基于3D管理系統(tǒng)的煤炭礦山三維建模及實(shí)踐：以陜北某煤礦為例

王　議，孫　偉，馬冬梅，張志鵬，何培雍

(中國(guó)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院，北京 100081)

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基于3D管理系統(tǒng)的煤炭礦山三維建模及實(shí)踐：以陜北某煤礦為例

王議，孫偉，馬冬梅，張志鵬，何培雍

(中國(guó)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院，北京 100081)

摘要：隨著現(xiàn)代勘探技術(shù)的進(jìn)步，礦區(qū)信息化水平的提高，使礦區(qū)三維建模與3D管理技術(shù)成為信息化研究的熱點(diǎn)。本文闡述了基于GIS平臺(tái)研發(fā)的煤炭地質(zhì)3D管理系統(tǒng)的基本內(nèi)容，介紹了煤炭礦山三維建模需要的礦區(qū)地形地質(zhì)數(shù)據(jù)、鉆孔數(shù)據(jù)、巷道數(shù)據(jù)、高程和影像數(shù)據(jù)等幾種基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的處理方法，在此基礎(chǔ)上介紹構(gòu)建煤炭礦區(qū)煤巖層地質(zhì)體模型、鉆孔模型、巷道模型、采空區(qū)模型和地表影像模型等5個(gè)三維模型的步驟，并以陜北某煤礦為例說(shuō)明了建模中可能遇到的具體問(wèn)題和解決辦法。

關(guān)鍵詞：煤炭礦山；三維建模；3D管理；陜西省

數(shù)字礦山是當(dāng)今熱點(diǎn)研究的數(shù)字地球的重要組成部分，為礦產(chǎn)資源評(píng)估、礦山規(guī)劃、開(kāi)拓設(shè)計(jì)、采掘過(guò)程、生產(chǎn)安全、地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測(cè)和決策管理等進(jìn)行模擬、仿真和過(guò)程分析[1]。礦山3D管理技術(shù)及三維地質(zhì)建模研究，是數(shù)字礦山的核心組成部分，是現(xiàn)代礦山信息化研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)[2]。我國(guó)礦山勘探、規(guī)劃、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、管理和監(jiān)控等全面信息化仍處于起步階段，各種礦山信息系統(tǒng)的研發(fā)水平、集成化程度和應(yīng)用范圍與發(fā)達(dá)國(guó)家相比仍有較大差距。相對(duì)于傳統(tǒng)的二維數(shù)據(jù)表示方法，三維模型能夠完整準(zhǔn)確地表達(dá)各種地質(zhì)現(xiàn)象，快速直觀地再現(xiàn)礦區(qū)地質(zhì)單元的空間展布及其相互關(guān)系，挖掘隱含的地質(zhì)信息，方便礦山企業(yè)管理分析和決策等[3-4]。目前，面臨的關(guān)鍵技術(shù)難題主要包括三維空間數(shù)據(jù)的不確定性、地質(zhì)體空間關(guān)系的復(fù)雜性以及空間分析及應(yīng)用的局限性等。地質(zhì)體本身是一個(gè)非均質(zhì)、各向異性的不連續(xù)三維實(shí)體，工程揭露地質(zhì)信息有限。地質(zhì)體的復(fù)雜性，加之三維空間數(shù)據(jù)獲取的艱難性，礦山三維建模是一項(xiàng)非常復(fù)雜的系統(tǒng)工程，3D模擬一般是通過(guò)分析、解釋、推斷、內(nèi)插和外推等建立三維模型[1]。

陜西北部地區(qū)是我國(guó)重要的能源基地，礦產(chǎn)資源豐富，開(kāi)發(fā)潛力巨大，尤其以煤炭資源開(kāi)發(fā)聞名全國(guó)，煤炭礦山企業(yè)眾多。本文建立在對(duì)陜北地區(qū)多個(gè)煤炭礦山的調(diào)查和分析建模的基礎(chǔ)上，選取某煤礦為例，介紹基于3D模擬管理系統(tǒng)的煤炭礦山三維建模情況。

