三維可視化建模技術在露天礦中的應用＊

孫前芳,劉光偉,趙 浩

(1.內(nèi)蒙古北聯(lián)電能源開發(fā)有限責任公司生產(chǎn)技術部, 內(nèi)蒙古呼和浩特 010000;2.遼寧工程技術大學資源與環(huán)境工程學院, 遼寧阜新市 123000)

三維可視化建模技術在露天礦中的應用＊

孫前芳1,劉光偉2,趙 浩2

(1.內(nèi)蒙古北聯(lián)電能源開發(fā)有限責任公司生產(chǎn)技術部, 內(nèi)蒙古呼和浩特 010000;2.遼寧工程技術大學資源與環(huán)境工程學院, 遼寧阜新市 123000)

以某露天煤礦為例,以 AutoCAD為平臺,并運用 C#.net對其進行二次開發(fā),通過對基礎數(shù)據(jù)的采集與空間插值,構(gòu)建了地質(zhì)體界面模型,進而建立三維地質(zhì)實體模型,實現(xiàn)了三維地質(zhì)模型可視化顯示,并且將構(gòu)建的三維可視化地質(zhì)模型應用于露天礦的模擬開采、地質(zhì)儲量管理、地質(zhì)圖件的生成以及滑坡防治當中。該模型的建立,對礦山的經(jīng)濟評價、采礦設計和生產(chǎn)管理具有重要的指導意義。

露天礦;礦床地質(zhì)模型;三維可視化

0 引 言

在采礦工程的勘察、設計和施工過程中,需要對大量的礦床地質(zhì)數(shù)據(jù)進行處理,并反饋到生產(chǎn)實際中。傳統(tǒng)的采礦工程對地質(zhì)數(shù)據(jù)的存儲管理以文字、圖紙、圖表為主[1],信息的修改、查詢、分析很不方便。同時傳統(tǒng)方法用二維平面圖形表示三維的地質(zhì)體,不能形象的表達礦體及其他地質(zhì)體的形態(tài)和空間位置。運用傳統(tǒng)方法不僅直觀感差、效率低,而且難以實現(xiàn)礦山合理規(guī)劃、優(yōu)化設計和優(yōu)化開采。

三維可視化地質(zhì)模型具有形象、直觀、準確、動態(tài)、信息豐富等特點,能改進采礦工作者對地質(zhì)數(shù)據(jù)的理解,提高信息的利用率和空間分析能力。同時,更為突出的是其具有準確的開采設計和生產(chǎn)計劃功能[2]。因此,研究礦山三維可視化建模技術有著重要的現(xiàn)實意義和實用價值。

本文將利用某露天煤礦的基礎地質(zhì)資料,以AutoCAD為軟件平臺,運用 C#.net進行二次開發(fā),建立三維可視化地質(zhì)模型,比較全面、真實地反映地質(zhì)現(xiàn)象,并將其應用于露天礦模擬開采、地質(zhì)儲量管理、礦巖量計算、地質(zhì)圖件生成以及滑坡防治等方面。

1 露天礦三維可視化建模的對象

1.1 地表地形

露天煤礦的地表面有 2類:一是未經(jīng)開采的原始地表面,是自然形成的;二是在露天開采過程中形成的臺階坡面與平盤組成的工程地表面[3]。露天煤礦三維地質(zhì)建模中,需要對原始地表地形、采場、排土場形態(tài)進行真實的模擬。

1.2 煤、(土 )巖層

煤層三維可視化模型的建立能夠更為直觀和形象地反映礦區(qū)煤層的賦存形態(tài)、厚度、埋深等。露天開采在采出煤炭的同時,需要對煤層上覆的土巖進行剝離,所以建立 (土)巖模型也是十分必要的。(土)巖層模型可以直觀看出 (土)巖層的走向、傾向、傾角及厚度。

2 露天礦三維可視化建模步驟

露天礦三維可視化建模的步驟包括基礎數(shù)據(jù)的采集與預處理、空間插值、地質(zhì)界面模型的構(gòu)建、三維實體模型的構(gòu)建、露天礦三維地質(zhì)模型的構(gòu)建等步驟。

2.1 基礎數(shù)據(jù)的采集與預處理

(1)地表地形數(shù)據(jù)的采集。自然地表面數(shù)據(jù)為原始勘探鉆孔孔口坐標 (x,y,z)。工程地表面數(shù)據(jù)來源主要有測量驗收圖、生產(chǎn)計劃圖等[4],這些圖大多數(shù)都是以 AutoCAD數(shù)據(jù)文件存儲的,因此需要對圖元文件中的三維坐標數(shù)據(jù)進行提取,其中包括地形高程數(shù)據(jù),平盤,臺階坡頂、坡底線數(shù)據(jù)等。

