智慧礦山三維地質體建模的探索與研究

王娟 劉猛

摘要：為提高礦山生產的安全性、開采效率，本文首先分析智慧礦山三維地質體建模的具體優勢，再分析建模過程中存在的實際問題，結合礦山生產實際，提出三維地質建模的應用要點，最后總結梳理總結了智慧礦山三維地質體建模技術路線、建模流程，以此為更多的相關從業人員提供實踐參考。

關鍵詞：智慧礦山；三維地質體；建模

前言：隨著智能化、信息化的快速發展，礦山生產也不斷得到優化和升級。地質體建模作為礦山智能化、信息化的數據重要組成部分，具有很重要的實際意義。傳統地質學方法只能提供簡單的礦床地質數據，不能從三維立體角度、三維可視化、可分析角度下直觀展示三維地質體構造，不能滿足現代大規模采礦對復雜地質結構需要高度精確的實時監控與評估需求，因此，在近幾年發展起來的三維新技術支持下進行三維地質體建模具有較高實用性。

1智慧礦山三維地質體建模的優勢

1.1可以在虛擬環境下進行開采和選礦工程設計

三維地質模型可以從不同的角度觀察地形、地質構造，可以根據工程設計需要進行任意剖切，真實反映礦體的形狀和產狀。在三維地質模型上進行礦山開采設計時，可以建立礦體模型和巖層模型，并利用勘探數據進行賦值，從而對采場位置、開拓方案、開采順序、巷道布置、生產能力計算等進行合理安排。在選礦工程設計時，可以利用三維地質模型建立礦體模型和巖性模型，通過與礦體、巖層、地表等屬性數據相結合，實現礦床的開采、選礦工藝的設計和優化。在進行露天采礦設計時，可以利用三維地質模型建立三維地表模型，實現整個礦區的整體規劃和資源開發。

1.2可以準確地反映礦石質量和資源量

礦體和圍巖是礦石的基本特征。利用三維地質建模技術可以建立礦體和圍巖的三維模型，直觀地觀察到礦體的賦存狀態，并且可以觀察到不同部位的礦石質量和資源量。利用三維地質模型對礦石進行篩選，可以降低選礦成本。

例如：某一礦區現有已探明資源量約為3100萬噸，開采1-2號礦石，預計在生產過程中可采出礦石量為500萬噸，因該礦區已經探明地質資源量3100萬噸，已探明礦石量占總資源量的70%，不能滿足開采要求。利用三維地質模型對該礦區進行篩選，根據不同礦體賦存狀態和品位要求進行不同方案設計，最終可獲得與已探明地質資源量相近的礦石量。結合已探明的地質資源量和礦石質量及品位要求，可確定每個礦體中開采的礦石量。僅從這一點來看，三維地質模型具有很大的作用。

1.3可以更好地預測資源的可開采性

三維地質模型是從礦山已有的勘探、地質、采礦、選礦等數據中，通過一定的手段建立礦山地質數據庫，并利用計算機技術進行模型的動態更新，可實現礦山地質數據的可視化，為礦山決策提供準確的基礎地質數據。通過對地質數據的分析和研究，可有效地揭示地下礦山礦體和地層間的空間分布關系，為開采方案的確定提供了依據。

建立三維地質模型可以對礦區地下礦體分布情況進行觀察和分析。可以建立礦體三維模型，并將其與地下空間模型進行疊加分析，可以比較準確地分析地下空間與地面空間之間的相互關系。通過對礦區地質結構進行分析和研究，可以找出礦山地下資源分布情況，從而對地下資源的可開采性進行預測。

2智慧礦山三維地質體建模存在的問題

2.1三維地質體建模標準不統一

由于地質、測量和采礦等不同專業的數據格式不統一，地質數據在三維建模過程中無法直接共享，各專業之間難以進行有效協同，進而影響了礦山三維地質體建模技術的發展。

2.2地質模型更新機制不完善

地質模型的更新是三維地質體建模技術的關鍵，只有及時更新地質模型，才能保證模型的準確性。然而，當前地質模型更新機制不完善，主要表現在以下幾個方面：

①模型更新周期較長。現有的三維地質建模軟件中，大多都沒有提供地質模型的實時更新功能，這使得地質模型更新周期過長。

②建模數據庫未統一。地質數據通常是動態變化的，如果沒有統一的建模數據庫，就會造成大量重復工作，并且不易共享。

③數據獲取方式單一。在進行地質建模時，為了得到更為精確的三維模型數據，通常需要使用多種軟件或工具進行數據獲取，而由于不同軟件或工具獲取數據方式不同，造成了數據獲取方式單一的問題。

