孙前芳,刘光伟,赵 浩

(1.内蒙古北联电能源开发有限责任公司生产技术部, 内蒙古呼和浩特 010000;2.辽宁工程技术大学资源与环境工程学院, 辽宁阜新市 123000)

三维可视化建模技术在露天矿中的应用＊

孙前芳1,刘光伟2,赵 浩2

(1.内蒙古北联电能源开发有限责任公司生产技术部, 内蒙古呼和浩特 010000;2.辽宁工程技术大学资源与环境工程学院, 辽宁阜新市 123000)

以某露天煤矿为例,以 AutoCAD为平台,并运用 C#.net对其进行二次开发,通过对基础数据的采集与空间插值,构建了地质体界面模型,进而建立三维地质实体模型,实现了三维地质模型可视化显示,并且将构建的三维可视化地质模型应用于露天矿的模拟开采、地质储量管理、地质图件的生成以及滑坡防治当中。该模型的建立,对矿山的经济评价、采矿设计和生产管理具有重要的指导意义。

露天矿;矿床地质模型;三维可视化

0 引 言

在采矿工程的勘察、设计和施工过程中,需要对大量的矿床地质数据进行处理,并反馈到生产实际中。传统的采矿工程对地质数据的存储管理以文字、图纸、图表为主[1],信息的修改、查询、分析很不方便。同时传统方法用二维平面图形表示三维的地质体,不能形象的表达矿体及其他地质体的形态和空间位置。运用传统方法不仅直观感差、效率低,而且难以实现矿山合理规划、优化设计和优化开采。

三维可视化地质模型具有形象、直观、准确、动态、信息丰富等特点,能改进采矿工作者对地质数据的理解,提高信息的利用率和空间分析能力。同时,更为突出的是其具有准确的开采设计和生产计划功能[2]。因此,研究矿山三维可视化建模技术有着重要的现实意义和实用价值。

本文将利用某露天煤矿的基础地质资料,以AutoCAD为软件平台,运用 C#.net进行二次开发,建立三维可视化地质模型,比较全面、真实地反映地质现象,并将其应用于露天矿模拟开采、地质储量管理、矿岩量计算、地质图件生成以及滑坡防治等方面。

1 露天矿三维可视化建模的对象

1.1 地表地形

露天煤矿的地表面有 2类:一是未经开采的原始地表面,是自然形成的;二是在露天开采过程中形成的台阶坡面与平盘组成的工程地表面[3]。露天煤矿三维地质建模中,需要对原始地表地形、采场、排土场形态进行真实的模拟。

1.2 煤、(土 )岩层

煤层三维可视化模型的建立能够更为直观和形象地反映矿区煤层的赋存形态、厚度、埋深等。露天开采在采出煤炭的同时,需要对煤层上覆的土岩进行剥离,所以建立 (土)岩模型也是十分必要的。(土)岩层模型可以直观看出 (土)岩层的走向、倾向、倾角及厚度。

2 露天矿三维可视化建模步骤

露天矿三维可视化建模的步骤包括基础数据的采集与预处理、空间插值、地质界面模型的构建、三维实体模型的构建、露天矿三维地质模型的构建等步骤。

2.1 基础数据的采集与预处理

(1)地表地形数据的采集。自然地表面数据为原始勘探钻孔孔口坐标 (x,y,z)。工程地表面数据来源主要有测量验收图、生产计划图等[4],这些图大多数都是以 AutoCAD数据文件存储的,因此需要对图元文件中的三维坐标数据进行提取,其中包括地形高程数据,平盘,台阶坡顶、坡底线数据等。

(2)煤、岩层数据的采集。创建煤、岩层模型最基础的资料是钻孔柱状图所包含的钻孔孔口坐标、地层名、煤层顶底板标高、孔深、钻孔方向、煤质指标等信息。

(3)建模前数据的预处理。将钻孔数据整理成规范实用的信息资料,包括勘探线号、钻孔号、孔口坐标 (x,y,z)、煤层顶板和底板标高、夹矸厚度等[5]。此外还要进行高程异常点检查和重复点删除、冗余节点线、重复线和交叉线处理等,去除多余内容。