(2)煤、巖層數(shù)據(jù)的采集。創(chuàng)建煤、巖層模型最基礎的資料是鉆孔柱狀圖所包含的鉆孔孔口坐標、地層名、煤層頂?shù)装鍢烁?、孔深、鉆孔方向、煤質(zhì)指標等信息。

(3)建模前數(shù)據(jù)的預處理。將鉆孔數(shù)據(jù)整理成規(guī)范實用的信息資料,包括勘探線號、鉆孔號、孔口坐標 (x,y,z)、煤層頂板和底板標高、夾矸厚度等[5]。此外還要進行高程異常點檢查和重復點刪除、冗余節(jié)點線、重復線和交叉線處理等,去除多余內(nèi)容。

2.2 空間插值

在基礎數(shù)據(jù)采集階段已經(jīng)提取了數(shù)據(jù)點坐標,但由于數(shù)據(jù)點個數(shù)偏少,三角網(wǎng)的形成不準確,不能比較形象地表達地表、礦坑、礦體的模型,因此采用空間插值技術處理數(shù)據(jù)[4]。常用的插值方法有多邊形法、距離冪次反比法、克里金法、趨勢面法、加權最小二乘法等,應根據(jù)地質(zhì)體的特點選取合適的插值方法才能保證有合適的精度。

2.3 構(gòu)建地質(zhì)界面模型

地質(zhì)界面模型包括地表現(xiàn)狀界面模型、煤巖界面模型、土巖界面模型、巖層界面模型等。

(1)地表現(xiàn)狀界面模型。由于露天礦采場階梯狀地表的特點,本文使用帶約束條件的 Delaunay三角網(wǎng)法構(gòu)建露天礦地表現(xiàn)狀界面模型。首先,利用空間離散點生成無約束的 Delaunay三角網(wǎng),然后把臺階的坡頂、坡底線作為約束線,對 Delaunay三角網(wǎng)進行剖分,生成帶有約束條件的 Delaunay三角網(wǎng),最后刪除露天境界外多余的三角形[1]。該方法能夠很好的反映露天礦階梯形狀地表,如圖1所示。

圖1 某露天礦地表現(xiàn)狀界面模型

(2)煤巖地質(zhì)界面模型。煤巖界面模型構(gòu)建與地表現(xiàn)狀界面模型構(gòu)建類似,需要把平面數(shù)據(jù)點的邊界線作為約束線來構(gòu)建煤層面模型,采用距離冪次反比法對煤層頂?shù)装咫x散數(shù)據(jù)點的高程值進行估值,以取樣點為基礎數(shù)據(jù)點對規(guī)則的三維格網(wǎng)數(shù)據(jù)點進行插值,形成規(guī)則的 Grid格網(wǎng)模型,然后由規(guī)則的 Grid點生成 TI N模型,從而實現(xiàn)用小三角形單元逼真模擬煤層頂、底板界面。巖層界面模型、土巖界面模型的構(gòu)建與煤巖界面模型構(gòu)建方法相同。

2.4 構(gòu)建實體模型

實體模型包括采場現(xiàn)狀實體、煤層實體、巖層實體模型等。常用的構(gòu)模方法有塊段建模法、界面建模法、簡單類三棱柱構(gòu)模法等。本文采用一種新的構(gòu)模方法,即包絡法構(gòu)模,該方法具有運算時間短,構(gòu)模速度快、通用性強、完全適合于層狀礦體等優(yōu)點。

(1)采場現(xiàn)狀實體模型的建立。把已經(jīng)生成的地表現(xiàn)狀界面模型作為采場現(xiàn)狀頂面模型;生成采場現(xiàn)狀頂面模型的邊界線;再將每個采場三角形面片單元向某一水平面投影,把它作為采場現(xiàn)狀的底面模型;生成采場現(xiàn)狀底面模型的邊界線;通過采場現(xiàn)狀頂面模型和底面模型形成采場現(xiàn)狀的側(cè)面模型;通過封閉面固化成體的建模方法 (包絡法),就可以得到采場現(xiàn)狀實體模型。

(2)煤巖實體模型的建立。煤巖實體模型的建模與采場現(xiàn)狀實體模型的建立類似,生成的煤巖實體模型如圖2所示。

圖2 某露天礦煤巖實體模型

2.5 露天礦三維地質(zhì)模型的建立

在采場現(xiàn)狀實體模型和煤、巖實體模型的基礎上,以現(xiàn)狀實體模型為基態(tài)模型,先與其它地質(zhì)體作布爾“差”運算,構(gòu)建土巖模型,然后再將其余的地質(zhì)體模型進行“反插”[4],進而共同構(gòu)建出露天礦三維地質(zhì)模型,如圖3所示。