2.3地質數據采集困難

在三維地質體建模過程中，數據的采集、處理、管理等都需要大量的人力、物力、財力，尤其是在對多個礦體的地質建模中，對于某些地質異常情況的描述，由于資料不足或操作不規范等原因，都難以取得真實有效的數據。目前在對某些地質異常情況描述時，由于資料不足或操作不規范等原因，可能存在遺漏、錯誤的描述現象。例如：在對某一處較大規模的鉆孔進行描述時，由于缺乏完整資料和操作不規范等原因，可能存在漏測、錯測、漏記等情況。因此，在對地質異常情況進行描述時，不僅需要大量人力物力資源，還需要進行科學的分析和判斷[1]。

3智慧礦山三維地質體建模要點

3.1數據處理

三維地質體建模的數據處理是指將處理后的數據按照一定的規則，基于已有的資料數據，按照一定的結構，形成三維地質模型。主要包括：數據標準化處理、數據配準處理、數據修改融合處理等[4]。

一是數據標準化處理：即對三維地質體模型中所包含的各種對象進行統一分類，以便在建模過程中按不同對象分別建立不同類型的三維地質體模型。標準數據庫建立的目的是便于對數據進行分析與處理，滿足工程設計與開發的需要。標準數據庫可以是一個文件或數組，也可以是一組文件或數組，還可以是一個表或數組。

二是數據配準：即對原始數據進行配準以消除各種誤差，得到符合要求的數據。配準包括對原始數據進行配準和對配準后的數據進行修改兩種方法：配準是建立在原始數據基礎上進行的，可以對原始數據進行單值、多值、連續或離散等多種配準；配準后的數據可以修改，但是要經過一定的轉換后才能被插入到三維地質模型中[3]。

三是數據修改處理：主要是將不符合要求的原始數據修改為符合要求的數字或符號。通常包括兩個方面：一是刪除重復或冗余的文本、圖像、圖形等；二是增加新元素[5]。

3.2模型融合

智慧礦山三維地質體建模的核心是各類數據融合，通過對地理信息數據傾斜攝影三維模型數據、DEM、DOM數據、地質數據、物探數據、鉆孔數據等進行綜合分析，利用模型融合技術對各數據進行整合，最終構建出符合實際情況的三維地質體模型。

一是地形與地質點融合。地形與地質點融合主要是基于?DEM?（數字高程模型）與?DEM?（數字柵格）兩種空間分析模型之間的融合，構建TIM三角網格，將地形與地質點在兩種空間分析模型之間進行數據交換，實現二者的共享，提高了三維地質體的建模精度和效率。

二是物探和鉆孔數據融合。物探數據和鉆孔數據之間的融合主要是基于等值線模型和?TIN?（TecnomativeLayer?Index）兩種空間分析模型之間的融合，創建相應地層類型，并自動填充鉆孔剖面，實現兩種空間分析模型間的互相調用、互相補充，提高了建模精度和效率。利用物探數據和鉆孔數據，可以實現不同層次模型間的數據交換，對工程實體進行快速建模。利用物探數據進行建模時，可以避免工程實體中的三維地質信息錯誤和缺失問題，同時也可以避免鉆孔內工程實體空間信息缺失問題。

三是鉆孔、工程實體與三維地質體模型融合。將地質點、物探點、鉆孔以及工程實體進行一體化處理，構建出完整的三維地質體模型。通過對地質點、物探點、工程實體的空間位置關系進行分析，對所構建的三維地質體模型進行進一步的調整和完善。

四是空間分析與實體表達。空間分析是構建三維地質體模型過程中需要考慮的重要內容之一，可以幫助設計者快速建立滿足特定需求的三維地質體模型。空間分析包括了各種不同類型的空間分析方法，如距離反比規則、最鄰近規則等。通過對這些不同類型空間分析方法進行綜合分析與比較，可以快速建立滿足特定需求的三維地質體模型。

3.3實體表達

三維地質體建模是一個復雜的過程，不同的三維地質體建模方法具有不同的實體表達方式，因此在對礦山三維地質體進行建模時，應根據地質體的不同特性采用相應的實體表達方式。例如：針對地下工程三維地質模型，由于地下工程中地層、巖性、斷層等信息非常豐富，因此采用面元表示方法較為合適；而對于露天礦山三維地質體模型，由于多采用點、線、面結合的表達方式，因此可采用體元表示方法[3]。

3.4空間分析

在三維地質體建模過程中，空間分析是很重要的一步，主要用于對數據進行賦值和計算，將空間模型與實體模型相結合，達到對實體的精準表達。目前比較常見的空間分析方法包括：面積、體積、距離等面積函數、距離等體積函數、距離平方和指數等距離函數等。在三維地質體建模過程中，常用的空間分析方法主要有：拓撲分析法、變異函數分析法、空間統計分析法。

不同軟件所采用的空間分析方法存在一定差異，但它們都是在三維地質體建模過程中必不可少的步驟。對于三維地質體建模而言，空間分析方法與實體建模方法相結合是一種理想且實用的建模方法，可以在一定程度上提高三維地質體建模精度和效率，促進“智慧礦山”建設目標和任務的實現[2]。

