ERKAYEV UMIDJON 劉光偉 馬顯帥

（遼寧工程技術(shù)大學(xué)，遼寧 阜新 123000）

目前關(guān)于露天礦智慧礦山建設(shè)的頂層方案不斷提出[1-2]，一片百家爭(zhēng)鳴的局面，國(guó)內(nèi)露天礦建設(shè)的局勢(shì)大好，但是在關(guān)注露天礦頂層設(shè)計(jì)的同時(shí)，我們也應(yīng)意識(shí)到實(shí)現(xiàn)露天礦的三維地質(zhì)精確建模是實(shí)現(xiàn)露天礦山智能化建設(shè)的基礎(chǔ)，也是實(shí)現(xiàn)露天礦“透明地質(zhì)”[3-4]的基礎(chǔ)。采礦工程日常生產(chǎn)及設(shè)計(jì)的主要對(duì)象是地質(zhì)礦床，處理的是復(fù)雜的地質(zhì)數(shù)據(jù)，研究的是采礦工程布局、開(kāi)采程序、開(kāi)采工藝等[5]，以上所述均是以三維地質(zhì)建模為基礎(chǔ)的。露天礦三維地質(zhì)模型構(gòu)建的精確度直接影響到露天礦境界的圈定、開(kāi)采工藝的選取、生產(chǎn)計(jì)劃的編制等等，直接影響露天礦的經(jīng)濟(jì)效益?？梢哉f(shuō)，精準(zhǔn)的三維地質(zhì)模型的構(gòu)建是露天礦智能化建設(shè)的起點(diǎn)。

1 鉆孔建模方式

基于鉆孔點(diǎn)的露天礦建模方式大概分為以下四步，首先就是對(duì)數(shù)據(jù)的核對(duì)、處理并將整理好的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到建模軟件中，接著利用處理好的數(shù)據(jù)進(jìn)行煤層的頂、底板面和側(cè)面的構(gòu)建，然后依據(jù)封閉的頂、底板面和側(cè)面進(jìn)行煤層實(shí)體的生成。煤層實(shí)體模型建立好之后，利用實(shí)體的布爾運(yùn)算實(shí)現(xiàn)巖層模型的建立，最終實(shí)現(xiàn)露天礦三維地質(zhì)實(shí)體模型的建立。

1.1 數(shù)據(jù)的處理

首先需根據(jù)鉆孔柱狀圖、剖面圖、勘探線平面位置圖等資料對(duì)鉆孔數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析、處理并匯總，具體工作如下：

1.1.1 對(duì)鉆孔柱狀圖、剖面圖和勘探線位置平面圖中的鉆孔坐標(biāo)進(jìn)行核對(duì)和匯總。

1.1.2 根據(jù)鉆孔中煤與夾矸的厚度，對(duì)每個(gè)鉆孔中每層煤的含煤率進(jìn)行計(jì)算并匯總，并將鉆孔數(shù)據(jù)以表格形式進(jìn)行匯總，其匯總的主要內(nèi)容是：鉆孔號(hào)、坐標(biāo)（X、Y、Z），煤層編號(hào)、厚度及其相應(yīng)的頂、底板標(biāo)高，以及煤層的含煤率。

1.1.3 將整理所得的鉆孔數(shù)據(jù)導(dǎo)入到建模軟件中進(jìn)行展點(diǎn)。

1.2 三維地質(zhì)面模型的構(gòu)建

露天礦的三維地質(zhì)面模型的構(gòu)建主要是頂板面模型、底板面模型和側(cè)面面模型，其具體步驟如下：

1.2.1 頂、底板面模型的構(gòu)建。

將已有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為可用于模型構(gòu)建的數(shù)據(jù)后，確定建模的邊界，采用一定的插值方法進(jìn)行插值后，利用帶約束條件的Delaunay 三角網(wǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)于煤層頂、底板面模型的構(gòu)建。

1.2.2 側(cè)面面模型的構(gòu)建。在煤層的頂、底板建模邊界確定后，利用煤層的頂、底板邊界線之間連接三角網(wǎng)實(shí)現(xiàn)煤層側(cè)面面模型的構(gòu)建。

1.3 三維地質(zhì)實(shí)體模型的構(gòu)建

地質(zhì)體的實(shí)體模型構(gòu)建是露天礦三維地質(zhì)建模的中心，煤層的頂、底板面模型和側(cè)面面模型建立好后，形成了一個(gè)封閉的空間，以包絡(luò)面固化成體法[6]形成煤層實(shí)體模型。

1.4 三維地質(zhì)模型的建立

首先利用與建立煤層實(shí)體相同的方法建立露天礦采場(chǎng)現(xiàn)狀實(shí)體、斷層等實(shí)體，再以采場(chǎng)現(xiàn)狀實(shí)體模型為基礎(chǔ)，與其它地質(zhì)體運(yùn)用布爾差計(jì)算來(lái)得到土巖層實(shí)體模型，從而形成對(duì)露天礦三維地質(zhì)煤、巖實(shí)體模型的構(gòu)建。

