李春生，李蘭勇，鄧連利

（1.內(nèi)蒙古煤田地質(zhì)局109勘探隊，內(nèi)蒙古呼倫貝爾021008；2.遼寧工程技術大學，遼寧阜新123000；3.呼倫貝爾市大雁勘測規(guī)劃設計有限責任公司，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，內(nèi)蒙古呼倫貝爾021008；2.遼寧工程技術大學，遼寧阜新123000；3.呼倫貝爾市大雁勘測規(guī)劃設計有限責任公司，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，并進行數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查，實現(xiàn)了地質(zhì)模型的三維顯示、煤層儲量計算、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)模型進行采剝離分類計算，為露天礦開采計劃編制奠定了基礎。

礦區(qū)地質(zhì)模型；TIN；ArcGIS

礦區(qū)地質(zhì)模型是礦區(qū)基礎地理信息系統(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，實現(xiàn)了地質(zhì)模型的三維顯示、煤層儲量計算、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)模型進行采剝離分類計算。

1　鉆孔數(shù)據(jù)預處理與入庫

1.1鉆孔數(shù)據(jù)預處理

對礦區(qū)鉆孔測量成果和鉆孔煤層綜合成果數(shù)據(jù)進行分析，將鉆孔數(shù)據(jù)按照煤層編號進行分層整理，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、Y坐標、頂板標高、底板標高、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，設計鉆孔數(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)進行檢查，以便核對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)錯誤并進行修改；數(shù)據(jù)極值檢查就是對建立的數(shù)據(jù)文件的有關項目的極大值、極小值進行檢查，以保證數(shù)據(jù)不會發(fā)生大的偏差；數(shù)據(jù)邏輯關系檢查就是保證上下煤層之間不交叉、同一煤層頂板標高大于底板標高、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與基于點方式的不規(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（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)絡模型TIN，通過人機交互式檢測修正含有粗差的高程異常點。

圖1　三維可視化粗差檢測

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

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)技術來形成界面模型，同時采用同樣的技術還可以把不同層面的巖性、煤質(zhì)進行建模，最后把所有的界面模型統(tǒng)一進行格網(wǎng)化，建立整個礦床的各個界面的格網(wǎng)模型，在此基礎上，即可實現(xiàn)地質(zhì)模型的三維可視化和各種礦量的精確計算。

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雜，既存在無推演關系的正斷層，也存在有推演關系的逆斷層，如何使用TIN來反映地質(zhì)體的真實賦存形狀，是問題的關鍵。

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，因為逆斷層的上盤沿斷裂面相對于下盤向上移動，上盤上升，上下盤相對錯動，這樣，在等高線圖上可以看到上下盤的位置與實際位置相比發(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)和其在空間實際相連接的點數(shù)據(jù)重新分區(qū)，然后局部構(gòu)TIN。

4　三維分析與應用

4.1三維空間分析

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

（1）煤層儲量計算。儲量計算的方法有很多種，本文采用多角形法計算煤層的儲量。多角形法原理：計算出每一個見煤點所控制的塊內(nèi)的煤儲量。每一個勘查區(qū)內(nèi)有多個見煤點，把相鄰的最近見煤點連起來取其垂直平分線的交點，形成以見煤點為中心的多角形（泰森多邊形），多角形的面積乘以見煤點的采用厚度和容重，即可得到見煤點所控制的面積內(nèi)煤層的儲量，將用戶圈定范圍的所有見煤點的所有多角形的儲量求和運算得到煤層的總儲量，該方法的優(yōu)點是算法簡單、運算速度快，同時可以計算巖層儲量和夾矸儲量以及煤層的其他指標等等。利用此方法對全礦的各煤層可時時進行儲量計算（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屬性信息（X、Y坐標，煤層編號，煤層頂、底板標高，煤層厚度、巖層厚度、夾矸厚度等）。

圖3　儲量計算結(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，藍色圓點表示鼠標點中的地方，也就是查詢點。按照從上到下的順序列出該點在每個煤層的頂?shù)装鍢烁?，煤層采用厚度、夾矸厚度、巖層厚度。

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

4.2露天礦地質(zhì)模型應用

采用數(shù)字地面模型方法進行露天礦采剝量的分類計算，自動化程度高，精度可靠。根據(jù)每月驗收測量后生成的地表DEM模型，通過不同時刻2個DEM模型，做一次差值運算，就可以準確計算出這個時間段的采剝量，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，分類計算出土、巖、煤的體積或重量（圖5）。

圖5　采剝量計算剖面示意圖

5　結(jié)論

（1）根據(jù)實際生產(chǎn)應用的角度，采用地理信息系統(tǒng)技術，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，并進行數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查，實現(xiàn)了地質(zhì)模型的三維顯示、煤層儲量計算、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)模型進行采剝離分類計算，計算出土、巖、煤的體積或重量，實現(xiàn)了各種量值的計算，為露天礦開采計劃編制奠定了基礎。

［1］蘭小機，劉德兒.基于ArcObjects與C#.NET的GIS應用開發(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：科學出版社，2003.

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

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