三維可視化建模技術在露天礦中的應用＊

孫前芳,劉光偉,趙 浩

(1.內蒙古北聯電能源開發有限責任公司生產技術部, 內蒙古呼和浩特 010000;2.遼寧工程技術大學資源與環境工程學院, 遼寧阜新市 123000)

三維可視化建模技術在露天礦中的應用＊

孫前芳1,劉光偉2,趙 浩2

(1.內蒙古北聯電能源開發有限責任公司生產技術部, 內蒙古呼和浩特 010000;2.遼寧工程技術大學資源與環境工程學院, 遼寧阜新市 123000)

以某露天煤礦為例,以 AutoCAD為平臺,并運用 C#.net對其進行二次開發,通過對基礎數據的采集與空間插值,構建了地質體界面模型,進而建立三維地質實體模型,實現了三維地質模型可視化顯示,并且將構建的三維可視化地質模型應用于露天礦的模擬開采、地質儲量管理、地質圖件的生成以及滑坡防治當中。該模型的建立,對礦山的經濟評價、采礦設計和生產管理具有重要的指導意義。

露天礦;礦床地質模型;三維可視化

0 引 言

在采礦工程的勘察、設計和施工過程中,需要對大量的礦床地質數據進行處理,并反饋到生產實際中。傳統的采礦工程對地質數據的存儲管理以文字、圖紙、圖表為主[1],信息的修改、查詢、分析很不方便。同時傳統方法用二維平面圖形表示三維的地質體,不能形象的表達礦體及其他地質體的形態和空間位置。運用傳統方法不僅直觀感差、效率低,而且難以實現礦山合理規劃、優化設計和優化開采。

三維可視化地質模型具有形象、直觀、準確、動態、信息豐富等特點,能改進采礦工作者對地質數據的理解,提高信息的利用率和空間分析能力。同時,更為突出的是其具有準確的開采設計和生產計劃功能[2]。因此,研究礦山三維可視化建模技術有著重要的現實意義和實用價值。

本文將利用某露天煤礦的基礎地質資料,以AutoCAD為軟件平臺,運用 C#.net進行二次開發,建立三維可視化地質模型,比較全面、真實地反映地質現象,并將其應用于露天礦模擬開采、地質儲量管理、礦巖量計算、地質圖件生成以及滑坡防治等方面。

1 露天礦三維可視化建模的對象

1.1 地表地形

露天煤礦的地表面有 2類:一是未經開采的原始地表面,是自然形成的;二是在露天開采過程中形成的臺階坡面與平盤組成的工程地表面[3]。露天煤礦三維地質建模中,需要對原始地表地形、采場、排土場形態進行真實的模擬。

1.2 煤、(土 )巖層

煤層三維可視化模型的建立能夠更為直觀和形象地反映礦區煤層的賦存形態、厚度、埋深等。露天開采在采出煤炭的同時,需要對煤層上覆的土巖進行剝離,所以建立 (土)巖模型也是十分必要的。(土)巖層模型可以直觀看出 (土)巖層的走向、傾向、傾角及厚度。

2 露天礦三維可視化建模步驟

露天礦三維可視化建模的步驟包括基礎數據的采集與預處理、空間插值、地質界面模型的構建、三維實體模型的構建、露天礦三維地質模型的構建等步驟。

2.1 基礎數據的采集與預處理

(1)地表地形數據的采集。自然地表面數據為原始勘探鉆孔孔口坐標 (x,y,z)。工程地表面數據來源主要有測量驗收圖、生產計劃圖等[4],這些圖大多數都是以 AutoCAD數據文件存儲的,因此需要對圖元文件中的三維坐標數據進行提取,其中包括地形高程數據,平盤,臺階坡頂、坡底線數據等。

(2)煤、巖層數據的采集。創建煤、巖層模型最基礎的資料是鉆孔柱狀圖所包含的鉆孔孔口坐標、地層名、煤層頂底板標高、孔深、鉆孔方向、煤質指標等信息。

(3)建模前數據的預處理。將鉆孔數據整理成規范實用的信息資料,包括勘探線號、鉆孔號、孔口坐標 (x,y,z)、煤層頂板和底板標高、夾矸厚度等[5]。此外還要進行高程異常點檢查和重復點刪除、冗余節點線、重復線和交叉線處理等,去除多余內容。

