基于鉆孔的露天礦煤、巖一體化建模應用研究

ERKAYEV UMIDJON 劉光偉 馬顯帥

（遼寧工程技術大學，遼寧 阜新 123000）

目前關于露天礦智慧礦山建設的頂層方案不斷提出[1-2]，一片百家爭鳴的局面，國內露天礦建設的局勢大好，但是在關注露天礦頂層設計的同時，我們也應意識到實現露天礦的三維地質精確建模是實現露天礦山智能化建設的基礎，也是實現露天礦“透明地質”[3-4]的基礎。采礦工程日常生產及設計的主要對象是地質礦床，處理的是復雜的地質數據，研究的是采礦工程布局、開采程序、開采工藝等[5]，以上所述均是以三維地質建模為基礎的。露天礦三維地質模型構建的精確度直接影響到露天礦境界的圈定、開采工藝的選取、生產計劃的編制等等，直接影響露天礦的經濟效益。可以說，精準的三維地質模型的構建是露天礦智能化建設的起點。

1 鉆孔建模方式

基于鉆孔點的露天礦建模方式大概分為以下四步，首先就是對數據的核對、處理并將整理好的數據導入到建模軟件中，接著利用處理好的數據進行煤層的頂、底板面和側面的構建，然后依據封閉的頂、底板面和側面進行煤層實體的生成。煤層實體模型建立好之后，利用實體的布爾運算實現巖層模型的建立，最終實現露天礦三維地質實體模型的建立。

1.1 數據的處理

首先需根據鉆孔柱狀圖、剖面圖、勘探線平面位置圖等資料對鉆孔數據進行了分析、處理并匯總，具體工作如下：

1.1.1 對鉆孔柱狀圖、剖面圖和勘探線位置平面圖中的鉆孔坐標進行核對和匯總。

1.1.2 根據鉆孔中煤與夾矸的厚度，對每個鉆孔中每層煤的含煤率進行計算并匯總，并將鉆孔數據以表格形式進行匯總，其匯總的主要內容是：鉆孔號、坐標（X、Y、Z），煤層編號、厚度及其相應的頂、底板標高，以及煤層的含煤率。

1.1.3 將整理所得的鉆孔數據導入到建模軟件中進行展點。

1.2 三維地質面模型的構建

露天礦的三維地質面模型的構建主要是頂板面模型、底板面模型和側面面模型，其具體步驟如下：

1.2.1 頂、底板面模型的構建。

將已有數據轉換為可用于模型構建的數據后，確定建模的邊界，采用一定的插值方法進行插值后，利用帶約束條件的Delaunay 三角網實現對于煤層頂、底板面模型的構建。

1.2.2 側面面模型的構建。在煤層的頂、底板建模邊界確定后，利用煤層的頂、底板邊界線之間連接三角網實現煤層側面面模型的構建。

1.3 三維地質實體模型的構建

地質體的實體模型構建是露天礦三維地質建模的中心，煤層的頂、底板面模型和側面面模型建立好后，形成了一個封閉的空間，以包絡面固化成體法[6]形成煤層實體模型。

1.4 三維地質模型的建立

首先利用與建立煤層實體相同的方法建立露天礦采場現狀實體、斷層等實體，再以采場現狀實體模型為基礎，與其它地質體運用布爾差計算來得到土巖層實體模型，從而形成對露天礦三維地質煤、巖實體模型的構建。

2 基于鉆孔的煤、巖一體化建模方式

傳統的露天礦建模中將煤層實體模型建立好之后，利用已建立的煤層實體等主要實體模型和露天礦現狀實體模型進行布爾運算，即可得到巖土體的實體模型[7]，雖然這種建模方法實現了對于煤層等主要地質體的快速建模，但是對于巖土體的建模還是采取了一種“估算”的方式，并且認為其在地下的賦存是均勻的、單一的，但是這種認知直接和現場的鉆孔數據揭露出來的地層巖性相悖。

因此，筆者提出一種基于鉆孔的露天礦煤、巖一體化建模方法，在實現煤層精確建模的同時，將鉆孔點所揭露出來的地層巖性也進行體現，實現巖層的精確建模。基于鉆孔的露天礦煤、巖一體化建模，就是從鉆孔數據整理開始，對巖層的信息進行和煤層信息同步的整理，接著采用類似煤層建模的方式對巖層也進行精細化建模，其具體的建模流程如圖1。基于鉆孔的煤、巖一體化建模方式是基于傳統以煤層建模為主的建模方式的基礎上提出的一種建模方法，此種建模方法在實現煤層精確建模的同時，也實現了對巖層的精確建模。此種建模方法對于煤層建模部分與前文所述相同，此處不再進行贅述，下面就基于該種建模方式中巖層的建模流程進行陳述。

圖1 基于鉆孔的巖層精細化建模流程

2.1 巖層地質數據的處理

首先對鉆孔資料中鉆孔的坐標進行核對，同時由于巖層的分布相較煤層而言更加不規則、連續性差、層位關系差，在整理巖層信息時可把較薄的巖層進行忽略和合并，如圖2，將巖層的信息如巖性、巖層的頂、底板標高、巖層厚度都整理到統一的EXCEL 表中，進而在建模軟件中進行展點。

