三維可視化建模技術(shù)在露天礦中的應(yīng)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(zé)任公司生產(chǎn)技術(shù)部, 內(nèi)蒙古呼和浩特 010000;2.遼寧工程技術(shù)大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院, 遼寧阜新市 123000)

三維可視化建模技術(shù)在露天礦中的應(yīng)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(zé)任公司生產(chǎn)技術(shù)部, 內(nèi)蒙古呼和浩特 010000;2.遼寧工程技術(shù)大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院, 遼寧阜新市 123000)

以某露天煤礦為例,以 AutoCAD為平臺(tái),并運(yùn)用 C#.net對(duì)其進(jìn)行二次開發(fā),通過對(duì)基礎(chǔ)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(jìn)而建立三維地質(zhì)實(shí)體模型,實(shí)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(yīng)用于露天礦的模擬開采、地質(zhì)儲(chǔ)量管理、地質(zhì)圖件的生成以及滑坡防治當(dāng)中。該模型的建立,對(duì)礦山的經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)、采礦設(shè)計(jì)和生產(chǎn)管理具有重要的指導(dǎo)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(shè)計(jì)和施工過程中,需要對(duì)大量的礦床地質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,并反饋到生產(chǎn)實(shí)際中。傳統(tǒng)的采礦工程對(duì)地質(zhì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)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(shí)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(dá)礦體及其他地質(zhì)體的形態(tài)和空間位置。運(yùn)用傳統(tǒng)方法不僅直觀感差、效率低,而且難以實(shí)現(xiàn)礦山合理規(guī)劃、優(yōu)化設(shè)計(jì)和優(yōu)化開采。

三維可視化地質(zhì)模型具有形象、直觀、準(zhǔn)確、動(dòng)態(tài)、信息豐富等特點(diǎn),能改進(jìn)采礦工作者對(duì)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(shí),更為突出的是其具有準(zhǔn)確的開采設(shè)計(jì)和生產(chǎn)計(jì)劃功能[2]。因此,研究礦山三維可視化建模技術(shù)有著重要的現(xiàn)實(shí)意義和實(shí)用價(jià)值。

本文將利用某露天煤礦的基礎(chǔ)地質(zhì)資料,以AutoCAD為軟件平臺(tái),運(yùn)用 C#.net進(jìn)行二次開發(fā),建立三維可視化地質(zhì)模型,比較全面、真實(shí)地反映地質(zhì)現(xiàn)象,并將其應(yīng)用于露天礦模擬開采、地質(zhì)儲(chǔ)量管理、礦巖量計(jì)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(duì)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(tái)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(duì)原始地表地形、采場、排土場形態(tài)進(jìn)行真實(shí)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(shí),需要對(duì)煤層上覆的土巖進(jìn)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(chǔ)數(shù)據(jù)的采集與預(yù)處理、空間插值、地質(zhì)界面模型的構(gòu)建、三維實(shí)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(chǔ)數(shù)據(jù)的采集與預(yù)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(biāo) (x,y,z)。工程地表面數(shù)據(jù)來源主要有測量驗(yàn)收?qǐng)D、生產(chǎn)計(jì)劃圖等[4],這些圖大多數(shù)都是以 AutoCAD數(shù)據(jù)文件存儲(chǔ)的,因此需要對(duì)圖元文件中的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行提取,其中包括地形高程數(shù)據(jù),平盤,臺(tái)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(chǔ)的資料是鉆孔柱狀圖所包含的鉆孔孔口坐標(biāo)、地層名、煤層頂?shù)装鍢?biāo)高、孔深、鉆孔方向、煤質(zhì)指標(biāo)等信息。

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

2.2 空間插值

在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集階段已經(jīng)提取了數(shù)據(jù)點(diǎn)坐標(biāo),但由于數(shù)據(jù)點(diǎn)個(gè)數(shù)偏少,三角網(wǎng)的形成不準(zhǔn)確,不能比較形象地表達(dá)地表、礦坑、礦體的模型,因此采用空間插值技術(shù)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(shì)面法、加權(quán)最小二乘法等,應(yīng)根據(jù)地質(zhì)體的特點(diǎn)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(diǎn),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(diǎn)生成無約束的 Delaunay三角網(wǎng),然后把臺(tái)階的坡頂、坡底線作為約束線,對(duì) Delaunay三角網(wǎng)進(jìn)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(diǎn)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(duì)煤層頂?shù)装咫x散數(shù)據(jù)點(diǎn)的高程值進(jìn)行估值,以取樣點(diǎn)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)點(diǎn)對(duì)規(guī)則的三維格網(wǎng)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行插值,形成規(guī)則的 Grid格網(wǎng)模型,然后由規(guī)則的 Grid點(diǎn)生成 TI N模型,從而實(shí)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(shí)體模型

