露天礦三維地質模型的建立

摘要：本文通過采用TIN方式、封閉面固化成體的方式建立三維地質面模型和露天礦三維地質體模型，對煤層、巖層的空間賦存形態和發育程度進行描述。研究結果顯示，該方法一方面能夠顯示形象的三維動態效果，另一方面對于計算礦巖量更為準確方便。在采礦過程中，通過三維地質模型能夠滿足勘探和評價礦產資源的需要，以及設計和規劃露天礦坑的需要，進而在一定程度上便于對礦產資源進行管理。

關鍵詞：三維地質模型 TIN模型 封閉面固化成體 精度評價

1 概述

在國內外礦業研究領域，三維地質建模技術逐漸成為研究的熱點和焦點。通常情況下，進行礦體分析和礦床預測是以三維地質模型為基礎的，三維地質模型在一定程度上為工程決策和管理提供參考依據。所以，在當前環境下，研究分析三維地質模型的建模過程，具有重要現實意義。

在對露天礦開采進行設計，以及制定生產進度計劃時，需要結合地質數據管理的現狀，利用三維地質建模技術，將計算機處理數據信息的能力與設計人員的專業知識、專業技能進行結合，其作用主要表現在：一方面展示工程設計人員的能力，另一方面制定科學、合理的采礦方案。

2 三維地質模型的建立及更新

2.1 建立三維地質面模型

2.1.1 建立采場面模型

在建立露天礦采場面模型的過程中，由于露天礦采場特點的影響和制約，在建模過程中本文采用了加入約束線的TIN模型，在構建露天礦采場面模型過程中，臺階線的約束條件需要進行重點考慮。在構建采場面模型的過程中，如果對坡頂線和坡底線的影響考慮的不全面、不細致，在一定程度上就會出現三角形跨越坡頂線和坡底線的現象，進而臺階被削平，影響下一步的工程量的計算。通過對TIN模型進行加入約束線處理，使之具有約束條件，進而很好的反映露天礦的地表情況，如圖1所示。

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圖1 采場界面示意圖

2.1.2 建立煤巖面模型

煤、巖對于露天礦來說，是其主要的地質礦床。在構建煤、巖面模型的過程中，約束線通常是平面數據點的邊界線。為了達到描述煤、巖層面的目的，需要對煤巖頂板、底板、側面分別構建三維面模型，為此本文通過采用帶約束的TIN法進行建模。由于煤層界面處于地表之下，以此通過鉆孔的方式獲取樣本數據，受取樣點數量較少的影響和制約，高密度的TIN模型難以形成，進而需要對模型進行插值處理。在本文中使用的是距離冪次反比法，對三維格網數據點進行插值處理，形成Grid格網模型，最終生成TIN模型，如圖2所示。

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圖2 煤層界面示意圖

2.2 建立三維地質體模型

通過采用封閉面固化成體的建模方式構建三維地質體模型。在建模過程中，構建地質面模型時需要借助不規則的三角網，尤其是要充分利用上下地質界面和側面的三角網模型，進而形成閉合面，進一步構造地質體，最后生成三維地質體模型，地質對象內部的屬性特征和地質對象之間的拓撲關系通過三維地質體模型對其進行描述，該模型同時具有對三維空間進行分析、查詢、決策功能。

2.2.1 建立采場現狀實體模型

通過采用封閉面固化成體的方式建立采場現狀實體模型，利用該模型對采場進行模擬，其效果較為理想。生成采場現狀實體模型的過程如下：

①在建模過程中，模型的約束線選擇露天礦臺階的坡頂線和坡底線，生成的TIN模型遵守帶約束的Delaunay法則，構建采場現狀面模型時使用小三角面片單元，在一定程度上生成采場現狀的頂面模型。