13D模擬管理系統(tǒng)概述

國(guó)內(nèi)從20世紀(jì)90年代開(kāi)始就不斷地有人研究三維地質(zhì)建模軟件的核心理論與技術(shù)，很多年內(nèi)，中國(guó)一直未有像樣的三維地質(zhì)建模軟件產(chǎn)品出現(xiàn)，近幾年這種局面有所改變，國(guó)內(nèi)三維地質(zhì)建模軟件正在快速發(fā)展、功能穩(wěn)步提高。MapGIS K9、 Longruan GIS、GeoView、GeoI3D、VRMine、Creatar、3Dmine、Minexplorer、GeoMo3D、3DA等這些國(guó)產(chǎn)三維地質(zhì)建模軟件，雖然與國(guó)際先進(jìn)產(chǎn)品相比仍然存在差距，但近年來(lái)發(fā)展迅速，已具備地下三維地質(zhì)建模功能，能夠滿(mǎn)足大多數(shù)三維地質(zhì)建模的應(yīng)用需求[5]。

本文介紹的煤炭礦山三維建模方法基于煤炭地質(zhì)3D管理系統(tǒng)，這套系統(tǒng)是基于GIS平臺(tái)，利用地理信息系統(tǒng)技術(shù)、煤田信息管理技術(shù)、三維地質(zhì)模擬技術(shù)、多尺度數(shù)據(jù)融合技術(shù)和工作流技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)開(kāi)發(fā)而成的。其原理是通過(guò)3D GIS解決方案，將勘探工程數(shù)據(jù)、鉆孔柱狀圖、剖面圖、地形等高線圖、遙感柵格圖像、3D對(duì)象等多專(zhuān)題數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)縫連接與整合，基于煤層、構(gòu)造、剖面巖石輪廓界線等多源數(shù)據(jù)創(chuàng)建煤炭地質(zhì)勘查區(qū)的三維區(qū)域地質(zhì)模型。

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)煤炭地質(zhì)資料的全方位管理、展示與三維建模。1)對(duì)煤炭地質(zhì)資料的全方位管理，集中管理地表地理、鉆井、測(cè)井、分析化驗(yàn)、各類(lèi)地質(zhì)圖件等數(shù)據(jù)資料。2)對(duì)煤炭地質(zhì)資料的全方位展示，采用二維、三維相結(jié)合的方式全方位展示地表地理、鉆井、測(cè)井、地質(zhì)剖面、分析化驗(yàn)、各類(lèi)地質(zhì)圖件等數(shù)據(jù)資料。3)對(duì)煤炭礦山的三維建模，以基于多源數(shù)據(jù)的地層結(jié)構(gòu)建模技術(shù)、三維地質(zhì)屬性建模技術(shù)(包括三維空間插值技術(shù)、等值面提取技術(shù)、實(shí)時(shí)體繪制技術(shù)等)、基于三維地質(zhì)模型的切割分析技術(shù)、適合數(shù)字煤田的地表與地下各類(lèi)三維空間實(shí)體的集成技術(shù)和三維地質(zhì)模型可視化技術(shù)等為關(guān)鍵三維地質(zhì)模擬技術(shù)，使用地形、鉆井、地質(zhì)剖面、煤巖層底板等高線數(shù)據(jù)建立煤炭地質(zhì)的三維精細(xì)模型，以三維立體的方式直觀展示煤炭地區(qū)的地層、構(gòu)造、煤巖層形態(tài)。