2 基于鉆孔的煤、巖一體化建模方式

傳統(tǒng)的露天礦建模中將煤層實(shí)體模型建立好之后，利用已建立的煤層實(shí)體等主要實(shí)體模型和露天礦現(xiàn)狀實(shí)體模型進(jìn)行布爾運(yùn)算，即可得到巖土體的實(shí)體模型[7]，雖然這種建模方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)于煤層等主要地質(zhì)體的快速建模，但是對(duì)于巖土體的建模還是采取了一種“估算”的方式，并且認(rèn)為其在地下的賦存是均勻的、單一的，但是這種認(rèn)知直接和現(xiàn)場(chǎng)的鉆孔數(shù)據(jù)揭露出來(lái)的地層巖性相悖。

因此，筆者提出一種基于鉆孔的露天礦煤、巖一體化建模方法，在實(shí)現(xiàn)煤層精確建模的同時(shí)，將鉆孔點(diǎn)所揭露出來(lái)的地層巖性也進(jìn)行體現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)巖層的精確建模?；阢@孔的露天礦煤、巖一體化建模，就是從鉆孔數(shù)據(jù)整理開(kāi)始，對(duì)巖層的信息進(jìn)行和煤層信息同步的整理，接著采用類(lèi)似煤層建模的方式對(duì)巖層也進(jìn)行精細(xì)化建模，其具體的建模流程如圖1?；阢@孔的煤、巖一體化建模方式是基于傳統(tǒng)以煤層建模為主的建模方式的基礎(chǔ)上提出的一種建模方法，此種建模方法在實(shí)現(xiàn)煤層精確建模的同時(shí)，也實(shí)現(xiàn)了對(duì)巖層的精確建模。此種建模方法對(duì)于煤層建模部分與前文所述相同，此處不再進(jìn)行贅述，下面就基于該種建模方式中巖層的建模流程進(jìn)行陳述。

圖1 基于鉆孔的巖層精細(xì)化建模流程

2.1 巖層地質(zhì)數(shù)據(jù)的處理

首先對(duì)鉆孔資料中鉆孔的坐標(biāo)進(jìn)行核對(duì)，同時(shí)由于巖層的分布相較煤層而言更加不規(guī)則、連續(xù)性差、層位關(guān)系差，在整理巖層信息時(shí)可把較薄的巖層進(jìn)行忽略和合并，如圖2，將巖層的信息如巖性、巖層的頂、底板標(biāo)高、巖層厚度都整理到統(tǒng)一的EXCEL 表中，進(jìn)而在建模軟件中進(jìn)行展點(diǎn)。

圖2 較薄巖層整理合并示意圖

圖3“分塊建模”建模范圍確定方法示意圖

2.2 確定巖層建模范圍

當(dāng)某巖層在建模區(qū)內(nèi)不是全區(qū)發(fā)育，或者是僅在局部發(fā)育時(shí)，此時(shí)對(duì)該巖層建模采用“分塊建?！钡姆椒?，利用鉆孔的影響范圍（在建模區(qū)最外鉆孔和其相鄰不同巖層（煤層）的最外鉆孔進(jìn)行連線，取它們連線的中點(diǎn)依次進(jìn)行連線，如圖3），確定進(jìn)行建模巖層的建模邊界。

2.3 進(jìn)行插值

現(xiàn)場(chǎng)打鉆的數(shù)量相對(duì)于廣闊的建模區(qū)而言太少，而且鉆孔的位置具有一定的不均勻性，因此為了構(gòu)建具有一定精度要求的三維地質(zhì)模型就必須采用合適的插值方法，進(jìn)行點(diǎn)的插值。

2.4 巖層面模型的構(gòu)建

利用建模區(qū)域內(nèi)巖層頂板的鉆孔點(diǎn)、頂板建模區(qū)域邊界線和頂板插值點(diǎn)，利用帶約束條件的Delaunay 三角網(wǎng)來(lái)建立巖層頂板面模型，對(duì)于巖層的底板面模型的建立亦是如此。對(duì)于巖層側(cè)面面模型的建立是利用巖層的頂、底板建模邊界線間連接三角網(wǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.5 巖層面模型的檢驗(yàn)

由于為了確定不同巖性鉆孔的影響范圍，采用在不同巖層的鉆孔間進(jìn)行連線，不同巖層的建模邊界線由連線的中點(diǎn)依次連接而成，再利用連接好的邊界線去參與建模，這就相當(dāng)于在原來(lái)鉆孔的基礎(chǔ)上增加了新的控制點(diǎn)（連線的中點(diǎn)），這樣會(huì)導(dǎo)致三角網(wǎng)的連接方式與直接利用鉆孔點(diǎn)的三角網(wǎng)連接方式不同，從而導(dǎo)致巖層、煤層三角網(wǎng)可能出現(xiàn)相交的情況，因此對(duì)于煤、巖層接觸面處巖層的三角網(wǎng)的構(gòu)建進(jìn)行檢查、修改，再重新進(jìn)行面模型的生成。

