礦井三維地質(zhì)模型構(gòu)建

紀(jì)維新 王猛 楊魯振 張寧 楊志良

摘要：本文基于GOCAD軟件的三維地質(zhì)建模的原理和方法，以某礦區(qū)深部地質(zhì)條件為例，對礦區(qū)的地層、構(gòu)造、巖體進行分析并建立了三維模型。每個地質(zhì)三維模型都能更好地反映地質(zhì)體在三維空間的分布形態(tài)，這對地質(zhì)技術(shù)人員科學(xué)管理地質(zhì)和施工信息具有重要指導(dǎo)作用。

0 引言

隨著計算機軟件技術(shù)的快速發(fā)展，煤礦地質(zhì)專業(yè)人員逐漸摒棄了憑借經(jīng)驗推斷地下空間的疊置特征的方法，采用三維可視化建模技術(shù)管理地質(zhì)與施工信息。GOCAD是目前世界上應(yīng)用最廣泛的大型三維建模軟件，在地質(zhì)建模領(lǐng)域具有應(yīng)用廣泛。它不但擁有獨特的地質(zhì)建模功能，能夠?qū)崿F(xiàn)地質(zhì)構(gòu)造和屬性的統(tǒng)一表示，而且具有強大的可視化和地質(zhì)解釋功能[1]。

本文對某礦區(qū)整體地質(zhì)條件進行分塊分析，建立工作面、巷道、豎井等多個地質(zhì)體的三維模型，進而為建立某礦區(qū)整個深部地質(zhì)構(gòu)造模型奠定了基礎(chǔ)，為后續(xù)地質(zhì)人員掌握該礦區(qū)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)提供三維展示模型。

1 軟件概述

GOCAD軟件是法國研究學(xué)者開發(fā)的地質(zhì)領(lǐng)域三維可視化建模軟件，軟件充分考慮了地質(zhì)資料的多源性，它能提供多種約束條件，可編輯形成任意形狀的曲面[2];它不僅可以設(shè)計空間幾何對象，也可以表現(xiàn)空間屬性分布在地質(zhì)工程、地球物理勘探、礦業(yè)開發(fā)和水利工程中均有廣泛的應(yīng)用。

1.1 數(shù)學(xué)處理方法

由于地質(zhì)數(shù)據(jù)的不確定性，以及不同類型的數(shù)據(jù)可信度不同等特點，采用離散平滑內(nèi)插方法作為核心技術(shù)。該方法適用于復(fù)雜模型的構(gòu)造和模型表面的不連續(xù)情況的處理，可自由調(diào)整網(wǎng)格模型并實時運行。

1.2 三維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

三維建模軟件采用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的類型，對于模型的精度、存儲量和實時分析等有重要影響。點的位置由其空間坐標(biāo)來確定;線由連結(jié)兩點的一系列節(jié)組成，起點和終點限定邊界;面由連結(jié)3點的三角形組成;體由1組面組成。這種模型表示精確，數(shù)據(jù)量小，被廣泛地應(yīng)用在一些三維建模軟件中[3]。

1.3建模步驟

三維地質(zhì)可視化建模的具體步驟主要有以下三點[4]：（1）三維建模的數(shù)據(jù)來源是CAD圖形格式的地形等高線、柱狀圖以及剖面圖等。這些圖通過CAD存成.dxf格式即可導(dǎo)入軟件。（2）將AutoCAD軟件支持的dxf格式文件轉(zhuǎn)化為三維坐標(biāo)信息。（3）將所得數(shù)據(jù)導(dǎo)入并建立表面模型和實體模型。

2.礦井三維地質(zhì)建模

2.1 礦區(qū)地質(zhì)概況

礦區(qū)海拔340-480m，井田東西長8.1km，南北寬6.5km，面積52.7km2，礦井資源/儲量819.75Mt，工業(yè)儲量740.69Mt，可采儲量395.44Mt。根據(jù)礦區(qū)煤層地形等高線圖，繪出等高線的邊界線，此后建立的三維地質(zhì)體模型皆為此區(qū)域。

2.2 地表模型建立

二維填圖過程中使用的等高線是建立地表三維的基礎(chǔ)，將等高線的數(shù)據(jù)屬性導(dǎo)出，編輯形成文本文件（.txt），將文件導(dǎo)入軟件中形成點文件，再對點文件加以優(yōu)化及邊界約束，最終由點創(chuàng)建面，生成地表形態(tài)的DEM。

2.3 煤層以及相關(guān)地層模型建立

用等高線確定煤層底板的地形，建立煤層底板模型。根據(jù)鉆探資料確定了不同地區(qū)的煤層厚度;根據(jù)煤層厚度確定了煤層頂板模型，根據(jù)現(xiàn)有煤層表面模型，通過workflow建立煤層的塊體模型，用實體模型來表現(xiàn)其他地層的構(gòu)建。

2.4 工作面模型建立

將工作面邊界線調(diào)整為一條封閉曲線，并將z值賦予相應(yīng)固定值，將坐標(biāo)數(shù)據(jù)導(dǎo)入到系統(tǒng)中;其次，將封閉曲線連接成一個封閉的曲面;最后，依據(jù)工作面與煤層的交合關(guān)系，并將多余的部分切割處理，即可形成三維工作面模型，工作面采用地表DEM覆蓋的方法。

2.5 巷道與豎井模型建立

巷道模型的建立需要大量坐標(biāo)數(shù)據(jù)，首先分節(jié)點提取CAD圖中礦區(qū)巷道的坐標(biāo)數(shù)據(jù)（x，y），然后根據(jù)巷道與等高線的交點，確定相應(yīng)的Z值。所提取的數(shù)據(jù)點越多越好，旨在準(zhǔn)確確定巷道的起伏。通過在每個節(jié)點位置建立的二維剖面圖對巷道結(jié)構(gòu)進行反演，勾繪出巷道形態(tài)與走向，再將二維剖面連接成為三維剖面，形成巷道模型，豎井模型仍參照此方法建立。

3 結(jié)語

GOCAD可對三維地質(zhì)體進行可視化操作，利用三維切割可獲得重點研究區(qū)域的地質(zhì)體，它還可以動態(tài)地管理地質(zhì)和施工信息。這套建模方法可普遍適用于礦產(chǎn)勘查、工程地質(zhì)和災(zāi)害等眾多領(lǐng)域。

參考文獻

[1]范文遙，曹夢雪，路來君.基于GOCAD軟件的三維地質(zhì)建?？梢暬^程[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2020，20（24）：9771-9778.

[2]李鐸.山東省曲家金礦床GoCAD三維建模與成礦預(yù)測[D].中國地質(zhì)大學(xué)（北京），2020.

[3]劉安強，王子童.煤礦三維地質(zhì)建模相關(guān)技術(shù)綜述[J].能源與環(huán)保，2020，42（08）：136-141.

[4]朱亞勝.GOCAD在賽博銅礦區(qū)三維地質(zhì)建模中的應(yīng)用[J].世界有色金屬，2020（02）：24+26.

作者簡介：紀(jì)維新（ 1975.8- ），山東泰安，男，漢族，工程師，本科，研究方向：礦井地質(zhì)工程管理。