2.2 空間插值

在基礎數據采集階段已經提取了數據點坐標,但由于數據點個數偏少,三角網的形成不準確,不能比較形象地表達地表、礦坑、礦體的模型,因此采用空間插值技術處理數據[4]。常用的插值方法有多邊形法、距離冪次反比法、克里金法、趨勢面法、加權最小二乘法等,應根據地質體的特點選取合適的插值方法才能保證有合適的精度。

2.3 構建地質界面模型

地質界面模型包括地表現狀界面模型、煤巖界面模型、土巖界面模型、巖層界面模型等。

(1)地表現狀界面模型。由于露天礦采場階梯狀地表的特點,本文使用帶約束條件的 Delaunay三角網法構建露天礦地表現狀界面模型。首先,利用空間離散點生成無約束的 Delaunay三角網,然后把臺階的坡頂、坡底線作為約束線,對 Delaunay三角網進行剖分,生成帶有約束條件的 Delaunay三角網,最后刪除露天境界外多余的三角形[1]。該方法能夠很好的反映露天礦階梯形狀地表,如圖1所示。

圖1 某露天礦地表現狀界面模型

(2)煤巖地質界面模型。煤巖界面模型構建與地表現狀界面模型構建類似,需要把平面數據點的邊界線作為約束線來構建煤層面模型,采用距離冪次反比法對煤層頂底板離散數據點的高程值進行估值,以取樣點為基礎數據點對規則的三維格網數據點進行插值,形成規則的 Grid格網模型,然后由規則的 Grid點生成 TI N模型,從而實現用小三角形單元逼真模擬煤層頂、底板界面。巖層界面模型、土巖界面模型的構建與煤巖界面模型構建方法相同。

2.4 構建實體模型

實體模型包括采場現狀實體、煤層實體、巖層實體模型等。常用的構模方法有塊段建模法、界面建模法、簡單類三棱柱構模法等。本文采用一種新的構模方法,即包絡法構模,該方法具有運算時間短,構模速度快、通用性強、完全適合于層狀礦體等優點。

(1)采場現狀實體模型的建立。把已經生成的地表現狀界面模型作為采場現狀頂面模型;生成采場現狀頂面模型的邊界線;再將每個采場三角形面片單元向某一水平面投影,把它作為采場現狀的底面模型;生成采場現狀底面模型的邊界線;通過采場現狀頂面模型和底面模型形成采場現狀的側面模型;通過封閉面固化成體的建模方法 (包絡法),就可以得到采場現狀實體模型。

(2)煤巖實體模型的建立。煤巖實體模型的建模與采場現狀實體模型的建立類似,生成的煤巖實體模型如圖2所示。

圖2 某露天礦煤巖實體模型

2.5 露天礦三維地質模型的建立

在采場現狀實體模型和煤、巖實體模型的基礎上,以現狀實體模型為基態模型,先與其它地質體作布爾“差”運算,構建土巖模型,然后再將其余的地質體模型進行“反插”[4],進而共同構建出露天礦三維地質模型,如圖3所示。

圖3 某露天礦三維地質模型

3 三維可視化地質模型在露天礦中的應用

3.1 在露天礦模擬開采中的應用

模擬開采是根據工程位置的推進方向、工程量要求,模擬各臺階工程位置推進,是進行露天礦短期生產計劃編制的基礎。在露天礦采場三維線框模型上使用“人機交互”的方法選擇計劃擴幫臺階的坡頂、底線,圈出計劃線;根據露天礦采場三維線框模型對計劃線賦高程值,并用露天礦開采參數對計劃線進行擴展,用計劃線截取影響區域內的現狀臺階坡頂、底線,從而構成整個計劃線框模型。本文使用計劃線框模型構建實體模型,并導入煤、巖實體地質模型,與計劃實體模型做布爾運算,獲得煤、巖工程量。模擬開采為采礦工程師提供了方便、靈活且可靠的設計手段,使實現多方案設計并從中選優成為可能,提高了采礦設計的速度和質量[6]。模擬開采示意如圖4所示。

