關于數字礦山中三維地質建模方法及應用研究

曲鑫

摘 要：3D地質創模是建立數字礦山的重要前提條件，為礦業發展提供了新的機遇與動力，同時也遇到了很多急需處理的難題。本文根據礦山數據特征和數字礦山建立目標，本文詳細分析了3D地質創模的體系結構，并闡述了數字礦山中3D地質創模方式的使用。

關鍵詞：數字礦山；三維地質創模；體系結構；應用分析

中圖分類號：TP391.41 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）11-0189-01

因3D空間信息采集存在艱難性與地質體繁瑣性特征，3D地質模擬通常是經分析、解釋、推斷、內插與外推等創建地質模型。針對石油項目的三維地質創模能使用大量地震剖面信息，而數字礦山創建環節，因取樣信息稀疏、數字模型不統一和缺少指導地質創模的有效規則等，導致對地質信息及概念的表述非常困難，不確定性現象尤為突出，影響到3D地質模型的質量管理及評估。三維創模的各環節均可能存在不確定性因素，如不同的檢測信息格式、分布和不同的創模觀念、模型、參數選擇等均可能影響到創模進程，通常導致無法準確地明確研究物體的空間分布和各種屬性，怎樣在各環節展開不確定性研究并有效避免不確定性的擴展是尚待處理的重要問題。

1 三維地質創模體系結構

在生態資源評價與風險評估等研究過程中，經收集戶外與地下信息建立3D地質模式是個很關鍵的工作。但是，現有的探究成果和3D創模目標間還存在很大的差異。很多研究只是停留于實驗室階段。本文針對三維地質創模系統展開詳細分析，其基本流程是：

（1）采用地質信息收集與處理設備，經本地和遠程服務采集信息。數字礦山具有多元化特征，經信息采集、整理劃分、分析及推斷判別等過程，對數字礦山加以解釋和判別，成為3D地質創模的關鍵依據，這是一件專業性、技術性很強的工作。（2）結合資料解釋和判別結果，劃分研究范圍的地質信息，借助接口引擎引入多源地質資料，并根據三維地質創模系統規定的信息格式，實現信息的矢量化、參量域轉變、增補信息、信息校驗檢測與修正等多種信息耦合處理[1]。因空間地質信息的來源、格式、呈現模式、量綱等存在多元性，信息不完整性與不統一性成為其最嚴重的問題，并極大影響到地質創模的質量。通過耦合處理后的信息會作為3D創模的依據。（3）對經接口引擎引入的多源地質信息進行歸一化、除噪與編碼等處理，使其實現一體化，為闖進科學的地質模型帶來有效的信息及科學依據。（4）里用點建模、線框建模、表面建模、體元建模和混合建模方法，分別創建地面模型、地層模型、斷面模型、礦身模型、屬性模型、項目模型、礦山制造設備模型等[2]。若干種建模方式集成需要處理的關鍵問題有：空間插值方式、斷層或礦身等繁瑣地質體空間布局的不確定性與創模方式、表面結構的無縫銜接和體元構模準確性等。（5）在多辨別率可視化條件下，根據空間數據質量檢查模型，通過研究3D地質創模流程每個環節中干擾空間信息質量的因素，展開定量及定性統一評估，并允許追溯到（1）-（3），實施偏差檢測和分析校準。（6）對創建的模型實施質量檢測和修正后，能提供給地質開發者利用。實現地質實況模擬、項目開挖模擬、生態環境模擬、開采計劃設計、資源儲量預算、等值線獲取、空間信息查詢、信息庫查詢、信息挖掘等多維信息分析。當前，有些操作也會采取質量檢查研究機制，若發現問題，也能追溯到（1）（3），實施偏差校正，以充分確保模型的穩定性。（7）3D地質創模在數字礦山中的使用涉及地下水模擬、礦山品位與儲量估算、測控與開挖輔助設計等。當前的研究成果與軟件廣泛注重空間3D表示手段，不能提供科學的輔助處理設計及決策支撐，處理礦山實際事件的能力與深度尚待提升。

