王　议，孙　伟，马冬梅，张志鹏，何培雍

(中国地质环境监测院，北京 100081)



基于3D管理系统的煤炭矿山三维建模及实践：以陕北某煤矿为例

王议，孙伟，马冬梅，张志鹏，何培雍

(中国地质环境监测院，北京 100081)

摘要：随着现代勘探技术的进步，矿区信息化水平的提高，使矿区三维建模与3D管理技术成为信息化研究的热点。本文阐述了基于GIS平台研发的煤炭地质3D管理系统的基本内容，介绍了煤炭矿山三维建模需要的矿区地形地质数据、钻孔数据、巷道数据、高程和影像数据等几种基础数据的处理方法，在此基础上介绍构建煤炭矿区煤岩层地质体模型、钻孔模型、巷道模型、采空区模型和地表影像模型等5个三维模型的步骤，并以陕北某煤矿为例说明了建模中可能遇到的具体问题和解决办法。

关键词：煤炭矿山；三维建模；3D管理；陕西省

数字矿山是当今热点研究的数字地球的重要组成部分，为矿产资源评估、矿山规划、开拓设计、采掘过程、生产安全、地质灾害预测和决策管理等进行模拟、仿真和过程分析[1]。矿山3D管理技术及三维地质建模研究，是数字矿山的核心组成部分，是现代矿山信息化研究的热点和重点[2]。我国矿山勘探、规划、设计、生产、管理和监控等全面信息化仍处于起步阶段，各种矿山信息系统的研发水平、集成化程度和应用范围与发达国家相比仍有较大差距。相对于传统的二维数据表示方法，三维模型能够完整准确地表达各种地质现象，快速直观地再现矿区地质单元的空间展布及其相互关系，挖掘隐含的地质信息，方便矿山企业管理分析和决策等[3-4]。目前，面临的关键技术难题主要包括三维空间数据的不确定性、地质体空间关系的复杂性以及空间分析及应用的局限性等。地质体本身是一个非均质、各向异性的不连续三维实体，工程揭露地质信息有限。地质体的复杂性，加之三维空间数据获取的艰难性，矿山三维建模是一项非常复杂的系统工程，3D模拟一般是通过分析、解释、推断、内插和外推等建立三维模型[1]。

陕西北部地区是我国重要的能源基地，矿产资源丰富，开发潜力巨大，尤其以煤炭资源开发闻名全国，煤炭矿山企业众多。本文建立在对陕北地区多个煤炭矿山的调查和分析建模的基础上，选取某煤矿为例，介绍基于3D模拟管理系统的煤炭矿山三维建模情况。

13D模拟管理系统概述

国内从20世纪90年代开始就不断地有人研究三维地质建模软件的核心理论与技术，很多年内，中国一直未有像样的三维地质建模软件产品出现，近几年这种局面有所改变，国内三维地质建模软件正在快速发展、功能稳步提高。MapGIS K9、 Longruan GIS、GeoView、GeoI3D、VRMine、Creatar、3Dmine、Minexplorer、GeoMo3D、3DA等这些国产三维地质建模软件，虽然与国际先进产品相比仍然存在差距，但近年来发展迅速，已具备地下三维地质建模功能，能够满足大多数三维地质建模的应用需求[5]。

本文介绍的煤炭矿山三维建模方法基于煤炭地质3D管理系统，这套系统是基于GIS平台，利用地理信息系统技术、煤田信息管理技术、三维地质模拟技术、多尺度数据融合技术和工作流技术等关键技术开发而成的。其原理是通过3D GIS解决方案，将勘探工程数据、钻孔柱状图、剖面图、地形等高线图、遥感栅格图像、3D对象等多专题数据进行无缝连接与整合，基于煤层、构造、剖面岩石轮廓界线等多源数据创建煤炭地质勘查区的三维区域地质模型。