圖1　煤礦三維地質(zhì)體單層拖拽、旋轉(zhuǎn)、縮放展示

2建模煤礦的煤層地質(zhì)概況

該煤礦的井田構(gòu)造單元位于鄂爾多斯地臺(tái)向斜寬緩東翼的北部之陜北斜坡，處于構(gòu)造穩(wěn)定的盆地內(nèi)部。區(qū)內(nèi)地層有：侏羅系下統(tǒng)富縣組、侏羅系中統(tǒng)延安組、新近系上新統(tǒng)靜樂(lè)組、第四系中、上更新統(tǒng)離石組和馬蘭組、全新統(tǒng)沖積層和風(fēng)積沙。煤層多賦存于侏羅紀(jì)中統(tǒng)地層中，本區(qū)巖石地層產(chǎn)狀近水平，因此煤層也多呈近水平產(chǎn)出。該煤礦可采煤層為2-2煤層、3-1煤層和3-2煤層，其中主采煤層為2-2和3-2煤層。2-2煤層厚度2.15～2.54m，平均2.32m，厚度穩(wěn)定，煤層埋深0～117.97m，底板標(biāo)高變化在+1225～+1260m之間，大體由東北向西南傾斜，平均傾角0.5°左右。3-2煤層埋深23.05～170.16m。煤層厚度0.90～1.17m，平均煤厚1.14m。煤層底板標(biāo)高+1175～+1225m之間，大體由東向西傾伏，平均傾角0.5°左右。

3建模數(shù)據(jù)處理與數(shù)據(jù)庫(kù)建立

煤炭礦山的三維建模需要大量調(diào)查數(shù)據(jù)支撐，以下選取基本建模所必需的幾種數(shù)據(jù)介紹其處理方法。

3.1地形地質(zhì)數(shù)據(jù)處理

地質(zhì)數(shù)據(jù)是三維地質(zhì)建模的基礎(chǔ)和前提，也是實(shí)際中礦山資源評(píng)估和采礦設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，是礦山生產(chǎn)管理的重點(diǎn)[2]。

根據(jù)建模地區(qū)的地層年代，按照12位編碼的形式編寫(xiě)地層時(shí)代表，上下標(biāo)分別用#+和#-表示。根據(jù)該區(qū)巖石地層所含的巖性，按照點(diǎn)線區(qū)填充類(lèi)型和子圖符號(hào)及顏色編寫(xiě)巖性子圖表。

從地形地質(zhì)圖中提煉出GIS格式的勘查區(qū)、地層區(qū)、地形線和采空區(qū)文件，且必須為統(tǒng)一投影統(tǒng)一坐標(biāo)系?？辈閰^(qū)基本為建模礦區(qū)邊界圈定的區(qū)域形成的區(qū)文件，根據(jù)建模范圍的需要進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整；地層區(qū)為帶有地層時(shí)代屬性標(biāo)記的區(qū)文件；地形線為建模區(qū)域的地形等高線組成的線文件；采空區(qū)為建模煤礦主采煤層的地下采空范圍形成的線文件，如有兩個(gè)或多個(gè)主采煤層則按煤層號(hào)分別標(biāo)明。

3.2鉆孔數(shù)據(jù)處理

鉆孔是獲取三維地質(zhì)信息的最直觀、準(zhǔn)確和詳細(xì)的手段[2]。

鉆孔數(shù)據(jù)需要從鉆孔柱狀圖中讀取，整理歸納并填入3個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)表格中，分別是鉆孔基本信息表、鉆孔巖芯鑒定表和鉆探煤層結(jié)構(gòu)表。這3個(gè)表格尤為重要，關(guān)系到三維建模的精準(zhǔn)程度。其中，要讀出鉆孔坐標(biāo)、高程及終孔深度，煤層、夾矸層、煤層名稱(chēng)、巖性、地層時(shí)代以及每一層的厚度和累計(jì)深度等。具體數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)容及格式見(jiàn)圖2和圖3。

