基于Surpac軟件的礦區(qū)三維地質(zhì)體建模

張學(xué)強(qiáng)，劉亞靜

(華北理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063000)

地質(zhì)體的三維形狀模型及其構(gòu)建過(guò)程可以廣泛用來(lái)幫助分析那些形狀結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜的、非均質(zhì)的各種形狀地質(zhì)體[1]。運(yùn)用三維地質(zhì)建模技術(shù)，三維立體化的地質(zhì)體模型能夠精準(zhǔn)而又形象地構(gòu)建出來(lái)，進(jìn)而有效地表達(dá)出地下地質(zhì)體的三維地質(zhì)空間展布，使各地質(zhì)體之間的相互關(guān)系得到更加清晰的呈現(xiàn)，這對(duì)于相關(guān)人員開(kāi)展地質(zhì)研究十分有利。三維地質(zhì)的建模技術(shù)在近幾十年的發(fā)展非?？?，許多地質(zhì)工作者在進(jìn)行地質(zhì)研究的過(guò)程中，對(duì)三維地質(zhì)建模的關(guān)注度很高，并進(jìn)行了大量實(shí)踐上的工作，在相關(guān)研究上得到了許多成果。

目前的三維建模大多表達(dá)為地質(zhì)體中礦體的三維建模，針對(duì)的大多為成礦預(yù)測(cè)與找礦問(wèn)題，整個(gè)地質(zhì)體分析的三維建模表達(dá)不多，但這對(duì)于后續(xù)工程項(xiàng)目的研究十分重要，必不可少。同時(shí)它也存在一些技術(shù)問(wèn)題，由于目前存在各種地質(zhì)結(jié)構(gòu)的高度復(fù)雜性、地質(zhì)現(xiàn)象的高度不確定性、地質(zhì)數(shù)據(jù)的高度海量性，導(dǎo)致地質(zhì)體三維動(dòng)態(tài)模型快速地構(gòu)建、表達(dá)和進(jìn)行動(dòng)態(tài)模型更新都具有一定困難[2]。因此，加快地質(zhì)體三維模型構(gòu)建及更新地質(zhì)模型構(gòu)建技術(shù)，探索相應(yīng)方法解決當(dāng)前地礦資源勘查處理工作中普遍存在的許多地質(zhì)體模型建模困難的實(shí)際問(wèn)題，使用適宜的地質(zhì)建模處理軟件，從而更好地實(shí)現(xiàn)三維模型地質(zhì)體地層結(jié)構(gòu)和地質(zhì)成分的基本表達(dá)形式可視化、分析結(jié)果可視化和工作過(guò)程管理可視化十分重要。

地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)是研究同時(shí)具有隨機(jī)性與結(jié)構(gòu)性，或空間相關(guān)性與依賴性的自然現(xiàn)象的一門科學(xué)。針對(duì)形成原因不同、礦物類型不同的礦山，地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)估值方法各有不同，構(gòu)建礦體三維模型經(jīng)常運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ?、綜合地質(zhì)特征、地球物理化學(xué)特征等方式結(jié)合的方式。運(yùn)用地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法建立的三維地質(zhì)模型，對(duì)于提高目標(biāo)礦床地質(zhì)礦產(chǎn)資源勘查水平、實(shí)現(xiàn)礦山保有資源儲(chǔ)量可視化與定量化有重要意義[3]。同時(shí)對(duì)探礦以及開(kāi)采能夠提供便利，減少開(kāi)發(fā)成本，對(duì)優(yōu)化礦山持續(xù)勘探成本都有著重要的意義。

本文基于已有的鉆孔數(shù)據(jù)，進(jìn)行地質(zhì)體三維建模，提高各種類型地質(zhì)體三維模型的構(gòu)建效率，構(gòu)建更具靈活性。這有利于三維地質(zhì)建模理論的發(fā)展，同時(shí)這對(duì)其方法的開(kāi)展具有重要意義。同時(shí)，為復(fù)雜深層內(nèi)部地質(zhì)體的測(cè)量資料進(jìn)行全方位和科學(xué)化的查看、度量、統(tǒng)計(jì)、分析以及研究利用提供了重要數(shù)學(xué)數(shù)據(jù)模型以及理論數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，使地下深層內(nèi)部的復(fù)雜地質(zhì)體直觀而又準(zhǔn)確地展示了出來(lái)，包括地質(zhì)體礦體的內(nèi)部深層空間結(jié)構(gòu)及其形態(tài)，并且反映出各個(gè)礦體之間的相互關(guān)系，為諸多采礦工程應(yīng)用項(xiàng)目的施工設(shè)計(jì)規(guī)劃實(shí)施以及管理研究提供重要數(shù)據(jù)參考。