實(shí)體模型包括采場現(xiàn)狀實(shí)體、煤層實(shí)體、巖層實(shí)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(luò)法構(gòu)模,該方法具有運(yùn)算時(shí)間短,構(gòu)模速度快、通用性強(qiáng)、完全適合于層狀礦體等優(yōu)點(diǎn)。

(1)采場現(xiàn)狀實(shí)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(gè)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(luò)法),就可以得到采場現(xiàn)狀實(shí)體模型。

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

圖2 某露天礦煤巖實(shí)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(shí)體模型和煤、巖實(shí)體模型的基礎(chǔ)上,以現(xiàn)狀實(shí)體模型為基態(tài)模型,先與其它地質(zhì)體作布爾“差”運(yùn)算,構(gòu)建土巖模型,然后再將其余的地質(zhì)體模型進(jìn)行“反插”[4],進(jìn)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(yīng)用

3.1 在露天礦模擬開采中的應(yīng)用

模擬開采是根據(jù)工程位置的推進(jìn)方向、工程量要求,模擬各臺(tái)階工程位置推進(jìn),是進(jìn)行露天礦短期生產(chǎn)計(jì)劃編制的基礎(chǔ)。在露天礦采場三維線框模型上使用“人機(jī)交互”的方法選擇計(jì)劃擴(kuò)幫臺(tái)階的坡頂、底線,圈出計(jì)劃線;根據(jù)露天礦采場三維線框模型對(duì)計(jì)劃線賦高程值,并用露天礦開采參數(shù)對(duì)計(jì)劃線進(jìn)行擴(kuò)展,用計(jì)劃線截取影響區(qū)域內(nèi)的現(xiàn)狀臺(tái)階坡頂、底線,從而構(gòu)成整個(gè)計(jì)劃線框模型。本文使用計(jì)劃線框模型構(gòu)建實(shí)體模型,并導(dǎo)入煤、巖實(shí)體地質(zhì)模型,與計(jì)劃實(shí)體模型做布爾運(yùn)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(shè)計(jì)手段,使實(shí)現(xiàn)多方案設(shè)計(jì)并從中選優(yōu)成為可能,提高了采礦設(shè)計(jì)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(chǔ)量計(jì)算中的應(yīng)用

首先圈定需要計(jì)算地質(zhì)儲(chǔ)量的區(qū)域,然后系統(tǒng)自動(dòng)生成所圈定區(qū)域的柱狀實(shí)體模型,把區(qū)域?qū)嶓w模型和地質(zhì)體實(shí)體模型做布爾運(yùn)算,最后生成所圈定區(qū)域的地質(zhì)實(shí)體模型。在生成塊段實(shí)體模型后,AutoCAD提供對(duì)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(shí)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(chǔ)量值。

3.3 在露天礦礦巖量計(jì)算中的應(yīng)用

傳統(tǒng)的露天礦礦巖量計(jì)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(jì)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(yàn)收測量的數(shù)據(jù),按時(shí)間序列生成一系列的采場 DEM模型,通過不同時(shí)刻的 2個(gè) DEM模型,作1次差值運(yùn)算,準(zhǔn)確計(jì)算出這個(gè)時(shí)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(jì)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(shí)際生產(chǎn)需要。

3.4 在地質(zhì)圖件繪制中的應(yīng)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(zhǔn)確、快捷的優(yōu)點(diǎn)。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(shí)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(duì)直線段依次進(jìn)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(biāo)轉(zhuǎn)換,再添加坐標(biāo)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(yīng)用

由邊坡應(yīng)力、位移監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)繪制位移監(jiān)測曲線,運(yùn)用回歸分析方法生成巖移預(yù)警線,可以進(jìn)行滑坡預(yù)警。此外,對(duì)露天礦三維邊坡進(jìn)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(jì)算邊坡穩(wěn)定性系數(shù)。將滑坡預(yù)警與邊坡穩(wěn)定性計(jì)算有機(jī)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(tái),對(duì)其進(jìn)行二次開發(fā),結(jié)合地質(zhì)數(shù)據(jù)資料與實(shí)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(shù)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(chǔ)量管理、礦巖量計(jì)算、地質(zhì)圖件的生成與滑坡防治提供很好的平臺(tái),因此,三維可視化建模技術(shù)應(yīng)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(shù)保證。

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遼寧工程技術(shù)大學(xué)研究生科研立項(xiàng)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(shù)管理工作。