3.3巷道數(shù)據(jù)處理

巷道數(shù)據(jù)需要把巷道延伸的各個(gè)點(diǎn)坐標(biāo)和高程錄入數(shù)據(jù)庫(kù)表格中，在巷道總表中輸入巷道的基本信息，在巷道點(diǎn)表中錄入各點(diǎn)的X、Y、Z坐標(biāo)，并按照序號(hào)范圍在巷道總表中歸類(lèi)為主巷、副巷或回風(fēng)巷，在巷道橫截面表格中設(shè)置巷道的截面形狀參數(shù)。巷道數(shù)據(jù)庫(kù)表格的內(nèi)容及格式見(jiàn)圖4和圖5。

巷道點(diǎn)坐標(biāo)的讀取采用在GIS中編輯巷道線文件提取線上各點(diǎn)坐標(biāo)的方法，高程值需要在建模礦區(qū)的井工布置圖中讀取巷道的幾個(gè)關(guān)鍵拐點(diǎn)的高程。

圖2　鉆孔巖芯鑒定表

圖3　鉆探煤層結(jié)構(gòu)表

圖4　巷道總表

圖5　巷道橫截面設(shè)置表

3.4地表高程及影像數(shù)據(jù)處理

這里主要涉及到遙感影像和高程數(shù)據(jù)的來(lái)源，核驗(yàn)其投影坐標(biāo)系是否與前面已準(zhǔn)備好的各個(gè)地形地質(zhì)數(shù)據(jù)一致，不一致則需要進(jìn)行投影變換。經(jīng)投影變換后的影像和高程數(shù)據(jù)按照建模礦區(qū)范圍的邊界進(jìn)行裁剪。用于裁剪的邊界文件要與之前準(zhǔn)備好的勘查區(qū)文件的范圍相一致。

4三維模型的構(gòu)建

4.1煤巖層地質(zhì)體模型

建立煤巖層地質(zhì)體模型可以一目了然礦區(qū)三維構(gòu)成，不僅能準(zhǔn)確掌握各煤層展布的幾何空間形態(tài)，且為后續(xù)開(kāi)發(fā)利用規(guī)劃奠定了基礎(chǔ)。煤巖層地質(zhì)體建模通常采用以下3種方法：①利用礦體邊界線大概確定礦體范圍；②基于勘探線剖面圖進(jìn)行礦體模型構(gòu)建；③基于鉆孔數(shù)據(jù)進(jìn)行礦體模型構(gòu)建[6]。通常應(yīng)根據(jù)建模目的來(lái)選擇合適的方法，但要準(zhǔn)確反映實(shí)際礦體形態(tài)，往往需要綜合采用多種方法。

本文采用以鉆孔數(shù)據(jù)和勘探線剖面圖共同進(jìn)行模型構(gòu)建的方法，具體步驟如下：①將鉆孔點(diǎn)連接成實(shí)際勘探線，幾個(gè)相鄰的基本在一條直線上的鉆孔點(diǎn)連接成一條勘探線，最終形成幾條相互平行或垂直的勘探線，如圖6；②對(duì)已連接好的勘探線進(jìn)行煤巖層繪制，設(shè)置剖面的基準(zhǔn)層后按照鉆孔信息畫(huà)煤層和巖層并賦色，每條勘探線都生成對(duì)應(yīng)的勘探線剖面，如圖7；③用勘查區(qū)范圍的區(qū)文件控制地質(zhì)體邊界；④用鉆孔數(shù)據(jù)庫(kù)中的煤巖標(biāo)志層信息設(shè)置地層等值線；⑤將所有勘探線剖面設(shè)置為約束剖面，見(jiàn)圖8；⑥生成煤巖層地質(zhì)體模型，并進(jìn)行驗(yàn)證及修正。煤礦三維煤巖層地質(zhì)體模型見(jiàn)圖9和圖10。