圖3 某露天礦三維地質(zhì)模型

3 三維可視化地質(zhì)模型在露天礦中的應用

3.1 在露天礦模擬開采中的應用

模擬開采是根據(jù)工程位置的推進方向、工程量要求,模擬各臺階工程位置推進,是進行露天礦短期生產(chǎn)計劃編制的基礎。在露天礦采場三維線框模型上使用“人機交互”的方法選擇計劃擴幫臺階的坡頂、底線,圈出計劃線;根據(jù)露天礦采場三維線框模型對計劃線賦高程值,并用露天礦開采參數(shù)對計劃線進行擴展,用計劃線截取影響區(qū)域內(nèi)的現(xiàn)狀臺階坡頂、底線,從而構(gòu)成整個計劃線框模型。本文使用計劃線框模型構(gòu)建實體模型,并導入煤、巖實體地質(zhì)模型,與計劃實體模型做布爾運算,獲得煤、巖工程量。模擬開采為采礦工程師提供了方便、靈活且可靠的設計手段,使實現(xiàn)多方案設計并從中選優(yōu)成為可能,提高了采礦設計的速度和質(zhì)量[6]。模擬開采示意如圖4所示。

圖4 模擬開采示意

3.2 在地質(zhì)儲量計算中的應用

首先圈定需要計算地質(zhì)儲量的區(qū)域,然后系統(tǒng)自動生成所圈定區(qū)域的柱狀實體模型,把區(qū)域?qū)嶓w模型和地質(zhì)體實體模型做布爾運算,最后生成所圈定區(qū)域的地質(zhì)實體模型。在生成塊段實體模型后,AutoCAD提供對空間數(shù)據(jù)的查詢功能,直接利用其Volume屬性即可得到該實體部分的體積,然后乘以多邊形范圍內(nèi)的含煤率,便可得到任意邊界范圍內(nèi)的儲量值。

3.3 在露天礦礦巖量計算中的應用

傳統(tǒng)的露天礦礦巖量計算方法主要有平面算量法和剖面算量法[7],采用手工方法,不僅計算速度慢,而且精度差。在建立礦床三維地質(zhì)模型之后,根據(jù)每月驗收測量的數(shù)據(jù),按時間序列生成一系列的采場 DEM模型,通過不同時刻的 2個 DEM模型,作1次差值運算,準確計算出這個時間段的采剝量,并與露天礦三維地質(zhì)模型相結(jié)合,精確計算出采剝區(qū)域內(nèi)的煤、巖、土的采剝量,可更好的滿足礦山實際生產(chǎn)需要。

3.4 在地質(zhì)圖件繪制中的應用

利用三維可視化地質(zhì)模型可以生成任意地質(zhì)平、剖面圖,與手工方法相比,具有方便、靈活、準確、快捷的優(yōu)點。以繪制剖面圖為例,首先確定任意剖面線的位置,用剖面線切割實體模型,形成面域模型;把面域模型炸開,形成首尾相連的直線段;對直線段依次進行首尾連接,形成連續(xù)的剖面線;將所得的剖面線經(jīng)過坐標轉(zhuǎn)換,再添加坐標網(wǎng)格生成剖面圖。剖面圖生成與效果如圖5所示。

圖5 剖面圖的生成與效果

3.5 在滑坡防治中的應用

由邊坡應力、位移監(jiān)測系統(tǒng)實時監(jiān)測數(shù)據(jù)繪制位移監(jiān)測曲線,運用回歸分析方法生成巖移預警線,可以進行滑坡預警。此外,對露天礦三維邊坡進行切割,可以得到任意位置的邊坡剖面圖,利用 Bishop法和剩余推力法計算邊坡穩(wěn)定性系數(shù)。將滑坡預警與邊坡穩(wěn)定性計算有機結(jié)合,可有效防治滑坡。

4 結(jié) 論

本文所建立的某露天礦三維可視化地質(zhì)模型以AutoCAD為平臺,對其進行二次開發(fā),結(jié)合地質(zhì)數(shù)據(jù)資料與實際情況,建立三維可視化礦床地質(zhì)模型。利用三維可視化技術建立的礦床三維地質(zhì)模型可逼真的反映地質(zhì)體的位置與空間形態(tài),可為模擬開采、地質(zhì)儲量管理、礦巖量計算、地質(zhì)圖件的生成與滑坡防治提供很好的平臺,因此,三維可視化建模技術應用于露天礦,突破了傳統(tǒng)的模式和方法,極大的提高了生產(chǎn)效率,為礦產(chǎn)資源的可持續(xù)開采提供了技術保證。

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遼寧工程技術大學研究生科研立項資助(Y201000804).

2010-07-21)

孫前芳 (1980-),男,黑龍江人,助理工程師,碩士,從事煤礦生產(chǎn)技術管理工作。