基于鉆孔數(shù)據(jù)的礦區(qū)地質(zhì)模型構(gòu)建

李春生，李蘭勇，鄧連利

（1.內(nèi)蒙古煤田地質(zhì)局109勘探隊(duì)，內(nèi)蒙古呼倫貝爾021008；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué)，遼寧阜新123000；3.呼倫貝爾市大雁勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古呼倫貝爾021122）

基于鉆孔數(shù)據(jù)的礦區(qū)地質(zhì)模型構(gòu)建

李春生*1，李蘭勇2，鄧連利3

（1.內(nèi)蒙古煤田地質(zhì)局109勘探隊(duì)，內(nèi)蒙古呼倫貝爾021008；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué)，遼寧阜新123000；3.呼倫貝爾市大雁勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古呼倫貝爾021122）

以某露天礦區(qū)為研究對象，ArcGIS軟件為開發(fā)平臺，建立礦區(qū)鉆孔數(shù)據(jù)庫，采用基于層面的約束不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）建立露天礦地質(zhì)模型，并進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查，實(shí)現(xiàn)了地質(zhì)模型的三維顯示、煤層儲量計(jì)算、地質(zhì)層面模型屬性查詢、剖面圖繪制等功能，利用采場數(shù)字高程模型和礦區(qū)地質(zhì)模型進(jìn)行采剝離分類計(jì)算，為露天礦開采計(jì)劃編制奠定了基礎(chǔ)。

礦區(qū)地質(zhì)模型；TIN；ArcGIS

礦區(qū)地質(zhì)模型是礦區(qū)基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)的核心，以ArcGIS軟件為開發(fā)平臺，采用地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù)，建立礦區(qū)鉆孔數(shù)據(jù)庫，并在此基礎(chǔ)上采用基于層面的約束不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）建立露天礦地質(zhì)模型，實(shí)現(xiàn)了地質(zhì)模型的三維顯示、煤層儲量計(jì)算、地質(zhì)層面模型屬性查詢、剖面圖繪制等，利用采場數(shù)字高程模型和礦區(qū)地質(zhì)模型進(jìn)行采剝離分類計(jì)算。

1　鉆孔數(shù)據(jù)預(yù)處理與入庫

1.1鉆孔數(shù)據(jù)預(yù)處理

對礦區(qū)鉆孔測量成果和鉆孔煤層綜合成果數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，將鉆孔數(shù)據(jù)按照煤層編號進(jìn)行分層整理，提取滿足建立礦區(qū)地質(zhì)模型所包含勘探線號、鉆孔號、X坐標(biāo)、Y坐標(biāo)、頂板標(biāo)高、底板標(biāo)高、采用厚度、夾矸厚度和巖層厚度等信息，并以Excel文件格式存儲，建立基礎(chǔ)鉆孔數(shù)據(jù)。

1.2鉆孔數(shù)據(jù)入庫

基于ArcGIS軟件的Shape文件格式，設(shè)計(jì)鉆孔數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，采用ArcObjects編程的方式，將Excel文件存儲的基礎(chǔ)鉆孔數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)入到Shape文件格式的地理數(shù)據(jù)庫。見表1。

表1　鉆孔數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

2　數(shù)據(jù)質(zhì)檢

從原始地質(zhì)數(shù)據(jù)到地質(zhì)模型，要經(jīng)過一系列的數(shù)據(jù)處理，在這一過程中原始數(shù)據(jù)中的誤差會被傳播和放大。減少數(shù)據(jù)采集時(shí)的誤差引入是保證地質(zhì)模型精度的根本。

數(shù)據(jù)檢查包括數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)檢查、數(shù)據(jù)極值粗差檢查、數(shù)據(jù)邏輯關(guān)系檢查。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)檢查就是對建立的數(shù)據(jù)文件結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢查，以便核對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)錯(cuò)誤并進(jìn)行修改；數(shù)據(jù)極值檢查就是對建立的數(shù)據(jù)文件的有關(guān)項(xiàng)目的極大值、極小值進(jìn)行檢查，以保證數(shù)據(jù)不會發(fā)生大的偏差；數(shù)據(jù)邏輯關(guān)系檢查就是保證上下煤層之間不交叉、同一煤層頂板標(biāo)高大于底板標(biāo)高、煤巖結(jié)構(gòu)與煤芯煤樣分析結(jié)果一致等。