圖6　連接勘探線

圖7　單條勘探線生成的剖面圖

圖8　某煤礦三維剖面圖

圖9　某煤礦三維地質(zhì)體

圖10　某煤礦三維地質(zhì)體模型爆炸

在建立煤巖層地質(zhì)體模型時(shí)，能夠連接成的勘探線越多，也就是形成的控制地質(zhì)體的剖面越多，形成的三維地質(zhì)體越精確。當(dāng)遇到鉆孔點(diǎn)少或相對(duì)集中無(wú)法控制整個(gè)礦區(qū)范圍時(shí)，需要補(bǔ)點(diǎn)加孔來(lái)充實(shí)控制點(diǎn)，進(jìn)而完成控制剖面。

4.2鉆孔模型

建立鉆孔模型是為了更形象地展示鉆孔縱向組成和空間展布，以及各鉆孔之間對(duì)應(yīng)層位的位置關(guān)系。在收集到的礦區(qū)鉆孔資料的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)以下步驟完成鉆孔模型構(gòu)建：①建立鉆孔數(shù)據(jù)庫(kù)，統(tǒng)一格式整理成3張數(shù)據(jù)庫(kù)表格，具體處理方法前文已經(jīng)述及；②手動(dòng)獲取鉆孔煤層結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，在三維建模中選擇全部鉆孔；③設(shè)置存儲(chǔ)類(lèi)型和鉆孔材質(zhì)等信息或子圖庫(kù)；④形成模型掛接到要素圖層。煤礦的三維鉆孔模型見(jiàn)圖11。

鉆孔模型的顯示可以選擇顏色或材質(zhì)，根據(jù)地層屬性、煤巖層分布和鉆孔結(jié)構(gòu)的不同顯示的材質(zhì)復(fù)雜程度也不同，可以自行設(shè)置每種巖性的顯示圖案，如果發(fā)現(xiàn)鉆孔模型顯示有問(wèn)題，則需要重新檢查鉆孔數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)容，修改后重新獲取鉆孔數(shù)據(jù)并建立模型。

4.3巷道模型

建立礦山巷道三維模型是為了直觀反映煤層地質(zhì)體與巷道間的空間位置關(guān)系并為巷道設(shè)計(jì)提供依據(jù)。根據(jù)該煤礦井工布置平面圖中的巷道布設(shè)，將主巷、副巷和回風(fēng)巷一起建立三維模型，經(jīng)過(guò)以下步驟完成巷道模型構(gòu)建：①在井工布設(shè)圖中分別提取主巷、副巷和回風(fēng)巷的延伸數(shù)據(jù)，并讀取關(guān)鍵拐點(diǎn)高程，形成巷道數(shù)據(jù)庫(kù)；②設(shè)置巷道橫截面的形狀等參數(shù)；③創(chuàng)建要素圖層，在礦區(qū)巷道建模中選擇巷道數(shù)據(jù)表格；④保存模型掛接到要素圖層。該煤礦三維巷道模型見(jiàn)圖12，巷道橫截面和使用巷道漫游功能在巷道內(nèi)移動(dòng)見(jiàn)圖13，漫游中能感知巷道高低變化和拐彎等。

圖11　某煤礦三維鉆孔模型

圖12　某煤礦三維巷道模型

4.4采空區(qū)模型

建立采空區(qū)模型是為了掌握采空區(qū)的基本形態(tài)、位置、體積以及與煤層和其他巷道工程的空間位置關(guān)系，也可為采空區(qū)穩(wěn)定性數(shù)值模擬計(jì)算研究奠定基礎(chǔ)[6]。為使所建采空區(qū)模型盡可能準(zhǔn)確，按以下步驟完成采空區(qū)模型的構(gòu)建：①在三維建模中創(chuàng)建要素圖層，選擇處理好的采空區(qū)范圍的線文件；②在已建好的煤巖層模型中設(shè)置采空區(qū)對(duì)應(yīng)的煤層號(hào)；③保存模型掛接到要素圖層。該煤礦采空區(qū)模型見(jiàn)圖14，采空區(qū)在煤巖層地質(zhì)體模型中展示見(jiàn)圖15。

