

2.1 煤質(zhì)預報

基于煤質(zhì)指標模型和地質(zhì)模型，分析各煤層以及實際開采空間范圍的煤質(zhì)變化情況，實現(xiàn)露天礦生產(chǎn)過程中的煤質(zhì)預報和監(jiān)控，為開采計劃和實際生產(chǎn)提供指導。煤質(zhì)預報的主要表現(xiàn)形式為：煤質(zhì)等值線圖（見圖5）和煤質(zhì)區(qū)域統(tǒng)計分析報表（見圖6）。

2.2 儲量計算與自動統(tǒng)計

目前，現(xiàn)有儲量系統(tǒng)多存在只有臺帳、報表管理系統(tǒng)，沒有實現(xiàn)圖形繪制算量，沒有實現(xiàn)報表與圖形關(guān)聯(lián)等缺點。本研究中的儲量管理模塊最主要的特點就是圖數(shù)結(jié)合（見圖7）。圖數(shù)結(jié)合就是將圖形與數(shù)據(jù)統(tǒng)一起來，圖形不再是單純的圖形，數(shù)據(jù)也不再脫離圖形而單獨存在。圖形包含了空間數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)蘊含在圖形之內(nèi)，二者做到了有機的統(tǒng)一。

2.3 采剝量分類計算模型

采剝量分類計算是根據(jù)每月驗收測量的數(shù)據(jù)，可以按時間序列生成一系列的采場（排土場）的DEM模型，通過不同時刻DEM模型，作一次差值運算，就可以準確計算出這個時間段的采剝量，再結(jié)合地質(zhì)模型采用GIS的地理空間疊置分析方法，就能夠分類計算出土、巖、煤的體積或重量，如圖8所示。

2.4 專題圖件管理

利用露天礦空間庫中收集存儲的勘探線、鉆孔等數(shù)據(jù)，結(jié)合三維地形地質(zhì)（地質(zhì)層面、構(gòu)造）模型，生成剖面圖（見圖9）、鉆孔柱狀圖、等值線圖、等厚線圖、煤巖層對比圖等地質(zhì)圖件。

3 結(jié)束語

露天煤礦地形地質(zhì)三維GIS系統(tǒng)從露天生產(chǎn)實際應(yīng)用角度出發(fā)，以地形、地質(zhì)勘探數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，借助于GIS強大的空間數(shù)據(jù)庫管理和空間分析功能，建立三維地質(zhì)地形模型，打破傳統(tǒng)CAD系統(tǒng)圖數(shù)分離的局限性，開發(fā)三維礦床模型可視化系統(tǒng)，表達礦區(qū)地形及煤巖層真實賦存特征，系統(tǒng)具有良好的通用性，操作簡單、界面友好，實現(xiàn)三維地形地質(zhì)模型的任意瀏覽、查詢、剖面圖繪制、儲量分類計算、地質(zhì)模型的實時動態(tài)更新等功能，為儲量計算和煤質(zhì)分析、采礦設(shè)計、計劃編制等提供基本模型數(shù)據(jù)支持。

［1］陳學習，吳立新，車德福，等.基于鉆孔數(shù)據(jù)的含斷層地質(zhì)體三維建模方法［J］.煤田地質(zhì)與勘探，2005，33（5）：5－8.

［2］Houlding S W.3D Geoseience Modeling：Computer Techniques for Geological characterition［M］.Berlin：SPringer－Veriag，1994.

［3］段立莉.露天煤礦三維地質(zhì)建模及其可視化研究—以霍林河南礦為例［D］.西安：煤炭總院西安研究院，2008.

［4］張菊明.三維地質(zhì)模型的設(shè)計和顯示［J］.中國數(shù)學地質(zhì)進展，1995（7）：189－195.

［5］陳健.三維地層信息系統(tǒng)的建模與分析研究［D］.武漢：中國科學院武漢巖土力學研究所，2001.

［6］吳立新，張瑞新，戚宜欣，等.三維地學模擬與虛擬礦山系統(tǒng)［J］.測繪學報，2002，31（1）：28－33.

［7］齊安文，昊立新，李冰，等.一種新的三維地學空間構(gòu)模方法：類三棱柱法［J］.煤炭學報，2002，27（2）：158－163.

［8］Wu L X.A Generalized Tri－Prism Model for 3D Geoseienees Modeling and To Pologieal Desceription［C］.Workshop on Advanced GIS.Hongkong，PolyU，2002.

［9］Wu L X.Topological relations included generalized triprism 3D＆GeoScienees［C］.geosctences modelling.Computers.2003.

［10］陳昌彥，張菊明，杜永廉，等.邊坡工程地質(zhì)信息的三維可視化及其在三峽船閘邊坡工程中的應(yīng)用［J］.巖土工程學報，1998，20（4）：1－6.

［11］柴賀軍，黃地龍，黃潤秋，等.巖體結(jié)構(gòu)三維可視化及其工程應(yīng)用研究［J］.巖土工程學報，2001（2）：217－220.

［12］Liu D A，Zhang J M，Wang S J.Constrained fitting of faulted bedding planes for three－dimensional geologieal modelling.Advances in Engineering Software［J］.2002（33）：817－824.

［13］張菊明.三維地質(zhì)模型的設(shè)計和顯示［M］.中國數(shù)學地質(zhì)進展，北京：地質(zhì)出版社，1995：158－167.

［14］張菊明，孫惠文.局部間斷擬合函數(shù)在地質(zhì)曲面分析和顯示中的應(yīng)用［M］.中國數(shù)學地質(zhì)進展，北京：地質(zhì)出版社，1995：14－23.

［15］陳漢章，劉紅.露天煤礦地質(zhì)體層面模型及可視化應(yīng)用研究［J］.山西煤炭管理干部學院學報，2010（4）：170－171.