圖2 較薄巖層整理合并示意圖

圖3“分塊建模”建模范圍確定方法示意圖

2.2 確定巖層建模范圍

當某巖層在建模區內不是全區發育，或者是僅在局部發育時，此時對該巖層建模采用“分塊建模”的方法，利用鉆孔的影響范圍（在建模區最外鉆孔和其相鄰不同巖層（煤層）的最外鉆孔進行連線，取它們連線的中點依次進行連線，如圖3），確定進行建模巖層的建模邊界。

2.3 進行插值

現場打鉆的數量相對于廣闊的建模區而言太少，而且鉆孔的位置具有一定的不均勻性，因此為了構建具有一定精度要求的三維地質模型就必須采用合適的插值方法，進行點的插值。

2.4 巖層面模型的構建

利用建模區域內巖層頂板的鉆孔點、頂板建模區域邊界線和頂板插值點，利用帶約束條件的Delaunay 三角網來建立巖層頂板面模型，對于巖層的底板面模型的建立亦是如此。對于巖層側面面模型的建立是利用巖層的頂、底板建模邊界線間連接三角網來實現。

2.5 巖層面模型的檢驗

由于為了確定不同巖性鉆孔的影響范圍，采用在不同巖層的鉆孔間進行連線，不同巖層的建模邊界線由連線的中點依次連接而成，再利用連接好的邊界線去參與建模，這就相當于在原來鉆孔的基礎上增加了新的控制點（連線的中點），這樣會導致三角網的連接方式與直接利用鉆孔點的三角網連接方式不同，從而導致巖層、煤層三角網可能出現相交的情況，因此對于煤、巖層接觸面處巖層的三角網的構建進行檢查、修改，再重新進行面模型的生成。

2.6 三維實體模型建立

利用巖層頂、底板面模型和側面面模型構成一個密閉空間，確保“不漏氣”，運用“固化成體”技術，實現巖層實體的生成。

3 基于鉆孔的煤、巖一體化建模實例

某礦補勘數據的鉆孔點分布如圖4 所示，以SMCAD[8]為建模工具，采用煤、巖一體化建模方法，實現對6 煤和7 煤的煤層實體建模，同時建立兩煤層之間的夾矸的巖層實體模型，最后利用建立好的模型拉剖面與相鄰僅鉆孔對比驗證建模的精確度。

圖4 建模區鉆孔分布示意圖

3.1 煤、巖實體模型的構建

對于鉆孔信息進行檢查核對無誤后，將煤層和巖層信息整理到統一的EXCEL 表格中，將這些包含鉆孔信息的所有表格導入到SMCAD 的數據庫中，并利用其進行展點。

3.1.1 煤層實體模型的建立

首先確定6 煤和7 煤的頂、底板建模邊界，然后選用一定的方法進行插值，利用頂板（底板）的插值點、鉆孔點、建模邊界線來實現頂板（底板）面模型的構建，再利用煤層頂、底板建模的邊界線連接三角網實現煤層側面面.模型的構建，最后利用煤層的頂、底板面模型及側面面模型形成封閉的空間，實現6 煤和7煤的實體模型的建立。

3.1.2 巖層實體模型的建立

對于兩煤層之間的夾矸的建模，采用“分塊建模”的方法，根據展點情況利用不同巖性鉆孔的影響范圍，確定不同巖層建模邊界，選用合適的插值方法完成插值后，利用“兩點一線”（鉆孔點、插值點，建模邊界線）實現巖層頂、底面模型的建立，此時，要對建立的巖層面模型進行檢驗，若出現局部的建模情況與實際不符，要采取添加控制點和控制線的方式進行調整，最終實現巖層頂、底面模型的建立，也同樣是利用頂、底面建模邊界連接三角網，最后利用固化成體法實現不同巖層模型的構建。

3.2 煤巖體鉆孔剖面對比

煤、巖實體模型建立好后，采用拉剖面與相鄰鉆孔點對比的方法檢驗建模的精確度。在煤巖實體模型內選擇一個剖面1-1＇，如圖5（a），此剖面的剖面圖如圖5（b），并在圖5（b）選擇了三個對比點與相鄰的鉆孔進行煤巖對比，對比情況如圖5（c）。通過剖面上的對比點和附近實際鉆孔揭露出來的煤、巖信息對比可以看出：煤、巖“一體化”的建模方式能較準確地實現對地層信息的描述和重現，提高了建模的精確度。

圖5 煤、巖實體模型檢驗

4 結論

本文提出了一種基于鉆孔的露天礦煤、巖一體化建模方法，可將鉆孔揭露出來的地層信息進行最大程度的重現，實現了在SMCAD 中對煤、巖體的精確建模，同時通過這種“一體化”建模，在對露天礦的邊坡進行穩定性分析時，能更好地對相應的巖體進行參數賦值、滑坡模式的預判、計算方法的選擇等，從本質上提高邊坡穩定性分析的準確度。但是本文的這種“一體化”建模方式是對巖層的賦存條件進行一定的處理后所得到的，在進行巖層信息整理時的整合過程存在人的主觀能動性，一般還是經驗主義為主，因此最終巖層的建模結果可能存在一定的差異，同時該種建模方式的建模速度相對來說還是較慢的，而且此種建模方式僅適用于基于鉆孔的露天礦建模，對于基于勘探線的一體化建模方式還是在進一步的探索中。