圖13　某煤礦巷道模型漫游橫截面

圖14　某煤礦32煤采空區(qū)模型

圖15　某煤礦32煤采空區(qū)在煤巖層地質(zhì)體模型中展示

4.5地表影像模型

建立地表影像模型是為了直觀、清楚地表示礦區(qū)地表與礦體等其它空間體的三維位置關(guān)系。以礦區(qū)地形圖、DEM數(shù)據(jù)和遙感影像為原始資料，經(jīng)過(guò)以下步驟完成模型構(gòu)建工作：①高程數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)的投影變換；②按照礦區(qū)邊界剪裁高程和影像數(shù)據(jù)；③在三維建模中創(chuàng)建地形圖層，關(guān)聯(lián)高程數(shù)據(jù)；④添加地表影像，關(guān)聯(lián)煤礦的影像數(shù)據(jù)。該煤礦地表影像模型見(jiàn)圖16。

圖16　某煤礦地表影像模型

在建立影像模型時(shí)遇到了一個(gè)技術(shù)問(wèn)題：DEM數(shù)據(jù)用不規(guī)則礦區(qū)邊界剪裁后邊界高程值出現(xiàn)異常。這直接導(dǎo)致地表影像顯示出現(xiàn)掉邊或者翹邊的現(xiàn)象。嘗試了多種處理軟件進(jìn)行高程和影像剪裁操作之后，均出現(xiàn)不同程度的此問(wèn)題，且邊界越復(fù)雜的礦區(qū)問(wèn)題越嚴(yán)重。針對(duì)此問(wèn)題本文的處理方法是高程數(shù)據(jù)選擇較大區(qū)域的規(guī)則邊界的數(shù)據(jù)，再疊加礦區(qū)邊界的影像數(shù)據(jù)，這樣三維地表影像顯示正常。不過(guò)這種處理方法只是不將此問(wèn)題顯示出來(lái)，并未徹底解決該問(wèn)題，本文也提出這個(gè)問(wèn)題供探討。

5總結(jié)

煤炭礦山三維建模至少需要礦區(qū)的地形地質(zhì)數(shù)據(jù)、鉆孔數(shù)據(jù)、巷道數(shù)據(jù)、高程和影像數(shù)據(jù)等幾種基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并應(yīng)根據(jù)建模手段按照相應(yīng)要求進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，同時(shí)建立建模數(shù)據(jù)庫(kù)。

本文借助基于GIS平臺(tái)研發(fā)的煤炭地質(zhì)3D管理系統(tǒng)，進(jìn)行礦山數(shù)據(jù)的前期處理，構(gòu)建了煤巖層地質(zhì)體模型、鉆孔模型、采空區(qū)模型、巷道模型、地表影像模型等5個(gè)三維模型。

在實(shí)現(xiàn)三維建模的同時(shí)，基于煤炭地質(zhì)管理系統(tǒng)對(duì)煤炭地質(zhì)資料進(jìn)行全方位管理、展示與分析。實(shí)現(xiàn)二三維數(shù)據(jù)管理，三維模型縮放、旋轉(zhuǎn)、爆炸、單層或多層拖拽、指定路徑漫游和巷道漫游等展示，以及三維地質(zhì)體切割、儲(chǔ)量計(jì)算等分析。

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收稿日期：2016-04-07

基金項(xiàng)目：中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目“全國(guó)礦山地質(zhì)環(huán)境信息系統(tǒng)建設(shè)與服務(wù)”資助(編號(hào)：121201014000150055)

作者簡(jiǎn)介：王議(1984-)，女，碩士，畢業(yè)于中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)，現(xiàn)研究方向?yàn)榈V山地質(zhì)環(huán)境。E-mail：wangyi@mail.cigem.gov.cn。

中圖分類(lèi)號(hào)：TD82-9

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：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