1 地質(zhì)概況

本文研究鐵礦為接觸交代矽卡巖型磁鐵礦床，礦體產(chǎn)于結(jié)晶灰?guī)r或大理巖層間裂隙中，走向延長(zhǎng) 435 m，寬度為 50～100 m，平均厚度 10～44.20 m。礦體形態(tài)以透鏡狀為主，局部呈“帽狀”，走向近南東，傾向東，傾角 10°～15°。礦石為混合礦，主要為高硫高鎂富鐵礦石。

礦區(qū)目前正在開(kāi)發(fā)生產(chǎn)過(guò)程中，許多礦體以及靠近礦體周邊的巖體的絕大部分都必須利用巷道對(duì)自身加以支持和保護(hù)，目前生產(chǎn)中存在成本高、產(chǎn)能低、安全性差等問(wèn)題[4]。

2 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

對(duì)目前礦區(qū)的已知地質(zhì)體開(kāi)展三維地質(zhì)建模系統(tǒng)研究，在理論研究基礎(chǔ)上，使用地質(zhì)三維建模軟件Surpac，對(duì)研究區(qū)域內(nèi)的地層、礦體、巖體、巷道等進(jìn)行處理分析，進(jìn)而建立其實(shí)體建模，最后有效構(gòu)建出礦區(qū)內(nèi)的地質(zhì)體三維模型。

收集的數(shù)據(jù)主要包括礦區(qū)內(nèi)的大量勘察及探測(cè)數(shù)據(jù)，以及各種地形圖數(shù)據(jù)、地質(zhì)報(bào)告等資料。這些收集的數(shù)據(jù)主要有綜合地質(zhì)剖面地形圖和鉆孔柱狀圖等。在勘探線剖面圖中共有98個(gè)鉆孔，在周圍帷幕線中共有72個(gè)鉆孔數(shù)據(jù)。鉆孔數(shù)據(jù)包括鉆孔坐標(biāo)及高程。其勘探線剖面圖上的鉆孔提供了各個(gè)深度的巖性信息，主要包括矽卡巖、鐵礦、蝕變閃長(zhǎng)巖、灰?guī)r等巖性。

勘探線剖面圖是將同一勘查路線上的工程資料以及對(duì)地表地質(zhì)的研究成果綜合匯總而成的，其表示了各個(gè)巖層的位置、蝕變現(xiàn)象、礦體及分布位置等[5]，通過(guò)對(duì)0線剖面、1線、1-2剖面到6-7線剖面圖進(jìn)行整理，根據(jù)基巖地質(zhì)圖，結(jié)合帷幕注漿孔數(shù)據(jù)以及水文地質(zhì)報(bào)告，確定了地層類型，主要包括石炭系地層、奧陶系地層、破碎帶、礦體層以及矽卡巖和蝕變閃長(zhǎng)巖層。

本研究中收集整理到的勘探線剖面主要有12 條，很清晰展現(xiàn)了研究區(qū)內(nèi)地質(zhì)體的形態(tài)特征和各個(gè)地層位置，使得地層信息、斷裂信息及礦體信息等便于提取出來(lái)。本研究中借助AutoCAD軟件進(jìn)行剖面各種信息的提取工作，并在Surpac軟件中進(jìn)一步完成整個(gè)地質(zhì)體三維模型的建立[6]。圖1為其中兩幅剖面圖。

根據(jù)鉆孔柱狀圖的分層，圖1a和圖1b被分成若干地層，有的地層在不同深度多次出現(xiàn)，分別有第四系地層、石炭系地層、奧陶系地層、破碎帶、鐵礦層、矽卡巖層和蝕變閃長(zhǎng)巖層。

圖1 地質(zhì)剖面圖 Fig.1 Geological profile

3 地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)建立

本文共收集到170個(gè)鉆孔資料(包括勘探線剖面圖中98個(gè)，周圍帷幕線中72個(gè))，勘探線剖面圖12張，該資料數(shù)據(jù)主要內(nèi)容包含了巖石的巖性數(shù)據(jù)和巖石化驗(yàn)數(shù)據(jù)，以及地質(zhì)體各個(gè)地層的數(shù)據(jù)等。