4智慧礦山三維地質體建模

在智慧礦山的建設過程中，三維地質體建模方法也在不斷更新與完善，三維地質體建模是一個復雜的過程，其建模原則、數據來源、數據處理以及模型建立都有嚴格的要求，對建模的技術路線也有一定的要求。通過本文前述的分析，如下就智慧礦山三維地質體建模技術路線，建模流程作如下梳理小結，為更多的從業相關人員提供實踐參考。

4.1?三維地質體建模流程

礦山三維地質體建模是礦業領域的關鍵技術之一，它通過對礦區內地質結構和礦體分布進行準確、全面的描述，為礦山規劃、開采設計和資源評估提供重要參考。本文從數據收集與處理、建模方法選擇以及結果驗證等方面，闡述礦山三維地質體建模的流程。

首先，數據收集與處理是礦山三維地質體建模的第一步。這包括現場采樣取樣、勘探鉆孔獲取巖芯數據、礦山地上部分傾斜攝影數據、地形數據獲取、測量點云數據和地球物理勘查等多種手段。然后，需要對收集到的數據進行預處理，如數據坐標匹配，融合、修復斷層、清除噪聲、解決數據不完整性等問題，以獲得高質量的、可融合的數據輸入。

接下來，選擇合適的建模方法也十分重要。常見的建模方法包括基于統計學的概率模型、基于物理過程的確定性模型和基于人工智能的機器學習模型等。根據具體情況選擇合適的方法，并結合實際情況中的約束條件和經驗知識，利用數學算法或者機器學習算法進行地質體的建模。

在進行建模過程中，還需要考慮礦山三維地質體模型的精度驗證和結果可視化。可以采用交叉驗證和對比分析等方法來評估模型的準確性，并與實際觀測數據進行對比。同時，使用專業的軟件工具將建模結果可視化呈現，以便進一步分析和決策。

最后，建模流程也要注意不斷優化改進。根據建模結果和實踐經驗，及時調整建模參數和方法，完善建模流程。此外，與其他相關領域的合作和交流也是推動礦山三維地質體建模發展的重要途徑，例如地質勘查、巖土力學等領域的專家經驗和研究成果可以為建模提供寶貴的參考。

4.2?三維地質體建模軟件

礦業工程軟件是三維地質體建模過程中最常用的建模工具，其不僅能夠建立三維地質體模型，而且還可以對三維模型進行優化處理和分析計算。由于礦業工程軟件種類繁多，在選擇建模工具時需要根據自身需求進行選擇，并依據不同軟件所提供的功能模塊選擇相應的建模方法。

除了礦業工程軟件之外，其他礦業工程軟件也可以用于礦山三維地質體建模。如：AutoCAD可以進行礦山圖紙繪制、編輯、輸出等；UG可以進行礦山實體造型；SUN可以進行礦山三維地質體模型構建等。雖然這些礦業工程軟件中也有相應的三維地質體建模功能模塊，但由于功能模塊較多，需要針對不同軟件進行相應操作以完成不同的建模工作。

近幾年一些主流的三維可視化軟件，例如SmartEarth、SuperMap等開放了二次開發接口，可方便用戶基于已有的電子資料，庫存資料進行三維半自動化地質體建模構建，大大提升了建模的便利性和效率。

結語

綜上所述，本文探討了智慧礦山三維地質體建模技術的應用現狀和實踐方法；通過對實際應用的研究，我們可以看到三維地質體建模系統在實際生產中有著更廣闊的應用價值。具體而言，它能夠幫助工作人員更加準確地判斷及定位目標區域內的礦產資源，并提高采礦效率；同時，在科學管理方面也起到積極作用，如常規監測、預警與精細化管理等。隨著信息技術不斷發展和推廣，人工智能、大數據分析、云計算等新興技術被廣泛運用于礦山行業，這將進一步使得智慧礦山建設迎來良機，為三維地質體建模技術的深入優化和快速應用提供了更好的技術保障。

參考文獻：

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[3]陳鎮，陳孝乾，劉萍，賈毅超，羅暢.?基于BIM技術的數字化礦山建模研究[J].?中國礦業，2022，31（01）：73-78.

[4]岳西蒙，伍法權，沙鵬，陳宇坤.?基于三維點云建模的礦山邊坡穩定性分析[J].?中國礦業，2021，30（04）：89-95+114.

[5]徐巧格.智慧礦山系統工程中的關鍵技術分析[J].集成電路應用，2023，40（05）：224-225.

作者簡介：王娟（1984—??），女，漢族，河南人，本科，工程師，研究方向：三維數字孿生?；劉猛（1986—??），男，?漢族，河北辛集人，?碩士研究生，高級工程師，研究方向：遙感地質和礦山地質。