②采場現狀頂面模型邊界線的確立。

③在某一水平面內對三角形面片單元進行投影處理，將產生的投影作為采場現狀實體模型的底面。

④采場現狀底面模型邊界線的確立。

⑤通過①和③生成的模型頂面和底面，同時對模型的側面進行構建。

⑥利用封閉面固化成體的方法，對已經確立的采場現狀實體模型的頂面、底面和側面進行處理，建立采場現狀實體模型。

⑦通過采用AutoCAD提供的著色、渲染等手段對地層的形態進行顯示，在一定程度上增強了立體感，進而使其更加形象，如圖3所示。

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圖3 采場實體模型

2.2.2 建立煤層實體模型

在建立模型方法方面，建立煤層實體模型與建立現狀實體模型大致相同。生成煤層實體模型的過程如下：

①煤巖頂底板所需的數據，在建模過程中，從鉆孔、剖面圖、等值線中獲得，對離散數據通過估值的方式進行處理，通過對半徑進行科學合理地參估，進而獲得煤巖頂底板的相關數據。

②在構建頂板面模型、底板面模型的過程中，充分利用煤巖的頂板數據和底板數據，頂底板面模型的邊界線自動生成。

③側面模型的構建需要通過借助頂底板面模型的邊界線。

④確立煤巖頂板、底板、側面模型后，建立煤巖實體模型需要借助封閉面固化成體的建模方法，如圖4所示。

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圖4 煤巖實體模型

2.2.3 建立露天礦三維實體模型

如圖5所示，在建立地質體模型（現狀實體模型、煤層實體模型、斷層實體模型等）的過程中，其中，基態模型選擇現狀實體模型，通過運算建立相應的地質體現狀模型，通過反插處理，生成相應的露天礦三維地質實體模型。

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圖5 露天礦三維實體模型

2.3 三維地質模型的更新

隨著工作臺階的不斷推進，需要對采場實體模型和煤巖實體模型進行更新。每月的平盤作業工作量，測量部門都要對其進行驗收測量處理，同時及時更新采場DEM模型和采場現狀模型。地質部門每月對于地層界面進行寫實工作，利用新的地層界面寫實數據對原有的地層平面數據進行及時的更新處理，然后對煤巖實體模型通過封閉面固化成體的建模方式進行更新。

露天礦三維可視化地質模型通過上述操作實現了自動更新的功能，在一定程度上構建了動態地質模型。結合露天礦的開采特點，這種模型能夠進行自動更新，其更新過程是，利用測量驗收數據和地質寫實數據完成地質體模型、采場實體模型的更新功能。露天礦三維可視化地質模型的更新速度在一定程度上大大提高，為應用地質實體模型創造了條件。

3 三維地質模型精度評價

傳統地形圖在描述地形的過程中，受測量方法、誤差、等高距等因素的影響，存在描述不準確，測量精度的缺陷。通過采用離散化的方式，對采樣數據進行處理，三維地質模型在描述和表達的過程中，克服了傳統地形圖描述存在的缺陷和不足，在一定程度上提高了測量的精度和描述的準確性。

3.1 回放等高線套合分析

將模型數據生成等高線圖，與原始等高線進行疊加比較，同時對等高線是否存在異常現象進行相應的檢查，這個過程被稱為等高線套合分析。通常情況下，對于模型精度，通過等高線套合分析就能對其進行全面的評價。如圖6所示，其中灰色線和黑色線分別表示原始的等高線圖和根據DEM內插生成的等高線。

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圖6 模型等高線疊加圖

3.2 剖面檢查法

沿著原始地質剖面方向，截取模型剖面圖，通過與已知的勘探線剖面進行對比，分析高程點的誤差，在一定程度上滿足了誤差精度的要求，該方法被稱為剖面檢查法，如表1所示。

表1 高程差比較表

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4 結論

①本文在建立三維地質面模型的過程中，借助TIN建模方法和封閉面固化成體的構模方法，進而建立露天礦三維地質體模型，進而描述地層的形態和發育程度。

②本文通過采用自動更新的新方法對三維地質模

型進行處理，進而對地表模型和地質面模型進行自動更新。

③本文通過對模型精度的誤差源進行分析，利用多種方法對模型精度進行評價。

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