關(guān)于數(shù)字礦山中三維地質(zhì)建模方法及應(yīng)用研究

曲鑫

摘 要：3D地質(zhì)創(chuàng)模是建立數(shù)字礦山的重要前提條件，為礦業(yè)發(fā)展提供了新的機遇與動力，同時也遇到了很多急需處理的難題。本文根據(jù)礦山數(shù)據(jù)特征和數(shù)字礦山建立目標(biāo)，本文詳細(xì)分析了3D地質(zhì)創(chuàng)模的體系結(jié)構(gòu)，并闡述了數(shù)字礦山中3D地質(zhì)創(chuàng)模方式的使用。

關(guān)鍵詞：數(shù)字礦山；三維地質(zhì)創(chuàng)模；體系結(jié)構(gòu)；應(yīng)用分析

中圖分類號：TP391.41 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）11-0189-01

因3D空間信息采集存在艱難性與地質(zhì)體繁瑣性特征，3D地質(zhì)模擬通常是經(jīng)分析、解釋、推斷、內(nèi)插與外推等創(chuàng)建地質(zhì)模型。針對石油項目的三維地質(zhì)創(chuàng)模能使用大量地震剖面信息，而數(shù)字礦山創(chuàng)建環(huán)節(jié)，因取樣信息稀疏、數(shù)字模型不統(tǒng)一和缺少指導(dǎo)地質(zhì)創(chuàng)模的有效規(guī)則等，導(dǎo)致對地質(zhì)信息及概念的表述非常困難，不確定性現(xiàn)象尤為突出，影響到3D地質(zhì)模型的質(zhì)量管理及評估。三維創(chuàng)模的各環(huán)節(jié)均可能存在不確定性因素，如不同的檢測信息格式、分布和不同的創(chuàng)模觀念、模型、參數(shù)選擇等均可能影響到創(chuàng)模進(jìn)程，通常導(dǎo)致無法準(zhǔn)確地明確研究物體的空間分布和各種屬性，怎樣在各環(huán)節(jié)展開不確定性研究并有效避免不確定性的擴展是尚待處理的重要問題。

1 三維地質(zhì)創(chuàng)模體系結(jié)構(gòu)

在生態(tài)資源評價與風(fēng)險評估等研究過程中，經(jīng)收集戶外與地下信息建立3D地質(zhì)模式是個很關(guān)鍵的工作。但是，現(xiàn)有的探究成果和3D創(chuàng)模目標(biāo)間還存在很大的差異。很多研究只是停留于實驗室階段。本文針對三維地質(zhì)創(chuàng)模系統(tǒng)展開詳細(xì)分析，其基本流程是：