2 三維地質創模在數字礦山中的使用

在數字礦山開發中，3D地質創模的基本流程為：創建一模擬一校正。以3D地質模型為前提，展開資源儲量預算、礦山規劃和設計、優化開采計劃、數字礦山綜合化顯示及監控、風險評估，提供礦山勘察、復墾等多種決策依據，給礦山開發各環節的任務提供科學的技術支撐，增大礦山開挖效率。

（1）3D地質創模。通過礦山勘探采集多源數據，采取多源信息耦合、多種創模方式集成、多辨別率可視化及檢測等途徑，創建礦山的3D地質模型。（2）礦體資源模擬和預測。經鉆孔模型分析與虛擬開采井的虛擬，明確礦床布局；礦體產狀朝著研究區外擴展，預算資源量；統一分析和評估礦床品位、布局及儲量等。（3）數字礦山規劃與設計。經研究礦產資源布局、儲量等狀況，并模擬采礦過程，編制出采礦方案、開采進度、生產管理策略及優化控制等，促進數字礦山規劃及設計工作的順利開展，由此減小開采風險與采礦費用，加大回采率。在全面論證其可行性的同時，能實施礦山實際開采。（4）仿真場景可視化綜合。把三維MAX或AutoCAD等系統建立的采掘項目、防排水結構、機電設施、監控設施、地面廠房、交通設備等3D模型，經調換接口，和3D地質模型實現無縫統一，實現仿真數字礦山地面、地下的統一化顯示；另外，因開采環節可能揭露了新的或再次解釋了現存的結構、礦體等，要求由此校正3D地質模型，而且，也要進一步把新出現的地下采空范圍、巷道等信息錄入到模型內。（5）集中數字化信息控制。針對復雜的礦山采礦，創建測控、員工定位、通迅聯絡和安全運作狀態等集中信息的網絡化預警機制，為礦山穩定生產管理帶來決策依據，防止重大安全故障與員工傷亡[3]。（6）災害仿真評估、對礦井冒水、瓦斯爆炸等災害問題進行虛擬、預測和評估；對地表坍塌或開裂程度及范圍等展開模擬分析；分析和評估采空區的穩固性，為礦井災害預防提供依據，若出現類似災害應當及時對3D地質模型實施局部校正。（7）礦山環境復原出理。結合模擬預測于礦山開發階段所產生的環境地質現象及災害，建立出礦山地質條件的修復出理措施，為數字礦山地質區域保護和復墾帶來定量化的有效依據。

3 結語

國內礦山由勘察、規劃、設計、開采、管理至監控等數字礦山創建依舊處在起步過程，其中，3D地質創模是促進數字礦山建立的重要條件，為礦山行業的發展提供了新的機遇及動力，同時也帶來了很多急需處理關鍵性技術問題。

科學合理的使用三維地質創模系統，可充分使用礦山信息，在空間數據質量檢測管理下，經模擬現實、可視化等方法建立科學的3D模型、對地下資源加以科學解釋與評估，為數字礦山發展提供有效支撐。該系統還適合在地質、石油、城市及水利等各個領域的地質環境調查、3D地質創模及應用等過程中，為各學科的協調建立一個共享的數字系。

通過長時間的探究，國內外已有諸多的研究成果及商業化結構，但在礦山現存的勘探環境，怎樣提升3D地質模型及資源模擬準確度、科學評估空間數據可信度，和怎樣指導數字礦山的規劃與設計工作、加大災害模擬評估的精準性，為安全控制帶來有效的決策依據，增加礦山生產率等，依舊是3D地質創模領域急需深入思考與研究的問題。

參考文獻

[1]周鄧.基于3Dmine的鄒家山鈾礦床三維地質模型的構建[D].東華理工大學，2016.

[2]李青元，馬梓翔，崔揚，陳春梅，董前林.Geo3DML在三維地質建模中的應用研究與建議[J].地質學刊，2015，39（03）：358-366.

[3]曾夢秋.基于鉆孔數據的三維地層模型建立及工程應用研究[D].武漢工程大學，2014.