本文采用的粗差檢測算法是三維可視化粗差檢測技術(shù)與基于點(diǎn)方式的不規(guī)則DEM粗差檢測算法相結(jié)合的方法。

（1）三維可視化粗差檢測技術(shù)（圖1）。三維表面可視化粗差檢測的前提是要建立數(shù)字地面模型DTM，為了保證所有分析都是基于原始數(shù)據(jù)的，可選的辦法是直接利用原始數(shù)據(jù)建立不規(guī)則三角形網(wǎng)絡(luò)模型TIN，通過人機(jī)交互式檢測修正含有粗差的高程異常點(diǎn)。

圖1　三維可視化粗差檢測

（2）基于點(diǎn)方式的不規(guī)則DEM粗差檢測算法。此算法的過程大致如下：對待檢測點(diǎn)P，首先定義一個(gè)以P為中心的特定大小的窗口，然后計(jì)算窗口范圍內(nèi)所有點(diǎn)的一個(gè)“代表值”。這個(gè)值可被當(dāng)作P點(diǎn)的近似值或“真值”。通過比較P點(diǎn)的高程值與上述統(tǒng)計(jì)值可獲得高程差值。如果高差大于另一計(jì)算出來的閾值，則認(rèn)為P點(diǎn)含有粗差。

3　三維建模與展示

充分考慮到露天礦煤礦層狀礦床的的賦存特征和礦區(qū)的實(shí)際情況，本文采用基于層面的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來構(gòu)造礦床地質(zhì)模型。把礦區(qū)地質(zhì)模型看成是由地面、土巖界面、巖層界面、煤巖界面等若干具有界面的組合，每個(gè)界面可以通過勘探鉆孔數(shù)據(jù)以及一些虛擬鉆孔數(shù)據(jù)，利用不規(guī)則三角形網(wǎng)構(gòu)網(wǎng)技術(shù)來形成界面模型，同時(shí)采用同樣的技術(shù)還可以把不同層面的巖性、煤質(zhì)進(jìn)行建模，最后把所有的界面模型統(tǒng)一進(jìn)行格網(wǎng)化，建立整個(gè)礦床的各個(gè)界面的格網(wǎng)模型，在此基礎(chǔ)上，即可實(shí)現(xiàn)地質(zhì)模型的三維可視化和各種礦量的精確計(jì)算。

以斷層線為約束條件的TIN模型建立（圖2）。由于斷層的形狀和空間分布很復(fù)雜，既存在無推演關(guān)系的正斷層，也存在有推演關(guān)系的逆斷層，如何使用TIN來反映地質(zhì)體的真實(shí)賦存形狀，是問題的關(guān)鍵。

圖2　基于鉆孔數(shù)據(jù)的TIN建立流程圖

（1）單一正斷層。對于單一正斷層，其上盤相對于下盤沿著斷裂面向下移動，通過等高線圖可以看到兩者的位置并沒有發(fā)生變化，將斷層數(shù)據(jù)嵌入后形成的三角網(wǎng)完全可以表示其模型，因此不需要進(jìn)行斷層影響區(qū)域的局部構(gòu)TIN和其他處理。

（2）單一逆斷層。對于單一逆斷層，因?yàn)槟鏀鄬拥纳媳P沿?cái)嗔衙嫦鄬τ谙卤P向上移動，上盤上升，上下盤相對錯(cuò)動，這樣，在等高線圖上可以看到上下盤的位置與實(shí)際位置相比發(fā)生交換，將斷層數(shù)據(jù)嵌入TIN模型后所形成的三角網(wǎng)并不能完全表示其形態(tài)，為了解決這一問題，需要在斷層的影響區(qū)域內(nèi)，分別以上下盤數(shù)據(jù)和其在空間實(shí)際相連接的點(diǎn)數(shù)據(jù)重新分區(qū)，然后局部構(gòu)TIN。