本系统实现了对煤炭地质资料的全方位管理、展示与三维建模。1)对煤炭地质资料的全方位管理，集中管理地表地理、钻井、测井、分析化验、各类地质图件等数据资料。2)对煤炭地质资料的全方位展示，采用二维、三维相结合的方式全方位展示地表地理、钻井、测井、地质剖面、分析化验、各类地质图件等数据资料。3)对煤炭矿山的三维建模，以基于多源数据的地层结构建模技术、三维地质属性建模技术(包括三维空间插值技术、等值面提取技术、实时体绘制技术等)、基于三维地质模型的切割分析技术、适合数字煤田的地表与地下各类三维空间实体的集成技术和三维地质模型可视化技术等为关键三维地质模拟技术，使用地形、钻井、地质剖面、煤岩层底板等高线数据建立煤炭地质的三维精细模型，以三维立体的方式直观展示煤炭地区的地层、构造、煤岩层形态。

图1　煤矿三维地质体单层拖拽、旋转、缩放展示

2建模煤矿的煤层地质概况

该煤矿的井田构造单元位于鄂尔多斯地台向斜宽缓东翼的北部之陕北斜坡，处于构造稳定的盆地内部。区内地层有：侏罗系下统富县组、侏罗系中统延安组、新近系上新统静乐组、第四系中、上更新统离石组和马兰组、全新统冲积层和风积沙。煤层多赋存于侏罗纪中统地层中，本区岩石地层产状近水平，因此煤层也多呈近水平产出。该煤矿可采煤层为2-2煤层、3-1煤层和3-2煤层，其中主采煤层为2-2和3-2煤层。2-2煤层厚度2.15～2.54m，平均2.32m，厚度稳定，煤层埋深0～117.97m，底板标高变化在+1225～+1260m之间，大体由东北向西南倾斜，平均倾角0.5°左右。3-2煤层埋深23.05～170.16m。煤层厚度0.90～1.17m，平均煤厚1.14m。煤层底板标高+1175～+1225m之间，大体由东向西倾伏，平均倾角0.5°左右。

3建模数据处理与数据库建立

煤炭矿山的三维建模需要大量调查数据支撑，以下选取基本建模所必需的几种数据介绍其处理方法。

3.1地形地质数据处理

地质数据是三维地质建模的基础和前提，也是实际中矿山资源评估和采矿设计的基础，是矿山生产管理的重点[2]。

根据建模地区的地层年代，按照12位编码的形式编写地层时代表，上下标分别用#+和#-表示。根据该区岩石地层所含的岩性，按照点线区填充类型和子图符号及颜色编写岩性子图表。

从地形地质图中提炼出GIS格式的勘查区、地层区、地形线和采空区文件，且必须为统一投影统一坐标系。勘查区基本为建模矿区边界圈定的区域形成的区文件，根据建模范围的需要进行适当调整；地层区为带有地层时代属性标记的区文件；地形线为建模区域的地形等高线组成的线文件；采空区为建模煤矿主采煤层的地下采空范围形成的线文件，如有两个或多个主采煤层则按煤层号分别标明。

3.2钻孔数据处理

钻孔是获取三维地质信息的最直观、准确和详细的手段[2]。

钻孔数据需要从钻孔柱状图中读取，整理归纳并填入3个数据库表格中，分别是钻孔基本信息表、钻孔岩芯鉴定表和钻探煤层结构表。这3个表格尤为重要，关系到三维建模的精准程度。其中，要读出钻孔坐标、高程及终孔深度，煤层、夹矸层、煤层名称、岩性、地层时代以及每一层的厚度和累计深度等。具体数据库内容及格式见图2和图3。

3.3巷道数据处理

巷道数据需要把巷道延伸的各个点坐标和高程录入数据库表格中，在巷道总表中输入巷道的基本信息，在巷道点表中录入各点的X、Y、Z坐标，并按照序号范围在巷道总表中归类为主巷、副巷或回风巷，在巷道横截面表格中设置巷道的截面形状参数。巷道数据库表格的内容及格式见图4和图5。

巷道点坐标的读取采用在GIS中编辑巷道线文件提取线上各点坐标的方法，高程值需要在建模矿区的井工布置图中读取巷道的几个关键拐点的高程。

图2　钻孔岩芯鉴定表

图3　钻探煤层结构表

图4　巷道总表

图5　巷道横截面设置表

3.4地表高程及影像数据处理

这里主要涉及到遥感影像和高程数据的来源，核验其投影坐标系是否与前面已准备好的各个地形地质数据一致，不一致则需要进行投影变换。经投影变换后的影像和高程数据按照建模矿区范围的边界进行裁剪。用于裁剪的边界文件要与之前准备好的勘查区文件的范围相一致。

