某礦山三維地質模型的構建

許茂林,王 凱,周裕利

(重慶大學土木工程學院,重慶 400045)

某礦山三維地質模型的構建

許茂林,王 凱,周裕利

(重慶大學土木工程學院,重慶 400045)

礦山三維地質模型的構建,是“數字地球”、“數字礦山”的核心組成部分,是現代礦山信息化研究的熱點和重點。文章介紹和分析了目前比較流行的三維地質建模的方法,利用國際礦山軟件Surpac建立了某礦山的地表、地層面、斷層面、礦體、巷道的三維模型。在此基礎上構建了礦山三維地質模型,它可用于輔助礦山的資源勘查、采礦設計、信息化管理等工作。

面模型; 體模型; 三維地質模型; Surpac

隨著礦山開采規模不斷擴大和深入,礦山開采和工程建設中涉及到的數據資料越來越多,如何對這些海量數據和資料進行綜合分析,并以生動形象和易于理解的方式展現出來,是現代礦山信息化的發展趨勢[1-3]。本文利用Surpac軟件建立了某礦山的地形、地層面、斷層面、礦體、巷道的三維模型。在此基礎上構建了礦山的整體三維地質模型,它可用于輔助礦山的資源勘查、采礦設計、信息化管理等工作。

1 礦區工程地質概況

礦區地形為低山丘陵,地勢東高西低,東部為山地,最高峰海拔標高為 284m,山型一般較緩,局部陡峭,山脈走向北東,中部為山間平原,地勢平坦,為第四紀沖積土,標高 10m左右,西部為丘陵山地,標高 30～80m。礦區出露地層自志留系至侏羅系,可分為上下兩個構造層。下構造層位志留系至三疊系的海相碳酸鹽及碎屑沉積巖、陸相碎屑沉積巖和海陸交互相沉積。上構造層為侏羅系陸相碎屑沉積。

2 三維地質建模的方法

三維地質建模既要能夠建立研究范圍內所有地質對象的真三維模型,還要能描述地質對象的各種特征。根據三維地質實體的表示方法不同,三維地質模型可以分為基于表面的模型和基于體元的模型。因此,建模的方法有基于表面的建模法和基于體元的建模法[4]。這兩種方法具體分類見表 1[5]。

表面建模首先需要確定地質結構面,建立層面模型。對于復雜構造的地質模型,首先需要確定斷層面,利用已有的勘探資料,擬合各個層位或斷層曲面,再利用曲面求交和人為限定的方法,確定各個層位或斷層面的有效控制范圍,利用三角剖分技術將層位或斷層面離散化成三角網,建立三維層面模型[4]。

體元建模首先也需要確定地質層面和斷層,然后在各個層面之間剖分體元構造體元模型。當然體元建模的層面模型可以來自于前面表面建模的層面模型,或者直接利用表面建模中得到的邊界表示模型,將邊界表示模型剖分成體元,以此來構造體元模型[4]。

3 三維地質模型的構建

3.1 地表模型

建立地表模型是為了直觀、清楚地三維表達礦區地表與礦體等其它空間體的三維位置關系。其具體步驟如下[6-8]: (1)提取出等高線及相應的標高值,保存為新文件;(2)將等高線按其標高置于不同的圖層中,圖層名為圖層中等高線的標高值,比如 1 600表示該圖層中等高線標高為 1 600;(3)將所有圖層按標高值進行拔高,形成三維等高線,保存為.dxf格式文件;(4)在Surpac系統中將.dxf格式文件轉換成軟件支持的.str格式線文件,清理線文件中的重復點、跨接和聚結點,還可以按標高對線串進行統一編號。再利用線文件生成DTM,完成地表模型的構建。建立的地表模型如圖 1所示。