在研究區(qū)數(shù)據(jù)收集整理之后，對(duì)其進(jìn)一步的分類以及篩選，根據(jù)Surpac軟件所要求的地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)，使數(shù)據(jù)符合其數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)格式[7]，表1為其要求的鉆孔表結(jié)構(gòu)，鉆孔表結(jié)構(gòu)包括孔號(hào)、Y坐標(biāo)、X坐標(biāo)、Z坐標(biāo)、鉆孔最大深度及孔跡線形式，將整理篩選好的鉆孔數(shù)據(jù)錄入到 TXT文件中。本研究區(qū)帷幕線一周共72個(gè)鉆孔，均有效完成了數(shù)據(jù)的錄入，帷幕線上的鉆孔提供了呂榮值信息，根據(jù)統(tǒng)計(jì)帷幕線上呂榮值統(tǒng)計(jì)表的信息，將不同深度的呂榮值信息標(biāo)明至鉆孔上，結(jié)合水文地質(zhì)報(bào)告，將呂榮值分為幾段后分別賦予不同顏色，表示在鉆孔上，便于之后區(qū)分不同鉆孔深度的透水率大小。12個(gè)剖面線上共完成98個(gè)鉆孔的數(shù)據(jù)錄入，有效地建立了地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)[8]。

表1 被錄入鉆孔的屬性結(jié)構(gòu)Table 1 Attribute structure of borehole

地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)建立完成后，使用Surpac軟件內(nèi)的三維圖形顯示系統(tǒng)的相關(guān)功能，把鉆孔的名稱以及鉆孔的深度數(shù)據(jù)在三維空間里進(jìn)行顯示，修改數(shù)據(jù)顯示出的風(fēng)格，給巖石不同巖性數(shù)據(jù)賦不同的圖形顏色，顯示內(nèi)容包括鉆孔的呂榮值數(shù)據(jù)、軌跡線、巖性、地層劃分等，將帷幕注漿孔及勘探線剖面的鉆孔數(shù)據(jù)展示在圖2中。

圖2 鉆孔三維空間顯示圖Fig.2 3D spatial display diagram of borehole

圖2中(a)圖的鉆孔顏色結(jié)合水文地質(zhì)報(bào)告，將呂榮值分為7個(gè)段分別賦予不同顏色，用于表示不同深度的透水率大小。其中呂榮值0至0.1為淺紅色，0.1至1為橙色，1至2為黃色，2至5為綠，5至10為青色，10至100為藍(lán)色，100以上為紫色。圖2中(b)圖的顏色根據(jù)地層的巖性賦予，其中灰色為灰?guī)r，紅色為鐵礦層，綠色為矽卡巖。

4 地質(zhì)體模型構(gòu)建

4.1 基于Surpac實(shí)體模型的構(gòu)建

4.1.1 地質(zhì)體建模技術(shù)方法

實(shí)體模型建立的基本原理為：

1)制作勘探線剖面輪廓線。地質(zhì)勘探數(shù)據(jù)的大量獲取都主要是通過(guò)地質(zhì)鉆探過(guò)程得到，逐個(gè)繪制勘探線剖面圖，各剖面間有相互平行的關(guān)系，所以勘探線剖面圖是實(shí)體在該剖面上的輪廓線，即二維平面上一條封閉的沒(méi)有自己相交的線。

2)從一系列剖面上的輪廓線，將各個(gè)剖面連接起來(lái)，建立帶有輪廓的三角網(wǎng)。這種算法是實(shí)體建模的重點(diǎn)算法。

對(duì)于地質(zhì)體表面建模，實(shí)體模型是較好的描述方法。國(guó)內(nèi)外大部分的三維礦業(yè)軟件系統(tǒng)都是從勘探線剖面圖上獲得平行輪廓線，然后連接平行線輪廓線來(lái)建立礦體的三維實(shí)體模型，Surpac 中剖面線法就是支持相鄰輪廓線來(lái)建立地質(zhì)體的三維實(shí)體模型的方法：將各條勘探線剖面放入三維空間，在各種各樣地質(zhì)因素的綜合考慮下，相鄰的剖面線之間連接成三角網(wǎng)，實(shí)體模型便建立了起來(lái)。如圖3所示。

圖3 根據(jù)一組空間輪廓線生成三維面數(shù)據(jù)(來(lái)源于 Surpac 文檔)Fig.3 3D surface data generated by a set of spatial contour lines

4.1.2 平行輪廓線連接基本原理

假設(shè)兩條相鄰的平行平面上各有一條輪廓線，上輪廓線上的點(diǎn)列為 P0，P1，P2,…,Pm-1，下輪廓線上的點(diǎn)列為 Q0，Q1，Q2,…，Qn-1，如圖4所示，點(diǎn)列按照逆時(shí)針的方向排列[9]。把這些點(diǎn)列用線段連接起來(lái)，就會(huì)得到兩條多邊形，這些多邊形近似地表示了輪廓線形狀，每一條直線段稱為輪廓線線段。

