韓 勇，曹 博

（1.神華新疆能源有限責(zé)任公司 黑山露天煤礦，新疆 托克遜 838100；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，遼寧 阜新 123000）

黑山露天煤礦三維地質(zhì)建模及可視化研究

韓 勇1，曹 博2

（1.神華新疆能源有限責(zé)任公司 黑山露天煤礦，新疆 托克遜 838100；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，遼寧 阜新 123000）

為了實現(xiàn)神新能源黑山露天煤礦數(shù)字化建設(shè)提高工程規(guī)劃精準(zhǔn)度，以三維實體地質(zhì)建模原理為依據(jù)，采用CAD2008二次開采技術(shù)，依照黑山露天礦各煤、巖層層位信息，圈定了基巖及煤層頂?shù)装迕婺Ｐ偷慕＿吔缇€，建立了基巖及各煤層頂、底板DTM表面模型及側(cè)面DTM面模型，利用固化成體技術(shù)生成了黑山露天煤礦三維實體模型，并以表面約束顯示的形式建立了各煤、巖層屬性數(shù)據(jù)庫。

露天礦；地質(zhì)建模；屬性實體；三維可視化

0 引 言

礦山三維地質(zhì)建模是指運用計算機可視化技術(shù)將礦床真實地理層位信息形象地展現(xiàn)出來的過程，是實現(xiàn)礦山數(shù)字化的核心，是進行礦山生產(chǎn)規(guī)劃、模擬開采、工程報量的基礎(chǔ)。隨著礦山數(shù)字化快速發(fā)展及礦山技術(shù)人員認可度的提高，各種三維地質(zhì)建模方法相繼成熟起來，王晶晶等[1]提出了基于剖面構(gòu)建露天礦三維地質(zhì)模型的方法；劉光偉等[2]提出通過面域拉伸和實體布爾運算等方法生成三維模型；王東等[3]提出以地質(zhì)界面的裁剪曲面和地表面的三角剖分面按空間組合成礦床實體模型；羅周全等[4]提出基于Surpac的礦床三維地質(zhì)模型構(gòu)建方法；王志宏等[5]根據(jù)露天礦的開采特點,實現(xiàn)了對模型的自動維護和更新,形成了動態(tài)的露天礦三維可視化礦床地質(zhì)模型；吳志春等[6]提出基于PRB數(shù)據(jù)構(gòu)建三維地質(zhì)模型的技術(shù)方法；李偉等[7]提出基于Minex的露天礦三維地質(zhì)模型的建立技術(shù)方法；章照宏等[8]提出了使用DTM模型建立地表、線框模型建立地質(zhì)體的三維地質(zhì)可視化建模技術(shù)。上述方法的核心都是相同的，即盡可能地提高三維地質(zhì)模型的保真度，切實達到仿真效果，為后期礦山生產(chǎn)設(shè)計提供依據(jù)，將二維感官制圖升級到三維可視化。

以神新能源黑山露天煤礦地質(zhì)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，依據(jù)各煤、巖層層位信息，圈定基巖及煤層頂?shù)装迕婺Ｐ偷慕＿吔缇€，建立基巖及各煤層頂、底板DTM表面模型及側(cè)面DTM模型，利用固化成體技術(shù)生成黑山露天煤礦三維底層實體模型，并以表面約束顯示的形式建立各煤、巖層屬性數(shù)據(jù)庫，并用實際工程數(shù)據(jù)對三維屬性地質(zhì)模型進行校對。

