紫金矿三维数字化模型的构建

紫金矿三维数字化模型的构建

张建峰

张建峰山西汾西矿业集团公司紫金煤矿031304

摘要在建立煤矿三维地质数据库的基础上，分别构建了矿床的实体模型、块体模型、地形模型、巷道模型等三维数字化模型。利用数据库和矿床三维立体模型，可以对采矿设计，瓦斯抽放、通风模型等的合理设置起到良好的作用。该系统在山西汾西紫金煤业有限责任公司

的运用，实现了矿床的三维立体化显示。

关键词煤矿数字化三维模型地质数据库

1．前言

紫金矿三维数字化模型的构建是以大型软件Surpac为基础平台的一次尝试。该项目将紫金煤矿已有的地质勘探资料进行整理，然后按要求将数据结构导入到Surpac软件中，通过矿床实体模型、块体模型、巷道模型和地表模型的构建，进行块体模型的赋值，最后形成一个三维数字化模型。

项目实施后，不仅展现了井下各条巷道的空间位置分布，而且展现出了各个井下构筑物的位置，使管理者对井下实施有效科学合理的管理提供技术保障。该模型不仅可以管理矿井近期的生产计划，而且对矿井未来的远景规划都能起到很好的作用，还可以用于矿量计算和局部开采方案的优化。通过对块体模型的赋值，可以直观了解井下各个块段的煤质属性，有助于提高煤矿的选采、配煤能力和计划安排。另外，由于三维展现了矿井的巷道构成，所以对通风设施的合理性和采空区的管理也容易做出分析和判断。

项目的实施构建了三维化数字矿山，提高了紫金矿的科学化管理水平，提升了矿井的生产效益。

2。矿床三维地质数据库的构建

三维数字化模型的建立，首先是创建孔口数据、测斜数据、化验数据和岩性数据四个数据表，然后根据研究的需要和现有资料的情况综合考虑，建立合适的数据结构，导入到软件平台中，最后根据数据库得到不同的钻孔并着不同的色。至此完成了地质数据库的构建工作。

2.1资料的整理

本项目共收集了20个钻孔，54行测斜数据，86行化验值，846行岩性值，但数据量仍然很有限，资料数量没有达到输出精确结果所要求的理想值。之后根据岩石的性质，共使用了39个阿拉伯数字编码代表不同的岩石。最后对四个表结构分别添加字段，孔口数据为强制默认文件，其余为选项字段。

2.2建立数据结构

该软件平台中不提供项目所要求的数据结构，需要自己手工建立所需的数据结构形式，它们分别是孔口数据、测斜数据、化验数据和岩性数据四个数据表。四个数据表虽然是独立的，但是相互之间可以通过逻辑上独立的“工程号”字段进行联系，从而为整个项目提供可靠的数据源。

（1）孔口数据结构表。包括孔号、钻孔x、y、z坐标，钻孔深度h等属性；（2）测斜数据表。主要要素包括孔号、测斜深度、倾角、方位角。其它要素可以酌情加入，例如钻井开工时间、结束时间、施工单位等；（3）化验数据表。包括孔号、样号、深度自、深度至、煤层厚度、水分、灰分、挥发份、固定碳、干燥基全硫、原煤各种硫、原煤磷、发热量、粘结指数、真密度、精煤回收率和煤种等指标项；（4）岩性数据表。包括孔号、样号、深度自、深度至和岩性代号等属性值。

2.3资料的录入

该数据库的建立需要采用软件平台提供选项格式，依次创建孔口数据、测斜数据、化验数据和岩性数据四个数据表，然后把所收集的勘探资料输入所定义的这四个表中以完成资料的录入。

2.4显示钻孔并着色

该功能利用了软件平台强大的图形功能，不仅可以显示钻孔位置，而且显示了岩石的走向，几乎所有的地质信息都可以字符、图表、图案的方式显示出来。

3．矿床实体模型的构建

3.1原理

矿床实体模型的构建需要使用称为三角形网的数学概念。该三角形网是在平面中看它们之间重叠，而在空间看是不重叠或可能相交的立体结构。该不重叠的三角形网可以完全闭合形成完整的实体，所以可以得到矿床的实体模型。

构建的实体模型是由封闭的三角形来构成的，勘探范围内的矿体用体号和三角形的网号来标示。采用了三角网算法来来描述采用的块体模型来建立实体模型。矿体模型的准确程度决定了矿石种类、岩性等的准确效果。

图1矿床的实体模型图

3.2过程：（1）圈矿。需要确定地质资料中煤层部分和煤层底板等高线的位置（2）地质范围准确划分。利用地质勘探数据，准确确定勘探线的位置并调整，然后生成煤层顶板和底板，最后得到一层煤的实体模型，然后依次生成其它各层煤层。整个煤体就是这样生成的。

3.3步骤：（1）打开地表地形图，导入钻孔位置，画出钻孔位置;（2）导入钻孔数据，依据钻孔数据圈定矿体范围。

4。块体模型

4.1本质

本块体模型是基于地质统计学建立的一个数据库的模型。该模型可以用来估算矿产资源的品位。块体中的点只是空间的函数，不随块体的变化而变，所以块体模型的精度只与块体的范围有关。另外，由于块体模型是动态地导入内存的，所以对内存提出了较高的要求。