4三维模型的构建

4.1煤岩层地质体模型

建立煤岩层地质体模型可以一目了然矿区三维构成，不仅能准确掌握各煤层展布的几何空间形态，且为后续开发利用规划奠定了基础。煤岩层地质体建模通常采用以下3种方法：①利用矿体边界线大概确定矿体范围；②基于勘探线剖面图进行矿体模型构建；③基于钻孔数据进行矿体模型构建[6]。通常应根据建模目的来选择合适的方法，但要准确反映实际矿体形态，往往需要综合采用多种方法。

本文采用以钻孔数据和勘探线剖面图共同进行模型构建的方法，具体步骤如下：①将钻孔点连接成实际勘探线，几个相邻的基本在一条直线上的钻孔点连接成一条勘探线，最终形成几条相互平行或垂直的勘探线，如图6；②对已连接好的勘探线进行煤岩层绘制，设置剖面的基准层后按照钻孔信息画煤层和岩层并赋色，每条勘探线都生成对应的勘探线剖面，如图7；③用勘查区范围的区文件控制地质体边界；④用钻孔数据库中的煤岩标志层信息设置地层等值线；⑤将所有勘探线剖面设置为约束剖面，见图8；⑥生成煤岩层地质体模型，并进行验证及修正。煤矿三维煤岩层地质体模型见图9和图10。

图6　连接勘探线

图7　单条勘探线生成的剖面图

图8　某煤矿三维剖面图

图9　某煤矿三维地质体

图10　某煤矿三维地质体模型爆炸

在建立煤岩层地质体模型时，能够连接成的勘探线越多，也就是形成的控制地质体的剖面越多，形成的三维地质体越精确。当遇到钻孔点少或相对集中无法控制整个矿区范围时，需要补点加孔来充实控制点，进而完成控制剖面。

4.2钻孔模型

建立钻孔模型是为了更形象地展示钻孔纵向组成和空间展布，以及各钻孔之间对应层位的位置关系。在收集到的矿区钻孔资料的基础上，经过以下步骤完成钻孔模型构建：①建立钻孔数据库，统一格式整理成3张数据库表格，具体处理方法前文已经述及；②手动获取钻孔煤层结构数据，在三维建模中选择全部钻孔；③设置存储类型和钻孔材质等信息或子图库；④形成模型挂接到要素图层。煤矿的三维钻孔模型见图11。

钻孔模型的显示可以选择颜色或材质，根据地层属性、煤岩层分布和钻孔结构的不同显示的材质复杂程度也不同，可以自行设置每种岩性的显示图案，如果发现钻孔模型显示有问题，则需要重新检查钻孔数据库内容，修改后重新获取钻孔数据并建立模型。

4.3巷道模型

建立矿山巷道三维模型是为了直观反映煤层地质体与巷道间的空间位置关系并为巷道设计提供依据。根据该煤矿井工布置平面图中的巷道布设，将主巷、副巷和回风巷一起建立三维模型，经过以下步骤完成巷道模型构建：①在井工布设图中分别提取主巷、副巷和回风巷的延伸数据，并读取关键拐点高程，形成巷道数据库；②设置巷道横截面的形状等参数；③创建要素图层，在矿区巷道建模中选择巷道数据表格；④保存模型挂接到要素图层。该煤矿三维巷道模型见图12，巷道横截面和使用巷道漫游功能在巷道内移动见图13，漫游中能感知巷道高低变化和拐弯等。

图11　某煤矿三维钻孔模型

图12　某煤矿三维巷道模型

4.4采空区模型

建立采空区模型是为了掌握采空区的基本形态、位置、体积以及与煤层和其他巷道工程的空间位置关系，也可为采空区稳定性数值模拟计算研究奠定基础[6]。为使所建采空区模型尽可能准确，按以下步骤完成采空区模型的构建：①在三维建模中创建要素图层，选择处理好的采空区范围的线文件；②在已建好的煤岩层模型中设置采空区对应的煤层号；③保存模型挂接到要素图层。该煤矿采空区模型见图14，采空区在煤岩层地质体模型中展示见图15。