1 黑山露天礦地質(zhì)概況

黑山露天礦位于天山中段以北的山間谷地（俗稱通溝），北依約喀坑艾代山，南臨末日洛克山、黑山。東西較開闊，地勢北高南低，西高東低。在勘探區(qū)內(nèi)發(fā)育的地層包括：石炭系、古生代志留系、二疊系；這些地層共同構(gòu)成了勘探區(qū)范圍內(nèi)的山間基底，中生代三疊系、侏羅系和新生代的第三系、第四系地層生成在此基地之上。含煤地層在更新世以前受新構(gòu)造運動的作用，露出地表，使得西山窯組13-2號巨厚煤層（29.95 m）與空氣接觸，經(jīng)空氣氧化作用，引發(fā)13-2煤自燃。但是，由于更新世時期的冰期運動，13-2煤自燃區(qū)熄滅，并且之后再未引發(fā)其自燃；因此，13-2煤自然區(qū)對圍巖燒烤蝕變作用使得其露頭處形成的一條近東西向的燒變巖帶。13-2煤自燃形成的燒變巖垂直深度在60～240 m。地表出露的火燒巖主要由13-2號煤層火燒后形成，寬為200～1 200 m，長約18 km，呈帶狀橫貫整個開采區(qū)域。

建模區(qū)域含煤地層基本上為一單斜構(gòu)造形態(tài)，走向近東西向，地層南傾。含煤地層沿走向、傾向的產(chǎn)狀有一定變化，傾角8°～25°，總體構(gòu)造屬簡單類。由上自下主要可采煤層包括：9煤、11煤、13-2煤；其中，9號煤層在4勘查線與6勘查線之間最厚，向東西兩側(cè)逐漸變??；11號煤層在5勘查線與D勘查線之間最厚，向東西兩邊逐漸變?。?3-2號煤層在5勘查線附近煤層厚度最大，向東西兩邊有變薄趨勢，黑山露天礦走向剖面圖如圖1。

圖1 黑山露天礦走向剖面圖

2 黑山露天煤礦三維地質(zhì)模型構(gòu)建

依據(jù)黑山露天煤礦地質(zhì)數(shù)據(jù)，以SQL Server2008數(shù)據(jù)庫平臺為依托，利用C#.net語言框架實現(xiàn)對AutoCAD的二次開發(fā)，實現(xiàn)黑山露天礦三維可視化實體建模；其主要關(guān)鍵技術(shù)如下：

2.1 黑山原始地質(zhì)數(shù)據(jù)處理

地質(zhì)數(shù)據(jù)是建立礦床三維地質(zhì)模型、進行開采方案確定及相關(guān)采礦設(shè)計的基礎(chǔ)，是礦山生產(chǎn)管理的重點。原始地質(zhì)數(shù)據(jù)是建立礦床地質(zhì)模型的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性將直接影響到地質(zhì)模型的精度以及礦巖量計算的結(jié)果，所以必須保證原始地質(zhì)數(shù)據(jù)錄入結(jié)果的可靠性、準(zhǔn)確性，從原始數(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)的誤差引入是保證地質(zhì)模型精度的根本[9-10]。因此，必須對黑山露天礦原始地質(zhì)數(shù)據(jù)進行粗查，消除重復(fù)的數(shù)據(jù)，進一步降低三維地質(zhì)模型嚴(yán)重失真的可能性，盡可能保證黑山三維地質(zhì)模型的精度。

原始地質(zhì)數(shù)據(jù)處理包括數(shù)據(jù)初查、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)處理、數(shù)據(jù)邏輯關(guān)系梳理，即：

1）數(shù)據(jù)粗查是指采用粗差檢測技術(shù)對不規(guī)則DEM初步檢測，并對其進行冗余處理等操作。

2）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)處理就是對數(shù)據(jù)文件結(jié)構(gòu)進行條理歸類，以便建模時核對數(shù)據(jù)保證其精度；并將其按各自類別錄入數(shù)據(jù)庫，以便于后期管理。

3）數(shù)據(jù)邏輯關(guān)系梳理就是保證錄入數(shù)據(jù)真實三維空間的層位關(guān)系，以至于不會出現(xiàn)上下煤層交叉、同一煤層底板標(biāo)高卻大于其煤層頂板標(biāo)高等與實際相背的情形。