圖4 跨距節(jié)點(diǎn)、水平弧和垂直弧Fig.4 Span nodes，horizontal arcs，and vertical arcs

連接上輪廓線上一點(diǎn)和下輪廓線上的一點(diǎn)的線段稱為跨距，一條輪廓線線段，以及該線段兩個(gè)端點(diǎn)與相鄰輪廓線上的一點(diǎn)相連的兩段跨距就構(gòu)成了三角面片，稱為基本三角面，組成三角面片的兩個(gè)跨距稱為左跨距和右跨距。實(shí)現(xiàn)兩條凸輪廓線之間的三角面模型重構(gòu)就是要用一系列相互連接的三角面片將上下兩條輪廓線連接起來(lái)。

實(shí)體模型構(gòu)建的流程圖如圖5所示。

圖5 實(shí)體模型構(gòu)建流程圖Fig.5 Flow chart of entity model construction

4.2 礦體模型的構(gòu)建

根據(jù)礦區(qū)的12個(gè)剖面提供的CAD剖面圖，在Surpac軟件中手繪出每個(gè)剖面的礦體線串文件，主要包括1-1(上、下)礦體和1-2礦體。再利用Surpac軟件里的創(chuàng)建三角網(wǎng)功能，把相鄰的線串依次進(jìn)行連接，構(gòu)建出礦區(qū)內(nèi)礦體實(shí)體模型。完成的實(shí)體模型見(jiàn)圖6。

圖6 礦體剖面及礦體模型Fig.6 Ore body profile and ore body model

本文根據(jù)位置和品位分類建立了三個(gè)礦體模型，按深度從上到下分別為1-1(上、下)礦體和1-2礦體。三個(gè)礦體的建立能夠準(zhǔn)確地掌握礦體的空間形態(tài)以及礦體和整個(gè)地質(zhì)體的空間位置關(guān)系，對(duì)之后的開(kāi)采設(shè)計(jì)和礦體的儲(chǔ)量估算等具有重要意義。

4.3 地質(zhì)體地層模型的構(gòu)建

各個(gè)地層的三維地質(zhì)模型構(gòu)建能更好地實(shí)現(xiàn)地質(zhì)體空間結(jié)構(gòu)和地層成分的基本表達(dá)形式可視化、分析結(jié)果可視化和預(yù)測(cè)過(guò)程設(shè)計(jì)可視化。從可視化角度立體分析地質(zhì)體的空間形態(tài)和展布，從三維可視化研究角度立體化地分析三維地質(zhì)體的空間地層形態(tài)和結(jié)構(gòu)展布，為進(jìn)一步深入開(kāi)展三維地質(zhì)預(yù)測(cè)研究提供大量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料[10]。主要的地層包括石炭系地層、奧陶系地層、破碎帶、奧陶系灰?guī)r層、礦體層以及矽卡巖和蝕變閃長(zhǎng)巖層。整個(gè)研究區(qū)域的地層信息圖見(jiàn)圖7，其中藍(lán)色為灰?guī)r層，黃色為破碎帶層，灰色為石炭系層，綠色為矽卡巖層，青色為蝕變閃長(zhǎng)巖層，棕色、粉色及紅色分別為礦體1-1(上、下)和礦體1-2。

圖7 地層綜合圖Fig.7 Comprehensive stratigraphic map

4.4 巷道模型的構(gòu)建

基于Surpac的三維巷道模型構(gòu)建的方法有兩種：第一種是按照巷道的中線建立巷道實(shí)體模型，這種方法一開(kāi)始需要在軟件中繪制出巷道設(shè)計(jì)的中線，之后通過(guò)Surpac中的中線與剖面線功能創(chuàng)建出巷道三角網(wǎng)，最終形成巷道實(shí)體模型；第二種是根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)生成巷道的實(shí)體模型，此種方法根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量的數(shù)據(jù)，通過(guò)繪制此數(shù)據(jù)代表頂?shù)装宓木€文件，利用巷道的頂?shù)装迥Ｐ蛣?chuàng)建三角網(wǎng)，建立巷道的實(shí)體模型[11]。對(duì)已有的兩種建立模型的方法進(jìn)行比對(duì)，根據(jù)研究區(qū)的數(shù)據(jù)來(lái)源等信息，選出合適的方法。本文運(yùn)用第一種模型方法，構(gòu)建了四個(gè)不同深度的巷道模型，其中兩條主要為海拔-170 m和海拔-230 m處的巷道，巷道的綜合模型如圖8所示。