（1）采用地質(zhì)信息收集與處理設(shè)備，經(jīng)本地和遠(yuǎn)程服務(wù)采集信息。數(shù)字礦山具有多元化特征，經(jīng)信息采集、整理劃分、分析及推斷判別等過程，對數(shù)字礦山加以解釋和判別，成為3D地質(zhì)創(chuàng)模的關(guān)鍵依據(jù)，這是一件專業(yè)性、技術(shù)性很強的工作。（2）結(jié)合資料解釋和判別結(jié)果，劃分研究范圍的地質(zhì)信息，借助接口引擎引入多源地質(zhì)資料，并根據(jù)三維地質(zhì)創(chuàng)模系統(tǒng)規(guī)定的信息格式，實現(xiàn)信息的矢量化、參量域轉(zhuǎn)變、增補信息、信息校驗檢測與修正等多種信息耦合處理[1]。因空間地質(zhì)信息的來源、格式、呈現(xiàn)模式、量綱等存在多元性，信息不完整性與不統(tǒng)一性成為其最嚴(yán)重的問題，并極大影響到地質(zhì)創(chuàng)模的質(zhì)量。通過耦合處理后的信息會作為3D創(chuàng)模的依據(jù)。（3）對經(jīng)接口引擎引入的多源地質(zhì)信息進(jìn)行歸一化、除噪與編碼等處理，使其實現(xiàn)一體化，為闖進(jìn)科學(xué)的地質(zhì)模型帶來有效的信息及科學(xué)依據(jù)。（4）里用點建模、線框建模、表面建模、體元建模和混合建模方法，分別創(chuàng)建地面模型、地層模型、斷面模型、礦身模型、屬性模型、項目模型、礦山制造設(shè)備模型等[2]。若干種建模方式集成需要處理的關(guān)鍵問題有：空間插值方式、斷層或礦身等繁瑣地質(zhì)體空間布局的不確定性與創(chuàng)模方式、表面結(jié)構(gòu)的無縫銜接和體元構(gòu)模準(zhǔn)確性等。（5）在多辨別率可視化條件下，根據(jù)空間數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查模型，通過研究3D地質(zhì)創(chuàng)模流程每個環(huán)節(jié)中干擾空間信息質(zhì)量的因素，展開定量及定性統(tǒng)一評估，并允許追溯到（1）-（3），實施偏差檢測和分析校準(zhǔn)。（6）對創(chuàng)建的模型實施質(zhì)量檢測和修正后，能提供給地質(zhì)開發(fā)者利用。實現(xiàn)地質(zhì)實況模擬、項目開挖模擬、生態(tài)環(huán)境模擬、開采計劃設(shè)計、資源儲量預(yù)算、等值線獲取、空間信息查詢、信息庫查詢、信息挖掘等多維信息分析。當(dāng)前，有些操作也會采取質(zhì)量檢查研究機制，若發(fā)現(xiàn)問題，也能追溯到（1）（3），實施偏差校正，以充分確保模型的穩(wěn)定性。（7）3D地質(zhì)創(chuàng)模在數(shù)字礦山中的使用涉及地下水模擬、礦山品位與儲量估算、測控與開挖輔助設(shè)計等。當(dāng)前的研究成果與軟件廣泛注重空間3D表示手段，不能提供科學(xué)的輔助處理設(shè)計及決策支撐，處理礦山實際事件的能力與深度尚待提升。

2 三維地質(zhì)創(chuàng)模在數(shù)字礦山中的使用

在數(shù)字礦山開發(fā)中，3D地質(zhì)創(chuàng)模的基本流程為：創(chuàng)建一模擬一校正。以3D地質(zhì)模型為前提，展開資源儲量預(yù)算、礦山規(guī)劃和設(shè)計、優(yōu)化開采計劃、數(shù)字礦山綜合化顯示及監(jiān)控、風(fēng)險評估，提供礦山勘察、復(fù)墾等多種決策依據(jù)，給礦山開發(fā)各環(huán)節(jié)的任務(wù)提供科學(xué)的技術(shù)支撐，增大礦山開挖效率。