2.2 黑山露天礦三維地質(zhì)面模型構(gòu)建

露天礦的三維地質(zhì)面模型主要包括基巖面模型、煤層頂板面模型以及煤層底板面模型。構(gòu)建面模型的關(guān)鍵技術(shù)包括：

1）圈定建模邊界線。在構(gòu)建基巖及煤層頂?shù)装迕婺Ｐ椭?，先圈定基巖及煤層頂?shù)装迕婺Ｐ偷慕＿吔缇€，提取各個地層的三維剖面線，按照三維剖面線端點位置確定建模邊界線，在連接建模邊界線時，應(yīng)綜合考慮勘探線剖面圖與煤層頂?shù)装宓雀呔€圖中煤層的露頭位置、分叉位置、尖滅位置以及無煤區(qū)位置等的關(guān)系[2][10]。

2）提取鉆孔數(shù)據(jù)點。根據(jù)水文地質(zhì)勘探線剖面圖，將各鉆孔煤、巖層層位信息以鉆孔數(shù)據(jù)點的形式提取出來。將各個數(shù)據(jù)點信息轉(zhuǎn)換為三維點坐標(biāo)信息，經(jīng)清理重復(fù)離散點等初步處理后將其錄入地質(zhì)數(shù)據(jù)庫。

3）空間插值。從勘探線剖面提取的鉆孔數(shù)據(jù)點自身具有數(shù)據(jù)量有限、分布不均勻、形態(tài)突變等特點，為了保證生成的面模型能夠達到虛擬現(xiàn)實的效果，采用空間插值技術(shù)將鉆孔數(shù)據(jù)點數(shù)據(jù)量加大，滿足生成理想面模型所需數(shù)據(jù)量。通過分析可知：黑山露天煤礦每個地層起伏程度都不突出，地質(zhì)勘探程度也屬于較好；因此，本次建模采用距離冪次反比法對鉆孔數(shù)據(jù)點進行插值加密，經(jīng)分析確定：估值格網(wǎng)間距宜為100 m，冪指數(shù)為2，估值半徑為500 m。

4）建立TIN模型。依據(jù)地表及各煤層頂?shù)装宓慕＿吔缇€、三維剖面線、鉆孔數(shù)據(jù)、插值點數(shù)據(jù)，以建模邊界線與三維剖面線作為約束條件，采用帶約束條件的Delaunay三角網(wǎng)（CD-TIN）構(gòu)建頂面模型以及底面模型建立地表及各煤層頂?shù)装錍D-TIN，進而逼真模擬各個地層界面[9-10]。

依據(jù)上述方法依次圈定建模邊界線→提取鉆孔點信息→空間插值點信息→構(gòu)建黑山露天礦9煤、11煤、13-2煤層的頂?shù)装迕婺Ｐ停缓谏铰短斓V三維地質(zhì)面模型構(gòu)建要素如圖2所示。

圖2 黑山露天礦三維地質(zhì)面模型構(gòu)建要素

2.3 三維地層地質(zhì)實體模型

黑山露天礦三維地質(zhì)建模的核心就是地質(zhì)屬性實體模型的構(gòu)建（地質(zhì)屬性包括：容重、巖性等），三維實體模型可以直接地將礦山地層形態(tài)以及空間位置形象地展示出來，能夠滿足三維旋轉(zhuǎn)對其進行任意方向無死角觀測；此外，實體模型實現(xiàn)任意角度切割剖面，實現(xiàn)面模型約束實體報量，提高露天開采設(shè)計的質(zhì)量與速度。

2.3.1 實體模型構(gòu)模方法

以黑山露天煤礦為基礎(chǔ)基礎(chǔ)，綜合分析各種地質(zhì)體構(gòu)模方法的適用條件及實現(xiàn)效果，采用了一種新的構(gòu)模方法，即包絡(luò)面固化成體法[3]來構(gòu)建煤層實體和燒變巖實體。

1）對于煤層實體模型，構(gòu)模的基本原理是利用各煤層頂面邊界線與底面邊界線，在這兩條閉合線之間連接帶約束條件的Delaunay三角網(wǎng)（CD-TIN）構(gòu)建側(cè)面模型；采用各煤層頂板面模型、底板面模型以及側(cè)面模型共同組合成封閉空間，然后通過CAD固化技術(shù)形成煤層實體模型，煤層實體模型構(gòu)建的關(guān)鍵技術(shù)流程如圖3所示。

