礦井三維地質模型構建

紀維新 王猛 楊魯振 張寧 楊志良

摘要：本文基于GOCAD軟件的三維地質建模的原理和方法，以某礦區深部地質條件為例，對礦區的地層、構造、巖體進行分析并建立了三維模型。每個地質三維模型都能更好地反映地質體在三維空間的分布形態，這對地質技術人員科學管理地質和施工信息具有重要指導作用。

0 引言

隨著計算機軟件技術的快速發展，煤礦地質專業人員逐漸摒棄了憑借經驗推斷地下空間的疊置特征的方法，采用三維可視化建模技術管理地質與施工信息。GOCAD是目前世界上應用最廣泛的大型三維建模軟件，在地質建模領域具有應用廣泛。它不但擁有獨特的地質建模功能，能夠實現地質構造和屬性的統一表示，而且具有強大的可視化和地質解釋功能[1]。

本文對某礦區整體地質條件進行分塊分析，建立工作面、巷道、豎井等多個地質體的三維模型，進而為建立某礦區整個深部地質構造模型奠定了基礎，為后續地質人員掌握該礦區的地質結構提供三維展示模型。

1 軟件概述

GOCAD軟件是法國研究學者開發的地質領域三維可視化建模軟件，軟件充分考慮了地質資料的多源性，它能提供多種約束條件，可編輯形成任意形狀的曲面[2];它不僅可以設計空間幾何對象，也可以表現空間屬性分布在地質工程、地球物理勘探、礦業開發和水利工程中均有廣泛的應用。

1.1 數學處理方法

由于地質數據的不確定性，以及不同類型的數據可信度不同等特點，采用離散平滑內插方法作為核心技術。該方法適用于復雜模型的構造和模型表面的不連續情況的處理，可自由調整網格模型并實時運行。

1.2 三維數據結構

三維建模軟件采用數據結構的類型，對于模型的精度、存儲量和實時分析等有重要影響。點的位置由其空間坐標來確定;線由連結兩點的一系列節組成，起點和終點限定邊界;面由連結3點的三角形組成;體由1組面組成。這種模型表示精確，數據量小，被廣泛地應用在一些三維建模軟件中[3]。

1.3建模步驟

三維地質可視化建模的具體步驟主要有以下三點[4]：（1）三維建模的數據來源是CAD圖形格式的地形等高線、柱狀圖以及剖面圖等。這些圖通過CAD存成.dxf格式即可導入軟件。（2）將AutoCAD軟件支持的dxf格式文件轉化為三維坐標信息。（3）將所得數據導入并建立表面模型和實體模型。

2.礦井三維地質建模

2.1 礦區地質概況

礦區海拔340-480m，井田東西長8.1km，南北寬6.5km，面積52.7km2，礦井資源/儲量819.75Mt，工業儲量740.69Mt，可采儲量395.44Mt。根據礦區煤層地形等高線圖，繪出等高線的邊界線，此后建立的三維地質體模型皆為此區域。

2.2 地表模型建立

二維填圖過程中使用的等高線是建立地表三維的基礎，將等高線的數據屬性導出，編輯形成文本文件（.txt），將文件導入軟件中形成點文件，再對點文件加以優化及邊界約束，最終由點創建面，生成地表形態的DEM。

2.3 煤層以及相關地層模型建立

用等高線確定煤層底板的地形，建立煤層底板模型。根據鉆探資料確定了不同地區的煤層厚度;根據煤層厚度確定了煤層頂板模型，根據現有煤層表面模型，通過workflow建立煤層的塊體模型，用實體模型來表現其他地層的構建。

2.4 工作面模型建立

將工作面邊界線調整為一條封閉曲線，并將z值賦予相應固定值，將坐標數據導入到系統中;其次，將封閉曲線連接成一個封閉的曲面;最后，依據工作面與煤層的交合關系，并將多余的部分切割處理，即可形成三維工作面模型，工作面采用地表DEM覆蓋的方法。

2.5 巷道與豎井模型建立

巷道模型的建立需要大量坐標數據，首先分節點提取CAD圖中礦區巷道的坐標數據（x，y），然后根據巷道與等高線的交點，確定相應的Z值。所提取的數據點越多越好，旨在準確確定巷道的起伏。通過在每個節點位置建立的二維剖面圖對巷道結構進行反演，勾繪出巷道形態與走向，再將二維剖面連接成為三維剖面，形成巷道模型，豎井模型仍參照此方法建立。

3 結語

GOCAD可對三維地質體進行可視化操作，利用三維切割可獲得重點研究區域的地質體，它還可以動態地管理地質和施工信息。這套建模方法可普遍適用于礦產勘查、工程地質和災害等眾多領域。

參考文獻

[1]范文遙，曹夢雪，路來君.基于GOCAD軟件的三維地質建?？梢暬^程[J].科學技術與工程，2020，20（24）：9771-9778.

[2]李鐸.山東省曲家金礦床GoCAD三維建模與成礦預測[D].中國地質大學（北京），2020.

[3]劉安強，王子童.煤礦三維地質建模相關技術綜述[J].能源與環保，2020，42（08）：136-141.

[4]朱亞勝.GOCAD在賽博銅礦區三維地質建模中的應用[J].世界有色金屬，2020（02）：24+26.

作者簡介：紀維新（ 1975.8- ），山東泰安，男，漢族，工程師，本科，研究方向：礦井地質工程管理。