2.2 空间插值

在基础数据采集阶段已经提取了数据点坐标,但由于数据点个数偏少,三角网的形成不准确,不能比较形象地表达地表、矿坑、矿体的模型,因此采用空间插值技术处理数据[4]。常用的插值方法有多边形法、距离幂次反比法、克里金法、趋势面法、加权最小二乘法等,应根据地质体的特点选取合适的插值方法才能保证有合适的精度。

2.3 构建地质界面模型

地质界面模型包括地表现状界面模型、煤岩界面模型、土岩界面模型、岩层界面模型等。

(1)地表现状界面模型。由于露天矿采场阶梯状地表的特点,本文使用带约束条件的 Delaunay三角网法构建露天矿地表现状界面模型。首先,利用空间离散点生成无约束的 Delaunay三角网,然后把台阶的坡顶、坡底线作为约束线,对 Delaunay三角网进行剖分,生成带有约束条件的 Delaunay三角网,最后删除露天境界外多余的三角形[1]。该方法能够很好的反映露天矿阶梯形状地表,如图1所示。

图1 某露天矿地表现状界面模型

(2)煤岩地质界面模型。煤岩界面模型构建与地表现状界面模型构建类似,需要把平面数据点的边界线作为约束线来构建煤层面模型,采用距离幂次反比法对煤层顶底板离散数据点的高程值进行估值,以取样点为基础数据点对规则的三维格网数据点进行插值,形成规则的 Grid格网模型,然后由规则的 Grid点生成 TI N模型,从而实现用小三角形单元逼真模拟煤层顶、底板界面。岩层界面模型、土岩界面模型的构建与煤岩界面模型构建方法相同。

2.4 构建实体模型

实体模型包括采场现状实体、煤层实体、岩层实体模型等。常用的构模方法有块段建模法、界面建模法、简单类三棱柱构模法等。本文采用一种新的构模方法,即包络法构模,该方法具有运算时间短,构模速度快、通用性强、完全适合于层状矿体等优点。

(1)采场现状实体模型的建立。把已经生成的地表现状界面模型作为采场现状顶面模型;生成采场现状顶面模型的边界线;再将每个采场三角形面片单元向某一水平面投影,把它作为采场现状的底面模型;生成采场现状底面模型的边界线;通过采场现状顶面模型和底面模型形成采场现状的侧面模型;通过封闭面固化成体的建模方法 (包络法),就可以得到采场现状实体模型。

(2)煤岩实体模型的建立。煤岩实体模型的建模与采场现状实体模型的建立类似,生成的煤岩实体模型如图2所示。

图2 某露天矿煤岩实体模型

2.5 露天矿三维地质模型的建立

在采场现状实体模型和煤、岩实体模型的基础上,以现状实体模型为基态模型,先与其它地质体作布尔“差”运算,构建土岩模型,然后再将其余的地质体模型进行“反插”[4],进而共同构建出露天矿三维地质模型,如图3所示。

图3 某露天矿三维地质模型

3 三维可视化地质模型在露天矿中的应用

3.1 在露天矿模拟开采中的应用

模拟开采是根据工程位置的推进方向、工程量要求,模拟各台阶工程位置推进,是进行露天矿短期生产计划编制的基础。在露天矿采场三维线框模型上使用“人机交互”的方法选择计划扩帮台阶的坡顶、底线,圈出计划线;根据露天矿采场三维线框模型对计划线赋高程值,并用露天矿开采参数对计划线进行扩展,用计划线截取影响区域内的现状台阶坡顶、底线,从而构成整个计划线框模型。本文使用计划线框模型构建实体模型,并导入煤、岩实体地质模型,与计划实体模型做布尔运算,获得煤、岩工程量。模拟开采为采矿工程师提供了方便、灵活且可靠的设计手段,使实现多方案设计并从中选优成为可能,提高了采矿设计的速度和质量[6]。模拟开采示意如图4所示。