（1）3D地質(zhì)創(chuàng)模。通過礦山勘探采集多源數(shù)據(jù)，采取多源信息耦合、多種創(chuàng)模方式集成、多辨別率可視化及檢測等途徑，創(chuàng)建礦山的3D地質(zhì)模型。（2）礦體資源模擬和預(yù)測。經(jīng)鉆孔模型分析與虛擬開采井的虛擬，明確礦床布局；礦體產(chǎn)狀朝著研究區(qū)外擴展，預(yù)算資源量；統(tǒng)一分析和評估礦床品位、布局及儲量等。（3）數(shù)字礦山規(guī)劃與設(shè)計。經(jīng)研究礦產(chǎn)資源布局、儲量等狀況，并模擬采礦過程，編制出采礦方案、開采進(jìn)度、生產(chǎn)管理策略及優(yōu)化控制等，促進(jìn)數(shù)字礦山規(guī)劃及設(shè)計工作的順利開展，由此減小開采風(fēng)險與采礦費用，加大回采率。在全面論證其可行性的同時，能實施礦山實際開采。（4）仿真場景可視化綜合。把三維MAX或AutoCAD等系統(tǒng)建立的采掘項目、防排水結(jié)構(gòu)、機電設(shè)施、監(jiān)控設(shè)施、地面廠房、交通設(shè)備等3D模型，經(jīng)調(diào)換接口，和3D地質(zhì)模型實現(xiàn)無縫統(tǒng)一，實現(xiàn)仿真數(shù)字礦山地面、地下的統(tǒng)一化顯示；另外，因開采環(huán)節(jié)可能揭露了新的或再次解釋了現(xiàn)存的結(jié)構(gòu)、礦體等，要求由此校正3D地質(zhì)模型，而且，也要進(jìn)一步把新出現(xiàn)的地下采空范圍、巷道等信息錄入到模型內(nèi)。（5）集中數(shù)字化信息控制。針對復(fù)雜的礦山采礦，創(chuàng)建測控、員工定位、通迅聯(lián)絡(luò)和安全運作狀態(tài)等集中信息的網(wǎng)絡(luò)化預(yù)警機制，為礦山穩(wěn)定生產(chǎn)管理帶來決策依據(jù)，防止重大安全故障與員工傷亡[3]。（6）災(zāi)害仿真評估、對礦井冒水、瓦斯爆炸等災(zāi)害問題進(jìn)行虛擬、預(yù)測和評估；對地表坍塌或開裂程度及范圍等展開模擬分析；分析和評估采空區(qū)的穩(wěn)固性，為礦井災(zāi)害預(yù)防提供依據(jù)，若出現(xiàn)類似災(zāi)害應(yīng)當(dāng)及時對3D地質(zhì)模型實施局部校正。（7）礦山環(huán)境復(fù)原出理。結(jié)合模擬預(yù)測于礦山開發(fā)階段所產(chǎn)生的環(huán)境地質(zhì)現(xiàn)象及災(zāi)害，建立出礦山地質(zhì)條件的修復(fù)出理措施，為數(shù)字礦山地質(zhì)區(qū)域保護(hù)和復(fù)墾帶來定量化的有效依據(jù)。

3 結(jié)語

國內(nèi)礦山由勘察、規(guī)劃、設(shè)計、開采、管理至監(jiān)控等數(shù)字礦山創(chuàng)建依舊處在起步過程，其中，3D地質(zhì)創(chuàng)模是促進(jìn)數(shù)字礦山建立的重要條件，為礦山行業(yè)的發(fā)展提供了新的機遇及動力，同時也帶來了很多急需處理關(guān)鍵性技術(shù)問題。

科學(xué)合理的使用三維地質(zhì)創(chuàng)模系統(tǒng)，可充分使用礦山信息，在空間數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測管理下，經(jīng)模擬現(xiàn)實、可視化等方法建立科學(xué)的3D模型、對地下資源加以科學(xué)解釋與評估，為數(shù)字礦山發(fā)展提供有效支撐。該系統(tǒng)還適合在地質(zhì)、石油、城市及水利等各個領(lǐng)域的地質(zhì)環(huán)境調(diào)查、3D地質(zhì)創(chuàng)模及應(yīng)用等過程中，為各學(xué)科的協(xié)調(diào)建立一個共享的數(shù)字系。

通過長時間的探究，國內(nèi)外已有諸多的研究成果及商業(yè)化結(jié)構(gòu)，但在礦山現(xiàn)存的勘探環(huán)境，怎樣提升3D地質(zhì)模型及資源模擬準(zhǔn)確度、科學(xué)評估空間數(shù)據(jù)可信度，和怎樣指導(dǎo)數(shù)字礦山的規(guī)劃與設(shè)計工作、加大災(zāi)害模擬評估的精準(zhǔn)性，為安全控制帶來有效的決策依據(jù)，增加礦山生產(chǎn)率等，依舊是3D地質(zhì)創(chuàng)模領(lǐng)域急需深入思考與研究的問題。

參考文獻(xiàn)

[1]周鄧.基于3Dmine的鄒家山鈾礦床三維地質(zhì)模型的構(gòu)建[D].東華理工大學(xué)，2016.

[2]李青元，馬梓翔，崔揚，陳春梅，董前林.Geo3DML在三維地質(zhì)建模中的應(yīng)用研究與建議[J].地質(zhì)學(xué)刊，2015，39（03）：358-366.

[3]曾夢秋.基于鉆孔數(shù)據(jù)的三維地層模型建立及工程應(yīng)用研究[D].武漢工程大學(xué)，2014.