2.6 三維實(shí)體模型建立

利用巖層頂、底板面模型和側(cè)面面模型構(gòu)成一個(gè)密閉空間，確保“不漏氣”，運(yùn)用“固化成體”技術(shù)，實(shí)現(xiàn)巖層實(shí)體的生成。

3 基于鉆孔的煤、巖一體化建模實(shí)例

某礦補(bǔ)勘數(shù)據(jù)的鉆孔點(diǎn)分布如圖4 所示，以SMCAD[8]為建模工具，采用煤、巖一體化建模方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)6 煤和7 煤的煤層實(shí)體建模，同時(shí)建立兩煤層之間的夾矸的巖層實(shí)體模型，最后利用建立好的模型拉剖面與相鄰僅鉆孔對(duì)比驗(yàn)證建模的精確度。

圖4 建模區(qū)鉆孔分布示意圖

3.1 煤、巖實(shí)體模型的構(gòu)建

對(duì)于鉆孔信息進(jìn)行檢查核對(duì)無(wú)誤后，將煤層和巖層信息整理到統(tǒng)一的EXCEL 表格中，將這些包含鉆孔信息的所有表格導(dǎo)入到SMCAD 的數(shù)據(jù)庫(kù)中，并利用其進(jìn)行展點(diǎn)。

3.1.1 煤層實(shí)體模型的建立

首先確定6 煤和7 煤的頂、底板建模邊界，然后選用一定的方法進(jìn)行插值，利用頂板（底板）的插值點(diǎn)、鉆孔點(diǎn)、建模邊界線來(lái)實(shí)現(xiàn)頂板（底板）面模型的構(gòu)建，再利用煤層頂、底板建模的邊界線連接三角網(wǎng)實(shí)現(xiàn)煤層側(cè)面面.模型的構(gòu)建，最后利用煤層的頂、底板面模型及側(cè)面面模型形成封閉的空間，實(shí)現(xiàn)6 煤和7煤的實(shí)體模型的建立。

3.1.2 巖層實(shí)體模型的建立

對(duì)于兩煤層之間的夾矸的建模，采用“分塊建?！钡姆椒?，根據(jù)展點(diǎn)情況利用不同巖性鉆孔的影響范圍，確定不同巖層建模邊界，選用合適的插值方法完成插值后，利用“兩點(diǎn)一線”（鉆孔點(diǎn)、插值點(diǎn)，建模邊界線）實(shí)現(xiàn)巖層頂、底面模型的建立，此時(shí)，要對(duì)建立的巖層面模型進(jìn)行檢驗(yàn)，若出現(xiàn)局部的建模情況與實(shí)際不符，要采取添加控制點(diǎn)和控制線的方式進(jìn)行調(diào)整，最終實(shí)現(xiàn)巖層頂、底面模型的建立，也同樣是利用頂、底面建模邊界連接三角網(wǎng)，最后利用固化成體法實(shí)現(xiàn)不同巖層模型的構(gòu)建。

3.2 煤巖體鉆孔剖面對(duì)比

煤、巖實(shí)體模型建立好后，采用拉剖面與相鄰鉆孔點(diǎn)對(duì)比的方法檢驗(yàn)建模的精確度。在煤巖實(shí)體模型內(nèi)選擇一個(gè)剖面1-1＇，如圖5（a），此剖面的剖面圖如圖5（b），并在圖5（b）選擇了三個(gè)對(duì)比點(diǎn)與相鄰的鉆孔進(jìn)行煤巖對(duì)比，對(duì)比情況如圖5（c）。通過(guò)剖面上的對(duì)比點(diǎn)和附近實(shí)際鉆孔揭露出來(lái)的煤、巖信息對(duì)比可以看出：煤、巖“一體化”的建模方式能較準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)對(duì)地層信息的描述和重現(xiàn)，提高了建模的精確度。

圖5 煤、巖實(shí)體模型檢驗(yàn)

4 結(jié)論

本文提出了一種基于鉆孔的露天礦煤、巖一體化建模方法，可將鉆孔揭露出來(lái)的地層信息進(jìn)行最大程度的重現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了在SMCAD 中對(duì)煤、巖體的精確建模，同時(shí)通過(guò)這種“一體化”建模，在對(duì)露天礦的邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析時(shí)，能更好地對(duì)相應(yīng)的巖體進(jìn)行參數(shù)賦值、滑坡模式的預(yù)判、計(jì)算方法的選擇等，從本質(zhì)上提高邊坡穩(wěn)定性分析的準(zhǔn)確度。但是本文的這種“一體化”建模方式是對(duì)巖層的賦存條件進(jìn)行一定的處理后所得到的，在進(jìn)行巖層信息整理時(shí)的整合過(guò)程存在人的主觀能動(dòng)性，一般還是經(jīng)驗(yàn)主義為主，因此最終巖層的建模結(jié)果可能存在一定的差異，同時(shí)該種建模方式的建模速度相對(duì)來(lái)說(shuō)還是較慢的，而且此種建模方式僅適用于基于鉆孔的露天礦建模，對(duì)于基于勘探線的一體化建模方式還是在進(jìn)一步的探索中。