4　三維分析與應(yīng)用

4.1三維空間分析

三維空間分析主要實(shí)現(xiàn)煤層儲量計(jì)算、地質(zhì)層面模型屬性查詢和剖面圖繪制。

（1）煤層儲量計(jì)算。儲量計(jì)算的方法有很多種，本文采用多角形法計(jì)算煤層的儲量。多角形法原理：計(jì)算出每一個(gè)見煤點(diǎn)所控制的塊內(nèi)的煤儲量。每一個(gè)勘查區(qū)內(nèi)有多個(gè)見煤點(diǎn)，把相鄰的最近見煤點(diǎn)連起來取其垂直平分線的交點(diǎn)，形成以見煤點(diǎn)為中心的多角形（泰森多邊形），多角形的面積乘以見煤點(diǎn)的采用厚度和容重，即可得到見煤點(diǎn)所控制的面積內(nèi)煤層的儲量，將用戶圈定范圍的所有見煤點(diǎn)的所有多角形的儲量求和運(yùn)算得到煤層的總儲量，該方法的優(yōu)點(diǎn)是算法簡單、運(yùn)算速度快，同時(shí)可以計(jì)算巖層儲量和夾矸儲量以及煤層的其他指標(biāo)等等。利用此方法對全礦的各煤層可時(shí)時(shí)進(jìn)行儲量計(jì)算（圖3）。

（2）地質(zhì)層面模型屬性查詢。查詢地表模型屬性、任意煤層層面模型的任意點(diǎn)屬性信息（X、Y坐標(biāo)，煤層編號，煤層頂、底板標(biāo)高，煤層厚度、巖層厚度、夾矸厚度等）。

圖3　儲量計(jì)算結(jié)果示意圖

圖4　地質(zhì)層面模型屬性查詢結(jié)果

地質(zhì)層面模型的屬性查詢結(jié)果如圖4所示，藍(lán)色圓點(diǎn)表示鼠標(biāo)點(diǎn)中的地方，也就是查詢點(diǎn)。按照從上到下的順序列出該點(diǎn)在每個(gè)煤層的頂?shù)装鍢?biāo)高，煤層采用厚度、夾矸厚度、巖層厚度。

（3）剖面圖繪制。該功能實(shí)現(xiàn)在三維TIN表面上內(nèi)插一條直線，生成相應(yīng)的剖面圖并顯示。

4.2露天礦地質(zhì)模型應(yīng)用

采用數(shù)字地面模型方法進(jìn)行露天礦采剝量的分類計(jì)算，自動化程度高，精度可靠。根據(jù)每月驗(yàn)收測量后生成的地表DEM模型，通過不同時(shí)刻2個(gè)DEM模型，做一次差值運(yùn)算，就可以準(zhǔn)確計(jì)算出這個(gè)時(shí)間段的采剝量，結(jié)合礦區(qū)地質(zhì)模型，采用GIS的地理空間疊置分析方法，分類計(jì)算出土、巖、煤的體積或重量（圖5）。

圖5　采剝量計(jì)算剖面示意圖

5　結(jié)論

（1）根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用的角度，采用地理信息系統(tǒng)技術(shù)，建立礦區(qū)地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù)庫，采用基于層面的約束不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）建立露天礦地質(zhì)模型，并進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查，實(shí)現(xiàn)了地質(zhì)模型的三維顯示、煤層儲量計(jì)算、地質(zhì)層面模型屬性查詢、剖面圖繪制等功能。

（2）利用采場數(shù)字高程模型和礦區(qū)地質(zhì)模型進(jìn)行采剝離分類計(jì)算，計(jì)算出土、巖、煤的體積或重量，實(shí)現(xiàn)了各種量值的計(jì)算，為露天礦開采計(jì)劃編制奠定了基礎(chǔ)。

［1］蘭小機(jī)，劉德兒.基于ArcObjects與C#.NET的GIS應(yīng)用開發(fā)［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2011.

［2］吳立新，史文中.地理信息系統(tǒng)原理與算法［M］.北京：科學(xué)出版社，2003.

［3］宋偉東，等.露天礦采場時(shí)空數(shù)據(jù)模型的構(gòu)建與應(yīng)用［J］.測繪工程，2009（3）.

［4］肖漢金，等.約束條件下露天礦精細(xì)DEM的建模方法研究［J］.測繪科學(xué)，2008（6）.

P54

A

1004-5716（2016）07-0099-03

2015-06-24

李春生（1960-），男（漢族），內(nèi)蒙古呼倫貝爾人，高級工程師，現(xiàn)從事礦山勘探、測繪開發(fā)工作。