圖3 煤層實體模型的建模流程

2）對于燒變巖實體模型，構(gòu)模的基本思想是利用一系列互不相交的的空間燒變巖斷面多邊形，按照相鄰?fù)負潢P(guān)系直接相連形成空間封閉三角網(wǎng)，即包絡(luò)面模型，再采用固化成體技術(shù)形成燒變巖實體模型，燒變巖實體模型構(gòu)建的關(guān)鍵技術(shù)流程如圖4所示。針對黑山露天礦燒變巖大量出露地表的情況，將地表實體與燒變巖實體進行布爾運算，求出燒變巖成露地表部分，以實現(xiàn)精細建模。

圖4 燒變巖模型的建模流程

2.3.2 黑山露天礦三維地質(zhì)集成模型

露天礦三維地質(zhì)集成實體模型綜合考慮了各煤、巖層層位信息與地質(zhì)構(gòu)造的空間位置關(guān)系，按照空間方位信息把地質(zhì)實體與地質(zhì)構(gòu)造耦合起來，直觀地把露天礦由上自下各個地層序列的空間關(guān)系展現(xiàn)出來。根據(jù)已構(gòu)建的黑山露天煤礦地形及采場現(xiàn)狀面模型、煤層實體模型、第四系實體模型以及燒變巖實體模型，通過布爾運算對黑山三維實體模型求解差集、交集與并集，集成各煤層實體與地質(zhì)構(gòu)造的三維耦合地質(zhì)實體模型，如圖5所示。通過二次開發(fā)實現(xiàn)任意位置切割剖面功能，依照此功能在露4勘探線位置對黑山露天煤礦三維實體集成模型切割剖面圖，如圖6所示。

圖5 黑山露天礦采場排土場集成實體模型

圖6 露4剖面位置切制集成模型剖面圖

3 三維地質(zhì)模型精度評價

三維地質(zhì)模型精度是對模型保真度的真實評價，是建模成功與否的直接憑據(jù)。為了確保黑山露天煤礦三維實體模型的精度，對其實體模型采取以下2種方式精度評價：

1）勘探線剖面層位對比。在黑山露天煤礦原始勘探線位置對三維實體模型切取剖面，將實體切割剖面的煤、巖層層位信息與該勘探線的原始剖面煤、巖層層位信息進行比對，保證同一層位標(biāo)高相同、同一層位厚度相同、同一層位巖性煤號相同。將黑山露天礦原始剖面與實體切割剖面進行層位對比，可知剖面煤巖層層位信息基本相同，剖面層位對比圖如圖7。

圖7 剖面層位對比

2）對煤量進行核算。依據(jù)建立的三維屬性實體模型，依據(jù)黑山露天煤礦初設(shè)最終境界面模型通過布爾運算對其屬性實體進行約束報量，將報量結(jié)果與原設(shè)計境界內(nèi)資源儲量、平均剝采比進行比對，保證三維屬性資源儲量與原設(shè)計資源儲量相同、平均剝采比相同。黑山露天煤礦原設(shè)計資源儲量383.53 Mt，平均剝采比為5.95 m3/t；采用自主開發(fā)屬性實體報量功能對黑山露天煤礦資源儲量進行報量，結(jié)果如表1。黑山露天礦三維實體資源儲量與原設(shè)計資源儲量相差0.007 8%，平均剝采比相差0.01 m3/t。

表1 黑山露天礦資源儲量屬性實體量

通過對黑山露天煤礦三維屬性實體精度評價可知：勘探線剖面煤、巖層層位信息屬一致，屬性實體資源儲量、平均剝采比與原設(shè)計相比滿足精度要求。因此，通過建立基巖及各煤層頂、底板DTM表面模型及側(cè)面DTM模型，利用固化成體技術(shù)生成的黑山露天煤礦三維屬性實體模型切實能夠達到仿真效果，能作為后期黑山露天煤礦生產(chǎn)規(guī)劃有利憑證。