4.2基本步骤

第一，创建空的块体模型。也就是不要求输入属性值，但要求块体模型尺寸大于矿脉尺寸，这样有利于品位估值和块体约束；第二，引入实体模型，得到约束后的实体模型和块体模型图；第三，导入地质数据库文件，得到约束后的岩性分布图和品位分布图。

4.3作用

通过与构建的实体模型作用，形成对块体模型的范围约束，再导入钻孔地质资料进行约束可以得到品位分布图、岩性分布图等。

5．地表模型

地表三维实体模型的构建，有利于知道整个煤矿地表的实际情况以及对周边环镜的影响，对主、副井出口的合理化设置提供了参考，有助于分析地表山川对井下地压的影响。数字化地表范围包括山脉、河流、山谷等具有实际地理坐标和等高线地形图。为了达到新的等高线与原有的等高线相一致，还要对每条等高线进行重新赋值。建立地表模型的过程主要是导入地质勘探部门提供的矿区平面数据，然后进行三角形网的相邻连线工作，通过所有三角面的集合来完成成地表模型的构建。

矿床地表模型的构建可以采用如下方法：（1）数字化仪法。这种方法是将数字化文件导入surpac线文件的方法，也是最常用的数字化方法。该方法主要用于地形起伏不大，地质构造少的情形；（2）距离幂次反比加趋势面分析法。这种方法适用于地质数据少，仅通过趋势面分析就可得到地形数据的情况；（3）地质模型修改发。该方法是通过将大比例的地形数据导入数据库，构建地质模型，从而检查模型的交叉、重叠等不合理现象，然后进行纠正的方法；（4）直接生成法。该方法利用surpac提供的数据接口直接导入，可以得到非常精确的结果。

6。巷道模型

巷道建模的依据是矿上提供的巷道布置图，根据巷道布置图整理成三围视图。然后建立三维化的坐标线，根据各点实际的巷道断面情况，建立一条巷道模型。所有的巷道都经过这样的过程后，就建立好了整个矿井的巷道整体模型。巷道模型的构建，成功地展现了巷道结构的实体形状和空间位置。

6.1巷道数据的整理

第一步，CAD中进行图纸的编号和各条巷道的区别工作；第二步，将巷道中测点数据形成数据库可接受的线文件格式；第三步，读取CAD图中的数据到线文件中；第四步，循环往复，得到所有巷道的数据文件。

6.2模型的实施过程

巷道模型是利用地质数据库中的地质勘探资料和巷道资料形成的实体模型。巷道模型展现了丰富多彩的地下世界，联系了地上和地下的生产环节，对井下安全生产起到相当大的影响。

通过对不同用途的巷道设置不同的颜色，就可以达到有利于分析巷道在煤层中的不同作用，从而有利于煤矿的施工和巷道的联系。

7．模型的赋值及其应用

紫金矿三维数字化模型的构建项目所说的模型的赋值主要是指三维地质数据库中煤层的碳含量、瓦斯含量、硫磷含量、热值等属性数值。

7.1块体模型的属性值

项目建立的模型包括：矿床实体模型、块体模型、巷道模型和地表模型。其中块体模型的赋值与项目的结论准确程度关系很大。块体模型是通过突出显示所关心的煤层、关心的岩层还有工程技术人员感兴趣的属性值等一系列设置来为生产计划的编制和配煤服务的。可以根据各种约束条件和属性的自由组合来建立块体的不同约束模型。例如，可以通过所采煤层的线性约束模型和给块体模型添加瓦斯的属性值来构建煤层在瓦斯条件下的约束模型。块体模型相当于属性数据库，可以添加诸如岩层性质、煤层性质、瓦斯浓度等属性。属性值可以为数值，比例还能是字符。具体赋值过程是通过地质数据库里的新建命令来将地质数据库中的数据导入到块体模型中的，然后就可以自由观看赋值后的块体模型了。

7.2约束模型赋值后的应用

（1）显示设置。约束模型是指经属性赋值后的块体模型。对约束模型的估值也称为为显示设置。可以通过不同的煤质属性值（发热量、碳含量、含硫量、水分等）和不同的图案来描述煤的属性的变化规律。（2）估值的数学方法与应用。估值的具体方法有：赋值法、距离法、反比法和普通法。具体应用哪种方法取决于地质条件，但反比法应用较多。具体应用包括：煤层瓦斯含量、碳含量、发热量、硫含量的估值等。（3）评价。本项目通过对不同属性的模型建立约束模型，使得不同属性背景值下的同一模型有了可比性，从而能为煤矿的科学化安排生产起到直接的意义。

8．结论

本项目的实施，构建了矿床的三维地质数据库，建立了矿床的实体模型、块体模型、地表模型、巷道模型，实现了矿床的三维数字化现实，并且可以应用于采矿设计，通风优化等。

该系统的应用，提高了矿井资料的数字化水平，有利于矿井的通风管理、设计优化、计划实施，并且产生了非常可观的经济效益和社会效益，促进了矿井文明化生产水平。