3.2 地層面模型

地層面模型構建的目的是為了直觀清楚的表達礦區地層與礦體的空間位置關系,可以清楚地看出礦體主要的集中層位。把礦區勘探線剖面圖做為原始資料加以處理[6-8]: (1)將勘探線剖面圖在CAD中矢量化(只抽取地層線即可),以.dxf格式保存文件;(2)在Surpac中導入上一步生成的. dxf文件,并轉化為軟件所支持的.str文件;(3)進行坐標轉換,將.str線文件的坐標轉換為真實的三維空間坐標;(4)清除線文件中的重復點、跨接和聚接點;(5)利用“段間連接三角網”完成地層面模型的構建。所建地層面模型如圖 2。

圖1 地表模型

圖2 地層面模型

3.3 斷層面模型

準確建立礦床的斷層面模型無論對于分析礦床成因還是更清楚地掌握斷層與礦體的位置關系及斷層對礦體開采的影響都非常重要。根據勘探線剖面圖,首先繪制出每一斷層在各勘探線剖面圖上所揭露的軌跡,形成線文件(.str),然后在將這些線連接而成斷層面模型(.dtm),如圖3所示,即為某礦山三個主要斷層的斷層面模型。

3.4 礦體模型

構建礦體模型能準確掌握礦體的幾何空間形態與位置。礦體建模的方法通常有 3種[6-8]:(1)剖面線法——首先將礦體各勘探線的剖面線,放入到三維空間;相鄰勘探線之間按照礦體的趨勢,連三角網;在礦體的兩端,封閉起來就形成了礦體的實體;(2)合并法——此方法一般用于水平或扁平礦體中。首先將礦體的上下表面做成面模型,再獲取上下面的邊界,兩個邊界之間連三角網,再將這三個文件合并,就形成了礦體的實體;(3)相連段法——利用一系列礦體的輪廓線、輔助線,不一定是勘探線或邊界線,在線之間連三角網,能應用于各種復雜情況下,創建各種復雜的實體。本研究利用相連段法建立了如圖4所示的礦體模型。

圖3 斷層面模型

圖4 礦體三維模型

3.5 巷道模型

為直觀反映礦體、地表、井筒與巷道間的空間位置關系及為巷道設計提供依據,需建立礦山巷道三維模型,如圖 5所示。

3.6 礦山三維地質模型

在Surpac軟件里,對地表模型、地層面模型、斷層面模型、礦體模型、巷道模型的基本參數與屬性進行定義并建立約束,形成塊模型,通過對塊模型的賦值形成礦山三維地質模型,如圖 6所示。

圖 5 中段巷道、井筒、地表與礦體三維模型

4 結 論

隨著現代勘探技術的進步,礦區信息化水平的提高,使得礦區三維地質建模成為地學信息研究的熱點。由于地質體本身是一個非均質、各向異性的不連續三維實體,工程揭露地質信息有限,三維地質建模是一項非常復雜的工程。本文在研究實踐Surpac軟件系統的基礎上,探討了地表模型、地層模型、斷層模型、礦體模型、巷道模型的建立方法,在此基礎上完成了礦山三維地質模型的構建。它可用于輔助礦山的資源勘查、采礦設計、信息化管理等工作。

圖6 礦山三維地質模型

[1] 陳述彭.“數字地球”與對地觀測[J].地理學報,2000,55(1):9 -13

[2] 陳述彭.數字地球百問[M].北京:科學出版社,1999

[3] 承繼成.數字地球導論[M].北京:科學出版社,2000

[4] 鄧飛.剖面三維地質建模與高斯射線束正演的研究與實現[D].成都理工大學,2007

[5] 吳觀茂,黃明,李剛.三維地質模型與可視化研究的現狀分析[J].測繪工程,2008,17(2):20-27

[6] 楊海清,周小平.邊坡落石運動軌跡計算新方法[J].巖土力學,2009,30(11):3411-3416

[7] 羅周全,劉曉明.基于Surpac的礦床三維模型構建[J].金屬礦山,2006(4):33-36

[8] 潘結南,孟召平.礦山三維地質建模與可視化研究[J].煤田地質與勘探,2005,33(1):16-18

TP393.06

A

2010-03-22

許茂林(1982～),男,碩士研究生,主要從事隧道、巖土、地質方面的研究工作。