4 結(jié)論

1）以Auto CAD2008為開發(fā)平臺，通過處理原始地形等高線、剖面數(shù)據(jù)、鉆孔等數(shù)據(jù)，建立了黑山露天礦地質(zhì)模型與采場現(xiàn)狀模型通過實體布爾運算集成三維屬性實體模型，為后續(xù)黑山露天煤礦回采方案的制定及邊坡工程地質(zhì)模型的建立奠定了基礎(chǔ)。

2）將構(gòu)建的黑山屬性實體模型對剖面層位信息、資源儲量核實，實現(xiàn)三維實體仿真效果；滿足任意方向無死角觀測煤巖層層位信息，以及任意方位切割剖面功能，切實達到三維可視化效果。

［1］ 王金金.基于剖面的露天礦三維地質(zhì)模型的構(gòu)建［J］.露天采礦技術(shù)，2015（7）：65-68.

［2］ 劉光偉，白潤才，曹蘭柱，等.基于AutoCAD的露天礦三維地質(zhì)模型的三維可視化構(gòu)建方法［J］.世界科技研究與發(fā)展，2008（6）：758-760.

［3］ 王東，宋子嶺.元寶山露天礦礦床地質(zhì)模型的構(gòu)建及其可視化研究［J］.世界科技研究與發(fā)展，2010（2）：151-153.

［4］ 羅周全，劉曉明，蘇家紅，等.基于Surpac的礦床三維模型構(gòu)建［J］.金屬礦山，2006（4）：33-37.

［5］ 王志宏，陳應(yīng)顯.露天礦三維可視化礦床地質(zhì)模型的建立［J］.遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報，2004（2）：145-14.

［6］ 吳志春，郭福生，鄭翔，等.基于PRB數(shù)據(jù)構(gòu)建三維地質(zhì)模型的技術(shù)方法研究［J］.地質(zhì)學(xué)報，2015（7）：1318-1330.

［7］ 李偉，孫鑫，蔡忠超.基于Minex的露天礦三維地質(zhì)模型的建立及可視化研究［J］.露天采礦技術(shù)，2012（4）：63-66.

［8］ 章照宏，任毅，楊明輝.復(fù)雜地質(zhì)邊坡三維模型構(gòu)建及穩(wěn)定性分析［J］.公路工程，2014（3）：34-37.

［9］ 曲業(yè)明.吉林郭勒二號露天礦三維地質(zhì)建摸及應(yīng)用研究［D］.阜新：遼寧工程技術(shù)大學(xué)，2013.

［10］ 趙浩.寶日希勒露天礦三維地質(zhì)建模及應(yīng)用研究［D］.阜新：遼寧工程技術(shù)大學(xué)，2011.

【責(zé)任編輯：陳 毓】

3 D geological modeling and visualization research in Heishan Open-pit Mine

HAN Yong1,CAO Bo2
(1.Heishan Open-pit Coal Mine,Shenhua Xinjiang Energy Co.,Ltd.,Toksun 838100,China;2.Liaoning Technical University Institute of Mining Technology,Fuxin 123000,China)

In order to achieve the digitalization construction to improve planning accuracy,based on principle of 3 d entity modeling，the mine uses CAD 2008 secondary recovery technology.In accordance with the coal and rock strata horizon information in Heishan Open-pit Mine,the mine selects the modeling of rock and coal seam or board face model boundary,establishes the bedrock and the model of coal seam roof and floor DTM surface and side DTM model,using solidified body technology to generate 3 D entity model,and establishes the coal and rock property database in the form of surface constraints.

open-pit mine;geologic modeling;property entities;3D visualization

TD672

B

1671－9816（2017）07－0039－05

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.07.011

韓勇，曹博.黑山露天煤礦三維地質(zhì)建模及可視化研究［J］.露天采礦技術(shù)，2017，32（7）：39-42.

2017-03-25

遼寧省教育廳基金項目資助（LJYL038）

韓 勇（1977—），男，新疆烏魯木齊人，神華新疆公司黑山露天煤礦副礦長。