圖8 巷道模型Fig.8 Roadway model

礦體的施工以及開(kāi)采需要巷道的支持，所以建立巷道模型是十分有必要的。建立地下采礦巷道三維模型后就能及時(shí)準(zhǔn)確獲得地下采掘工作面與巷道的空間位置關(guān)系，有利于事故的提前預(yù)測(cè)預(yù)警，進(jìn)而指導(dǎo)安全生產(chǎn)，保障地下工人的生命安全。同時(shí)根據(jù)礦體與巷道的相對(duì)位置關(guān)系，能夠?qū)χ蟮南锏朗┕みM(jìn)行指導(dǎo)。本文建立了四個(gè)不同深度的巷道模型，對(duì)于之后的礦山工作更具有指導(dǎo)意義。

4.5 地質(zhì)體整體模型的構(gòu)建

根據(jù)以上建模的成果，生成整個(gè)研究區(qū)域的整體模型，包括地表實(shí)體模型、礦體模型、地層模型、巷道模型以及帷幕注漿孔等。所建整體模型見(jiàn)圖9。

圖9 整體模型Fig.9 Whole geological model

圖9中(a)圖主要表達(dá)了該礦區(qū)的地表模型，其直觀地表達(dá)出礦區(qū)所處環(huán)境的地形變化，中部區(qū)域海拔較高，其余位置較低。(b)圖包括了礦區(qū)的地表模型、礦體模型、地層模型及帷幕注漿孔，整體的表現(xiàn)了礦區(qū)的地質(zhì)體模型。(c)圖及(d)圖主要從不同角度表達(dá)了巷道模型和地質(zhì)體模型的位置關(guān)系，可以看出巷道主要在鐵礦層的位置分布。

4.6 生產(chǎn)勘探線礦體模型構(gòu)建

在礦體開(kāi)采過(guò)程中，為了生產(chǎn)開(kāi)采的需要，根據(jù)原來(lái)剖面線數(shù)據(jù)以及參照已經(jīng)建立的礦體模型，礦區(qū)在礦體局部若干個(gè)生產(chǎn)勘探線打出了新的鉆孔。根據(jù)新的生產(chǎn)勘探線數(shù)據(jù)，構(gòu)建出局部生產(chǎn)勘探線的礦體模型，主要包括礦體1-1(上、下)，并和原來(lái)的礦體模型相比較。局部圖中藍(lán)色為礦體1-1上，黃色為礦體1-1下，構(gòu)建好的模型圖以及比對(duì)圖分別見(jiàn)圖10、圖11。

圖10 局部礦體模型Fig.10 Part of the orebody model

圖11 礦體模型對(duì)比圖Fig.11 Orebody model comparison diagram

根據(jù)圖上可以看出生產(chǎn)勘探線的局部礦體1-1(上)與原模型相差不大，局部礦體1-2一部分與原來(lái)相似，另一部分與原來(lái)有較大的差異，比原來(lái)的礦體多出一部分新礦體。說(shuō)明了原來(lái)所建模型基本支持了開(kāi)采的過(guò)程，與實(shí)際礦體位置相差不大，有比較良好的應(yīng)用效果。但也有與實(shí)際不相符的地方，此時(shí)還需根據(jù)開(kāi)采過(guò)程進(jìn)行隨時(shí)的更改更新，隨采隨改，提高模型的準(zhǔn)確性。

5 結(jié)論

1)通過(guò)詳細(xì)介紹實(shí)體模型建立的算法和Surpac軟件相關(guān)功能，對(duì)建立實(shí)體模型的原理有了更深入的認(rèn)識(shí)，更能通過(guò)靈活使用軟件，對(duì)對(duì)象進(jìn)行實(shí)體建模。

2)以某鐵礦的三維地質(zhì)建模作為研究對(duì)象，研究出了比較適合此礦區(qū)的建模過(guò)程，建立了礦區(qū)的地表模型、礦體模型和整個(gè)礦區(qū)的地質(zhì)體模型。通過(guò)各種建模的方式，使礦區(qū)的地質(zhì)形態(tài)以及礦山的構(gòu)建更加直觀地顯示出來(lái)。同時(shí)對(duì)整個(gè)礦區(qū)地層的分層建模也使得建模更加具體精細(xì)。

3)這種三維地質(zhì)實(shí)體建模提高了模型的精細(xì)化表達(dá)、使模型可視化效果更加詳細(xì)。為之后的數(shù)據(jù)操作處理以及數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)更新提供基礎(chǔ)，為礦體的塊體模型及品位模型做好了前期的準(zhǔn)備。