圖4 模擬開采示意

3.2 在地質儲量計算中的應用

首先圈定需要計算地質儲量的區域,然后系統自動生成所圈定區域的柱狀實體模型,把區域實體模型和地質體實體模型做布爾運算,最后生成所圈定區域的地質實體模型。在生成塊段實體模型后,AutoCAD提供對空間數據的查詢功能,直接利用其Volume屬性即可得到該實體部分的體積,然后乘以多邊形范圍內的含煤率,便可得到任意邊界范圍內的儲量值。

3.3 在露天礦礦巖量計算中的應用

傳統的露天礦礦巖量計算方法主要有平面算量法和剖面算量法[7],采用手工方法,不僅計算速度慢,而且精度差。在建立礦床三維地質模型之后,根據每月驗收測量的數據,按時間序列生成一系列的采場 DEM模型,通過不同時刻的 2個 DEM模型,作1次差值運算,準確計算出這個時間段的采剝量,并與露天礦三維地質模型相結合,精確計算出采剝區域內的煤、巖、土的采剝量,可更好的滿足礦山實際生產需要。

3.4 在地質圖件繪制中的應用

利用三維可視化地質模型可以生成任意地質平、剖面圖,與手工方法相比,具有方便、靈活、準確、快捷的優點。以繪制剖面圖為例,首先確定任意剖面線的位置,用剖面線切割實體模型,形成面域模型;把面域模型炸開,形成首尾相連的直線段;對直線段依次進行首尾連接,形成連續的剖面線;將所得的剖面線經過坐標轉換,再添加坐標網格生成剖面圖。剖面圖生成與效果如圖5所示。

圖5 剖面圖的生成與效果

3.5 在滑坡防治中的應用

由邊坡應力、位移監測系統實時監測數據繪制位移監測曲線,運用回歸分析方法生成巖移預警線,可以進行滑坡預警。此外,對露天礦三維邊坡進行切割,可以得到任意位置的邊坡剖面圖,利用 Bishop法和剩余推力法計算邊坡穩定性系數。將滑坡預警與邊坡穩定性計算有機結合,可有效防治滑坡。

4 結 論

本文所建立的某露天礦三維可視化地質模型以AutoCAD為平臺,對其進行二次開發,結合地質數據資料與實際情況,建立三維可視化礦床地質模型。利用三維可視化技術建立的礦床三維地質模型可逼真的反映地質體的位置與空間形態,可為模擬開采、地質儲量管理、礦巖量計算、地質圖件的生成與滑坡防治提供很好的平臺,因此,三維可視化建模技術應用于露天礦,突破了傳統的模式和方法,極大的提高了生產效率,為礦產資源的可持續開采提供了技術保證。

[1] 李一帆,李 楓,王慧萍.三維可視化技術在礦山工程中的應用[J].中國鎢業,2009,24(1):24～27.

[2] 王志宏,陳應顯.露天礦三維可視化礦床地質模型的建立[J].遼寧工程技術大學學報,2004,23(2):145～148.

[3] 段立莉.露天煤礦三維地質建模及其可視化研究[D].西安:煤科總院西安研究院,2008:11～13.

[4] 劉光偉,白潤才,曹蘭柱,等.基于 AutoCAD的露天礦三維地質模型的三維可視化構建方法[J].世界科技研究與發展,2008,30(6):758～760.

[5] 宋子嶺.地質信息系統及其在露天礦中的應用[M].北京:煤炭工業出版社,2003:16～17.

[6] 魏春啟,金智求.露天煤礦模擬開采系統的研究[J].露天采礦技術,1999,(1):5～7.

[7] 楊榮新.露天采礦學 (下)[M].徐州:中國礦業學院出版社,1988:137～14.

遼寧工程技術大學研究生科研立項資助(Y201000804).

2010-07-21)

孫前芳 (1980-),男,黑龍江人,助理工程師,碩士,從事煤礦生產技術管理工作。