图4 模拟开采示意

3.2 在地质储量计算中的应用

首先圈定需要计算地质储量的区域,然后系统自动生成所圈定区域的柱状实体模型,把区域实体模型和地质体实体模型做布尔运算,最后生成所圈定区域的地质实体模型。在生成块段实体模型后,AutoCAD提供对空间数据的查询功能,直接利用其Volume属性即可得到该实体部分的体积,然后乘以多边形范围内的含煤率,便可得到任意边界范围内的储量值。

3.3 在露天矿矿岩量计算中的应用

传统的露天矿矿岩量计算方法主要有平面算量法和剖面算量法[7],采用手工方法,不仅计算速度慢,而且精度差。在建立矿床三维地质模型之后,根据每月验收测量的数据,按时间序列生成一系列的采场 DEM模型,通过不同时刻的 2个 DEM模型,作1次差值运算,准确计算出这个时间段的采剥量,并与露天矿三维地质模型相结合,精确计算出采剥区域内的煤、岩、土的采剥量,可更好的满足矿山实际生产需要。

3.4 在地质图件绘制中的应用

利用三维可视化地质模型可以生成任意地质平、剖面图,与手工方法相比,具有方便、灵活、准确、快捷的优点。以绘制剖面图为例,首先确定任意剖面线的位置,用剖面线切割实体模型,形成面域模型;把面域模型炸开,形成首尾相连的直线段;对直线段依次进行首尾连接,形成连续的剖面线;将所得的剖面线经过坐标转换,再添加坐标网格生成剖面图。剖面图生成与效果如图5所示。

图5 剖面图的生成与效果

3.5 在滑坡防治中的应用

由边坡应力、位移监测系统实时监测数据绘制位移监测曲线,运用回归分析方法生成岩移预警线,可以进行滑坡预警。此外,对露天矿三维边坡进行切割,可以得到任意位置的边坡剖面图,利用 Bishop法和剩余推力法计算边坡稳定性系数。将滑坡预警与边坡稳定性计算有机结合,可有效防治滑坡。

4 结 论

本文所建立的某露天矿三维可视化地质模型以AutoCAD为平台,对其进行二次开发,结合地质数据资料与实际情况,建立三维可视化矿床地质模型。利用三维可视化技术建立的矿床三维地质模型可逼真的反映地质体的位置与空间形态,可为模拟开采、地质储量管理、矿岩量计算、地质图件的生成与滑坡防治提供很好的平台,因此,三维可视化建模技术应用于露天矿,突破了传统的模式和方法,极大的提高了生产效率,为矿产资源的可持续开采提供了技术保证。

[1] 李一帆,李 枫,王慧萍.三维可视化技术在矿山工程中的应用[J].中国钨业,2009,24(1):24～27.

[2] 王志宏,陈应显.露天矿三维可视化矿床地质模型的建立[J].辽宁工程技术大学学报,2004,23(2):145～148.

[3] 段立莉.露天煤矿三维地质建模及其可视化研究[D].西安:煤科总院西安研究院,2008:11～13.

[4] 刘光伟,白润才,曹兰柱,等.基于 AutoCAD的露天矿三维地质模型的三维可视化构建方法[J].世界科技研究与发展,2008,30(6):758～760.

[5] 宋子岭.地质信息系统及其在露天矿中的应用[M].北京:煤炭工业出版社,2003:16～17.

[6] 魏春启,金智求.露天煤矿模拟开采系统的研究[J].露天采矿技术,1999,(1):5～7.

[7] 杨荣新.露天采矿学 (下)[M].徐州:中国矿业学院出版社,1988:137～14.

辽宁工程技术大学研究生科研立项资助(Y201000804).

2010-07-21)

孙前芳 (1980-),男,黑龙江人,助理工程师,硕士,从事煤矿生产技术管理工作。