图13　某煤矿巷道模型漫游横截面

图14　某煤矿32煤采空区模型

图15　某煤矿32煤采空区在煤岩层地质体模型中展示

4.5地表影像模型

建立地表影像模型是为了直观、清楚地表示矿区地表与矿体等其它空间体的三维位置关系。以矿区地形图、DEM数据和遥感影像为原始资料，经过以下步骤完成模型构建工作：①高程数据和影像数据的投影变换；②按照矿区边界剪裁高程和影像数据；③在三维建模中创建地形图层，关联高程数据；④添加地表影像，关联煤矿的影像数据。该煤矿地表影像模型见图16。

图16　某煤矿地表影像模型

在建立影像模型时遇到了一个技术问题：DEM数据用不规则矿区边界剪裁后边界高程值出现异常。这直接导致地表影像显示出现掉边或者翘边的现象。尝试了多种处理软件进行高程和影像剪裁操作之后，均出现不同程度的此问题，且边界越复杂的矿区问题越严重。针对此问题本文的处理方法是高程数据选择较大区域的规则边界的数据，再叠加矿区边界的影像数据，这样三维地表影像显示正常。不过这种处理方法只是不将此问题显示出来，并未彻底解决该问题，本文也提出这个问题供探讨。

5总结

煤炭矿山三维建模至少需要矿区的地形地质数据、钻孔数据、巷道数据、高程和影像数据等几种基础数据，并应根据建模手段按照相应要求进行数据处理，同时建立建模数据库。

本文借助基于GIS平台研发的煤炭地质3D管理系统，进行矿山数据的前期处理，构建了煤岩层地质体模型、钻孔模型、采空区模型、巷道模型、地表影像模型等5个三维模型。

在实现三维建模的同时，基于煤炭地质管理系统对煤炭地质资料进行全方位管理、展示与分析。实现二三维数据管理，三维模型缩放、旋转、爆炸、单层或多层拖拽、指定路径漫游和巷道漫游等展示，以及三维地质体切割、储量计算等分析。

参考文献

[1]武强，徐华.数字矿山中三维地质建模方法与应用[J].中国科学(D辑：地球科学)[J].2013，43(12)：1996-2006.

[2]向中林，王妍，王润怀，等.基于钻孔数据的矿山三维地质建模及可视化过程研究[J].地质与勘探，2009(1)：75-81.

[3]王润怀，李永树，刘永和，等.三维地质建模中虚拟钻孔的引入及其确定[J].地质与勘探，2007，43(3)：102-107.

[4]曾钱帮，刘大安，张菊明，等.地质工程复杂地质体三维建模与可视化研究[J].工程地质计算机应用，2005(3)：29-33.

[5]李青元，张丽云，魏占营，等.三维地质建模软件发展现状及问题探讨[J].地质学刊，2013，37 (4)：554-561.

[6]罗周全，刘晓明，苏家红，等.基于Surpac的矿床三维模型构建[J].金属矿山，2006(4)：33-36.

收稿日期：2016-04-07

基金项目：中国地质调查局地质调查项目“全国矿山地质环境信息系统建设与服务”资助(编号：121201014000150055)

作者简介：王议(1984-)，女，硕士，毕业于中国地质大学(北京)，现研究方向为矿山地质环境。E-mail：wangyi@mail.cigem.gov.cn。

中图分类号：TD82-9

文献标识码：A

文章编号：1004-4051(2016)07-0148-05

Three-dimensional modeling of coal mines based on 3D management system：taking one coal mine in North Shanxi province for example

WANG Yi，SUN Wei，MA Dong-mei，ZHANG Zhi-peng，HE Pei-yong

(China Institute for Geo-Environmental Monitoring，Beijing 100081，China)

Abstract:As the advance of exploration techniques and mining informatization level，three-dimensional modeling and 3D management technology of mines become hot spots.The paper expound the coal geological 3D management system which is based on the GIS platform.Three-dimensional modeling of coal mines need at least four kinds of data，including topography and geological data，drilling data，roadway data，elevation and image data.The paper introduce the processing methods of these data，and then introduce the procedure of three-dimensional modeling for five models.The five models are coal stratum model，drilling model，roadway model，mined-out areas model and surface image model.Taking one coal mine in north Shanxi province for example，the paper also describe some problems with the 3D modeling and solution methods of them.

Key words：coal mine；three-dimensional modeling；3D management；Shanxi province