基于3D管理系統的煤炭礦山三維建模及實踐：以陜北某煤礦為例

王　議，孫　偉，馬冬梅，張志鵬，何培雍

(中國地質環境監測院，北京 100081)

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基于3D管理系統的煤炭礦山三維建模及實踐：以陜北某煤礦為例

王議，孫偉，馬冬梅，張志鵬，何培雍

(中國地質環境監測院，北京 100081)

摘要：隨著現代勘探技術的進步，礦區信息化水平的提高，使礦區三維建模與3D管理技術成為信息化研究的熱點。本文闡述了基于GIS平臺研發的煤炭地質3D管理系統的基本內容，介紹了煤炭礦山三維建模需要的礦區地形地質數據、鉆孔數據、巷道數據、高程和影像數據等幾種基礎數據的處理方法，在此基礎上介紹構建煤炭礦區煤巖層地質體模型、鉆孔模型、巷道模型、采空區模型和地表影像模型等5個三維模型的步驟，并以陜北某煤礦為例說明了建模中可能遇到的具體問題和解決辦法。

關鍵詞：煤炭礦山；三維建模；3D管理；陜西省

數字礦山是當今熱點研究的數字地球的重要組成部分，為礦產資源評估、礦山規劃、開拓設計、采掘過程、生產安全、地質災害預測和決策管理等進行模擬、仿真和過程分析[1]。礦山3D管理技術及三維地質建模研究，是數字礦山的核心組成部分，是現代礦山信息化研究的熱點和重點[2]。我國礦山勘探、規劃、設計、生產、管理和監控等全面信息化仍處于起步階段，各種礦山信息系統的研發水平、集成化程度和應用范圍與發達國家相比仍有較大差距。相對于傳統的二維數據表示方法，三維模型能夠完整準確地表達各種地質現象，快速直觀地再現礦區地質單元的空間展布及其相互關系，挖掘隱含的地質信息，方便礦山企業管理分析和決策等[3-4]。目前，面臨的關鍵技術難題主要包括三維空間數據的不確定性、地質體空間關系的復雜性以及空間分析及應用的局限性等。地質體本身是一個非均質、各向異性的不連續三維實體，工程揭露地質信息有限。地質體的復雜性，加之三維空間數據獲取的艱難性，礦山三維建模是一項非常復雜的系統工程，3D模擬一般是通過分析、解釋、推斷、內插和外推等建立三維模型[1]。

陜西北部地區是我國重要的能源基地，礦產資源豐富，開發潛力巨大，尤其以煤炭資源開發聞名全國，煤炭礦山企業眾多。本文建立在對陜北地區多個煤炭礦山的調查和分析建模的基礎上，選取某煤礦為例，介紹基于3D模擬管理系統的煤炭礦山三維建模情況。

13D模擬管理系統概述

國內從20世紀90年代開始就不斷地有人研究三維地質建模軟件的核心理論與技術，很多年內，中國一直未有像樣的三維地質建模軟件產品出現，近幾年這種局面有所改變，國內三維地質建模軟件正在快速發展、功能穩步提高。MapGIS K9、 Longruan GIS、GeoView、GeoI3D、VRMine、Creatar、3Dmine、Minexplorer、GeoMo3D、3DA等這些國產三維地質建模軟件，雖然與國際先進產品相比仍然存在差距，但近年來發展迅速，已具備地下三維地質建模功能，能夠滿足大多數三維地質建模的應用需求[5]。

本文介紹的煤炭礦山三維建模方法基于煤炭地質3D管理系統，這套系統是基于GIS平臺，利用地理信息系統技術、煤田信息管理技術、三維地質模擬技術、多尺度數據融合技術和工作流技術等關鍵技術開發而成的。其原理是通過3D GIS解決方案，將勘探工程數據、鉆孔柱狀圖、剖面圖、地形等高線圖、遙感柵格圖像、3D對象等多專題數據進行無縫連接與整合，基于煤層、構造、剖面巖石輪廓界線等多源數據創建煤炭地質勘查區的三維區域地質模型。

本系統實現了對煤炭地質資料的全方位管理、展示與三維建模。1)對煤炭地質資料的全方位管理，集中管理地表地理、鉆井、測井、分析化驗、各類地質圖件等數據資料。2)對煤炭地質資料的全方位展示，采用二維、三維相結合的方式全方位展示地表地理、鉆井、測井、地質剖面、分析化驗、各類地質圖件等數據資料。3)對煤炭礦山的三維建模，以基于多源數據的地層結構建模技術、三維地質屬性建模技術(包括三維空間插值技術、等值面提取技術、實時體繪制技術等)、基于三維地質模型的切割分析技術、適合數字煤田的地表與地下各類三維空間實體的集成技術和三維地質模型可視化技術等為關鍵三維地質模擬技術，使用地形、鉆井、地質剖面、煤巖層底板等高線數據建立煤炭地質的三維精細模型，以三維立體的方式直觀展示煤炭地區的地層、構造、煤巖層形態。

圖1　煤礦三維地質體單層拖拽、旋轉、縮放展示

2建模煤礦的煤層地質概況

該煤礦的井田構造單元位于鄂爾多斯地臺向斜寬緩東翼的北部之陜北斜坡，處于構造穩定的盆地內部。區內地層有：侏羅系下統富縣組、侏羅系中統延安組、新近系上新統靜樂組、第四系中、上更新統離石組和馬蘭組、全新統沖積層和風積沙。煤層多賦存于侏羅紀中統地層中，本區巖石地層產狀近水平，因此煤層也多呈近水平產出。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，厚度穩定，煤層埋深0～117.97m，底板標高變化在+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建模數據處理與數據庫建立

煤炭礦山的三維建模需要大量調查數據支撐，以下選取基本建模所必需的幾種數據介紹其處理方法。

3.1地形地質數據處理

地質數據是三維地質建模的基礎和前提，也是實際中礦山資源評估和采礦設計的基礎，是礦山生產管理的重點[2]。

根據建模地區的地層年代，按照12位編碼的形式編寫地層時代表，上下標分別用#+和#-表示。根據該區巖石地層所含的巖性，按照點線區填充類型和子圖符號及顏色編寫巖性子圖表。

從地形地質圖中提煉出GIS格式的勘查區、地層區、地形線和采空區文件，且必須為統一投影統一坐標系。勘查區基本為建模礦區邊界圈定的區域形成的區文件，根據建模范圍的需要進行適當調整；地層區為帶有地層時代屬性標記的區文件；地形線為建模區域的地形等高線組成的線文件；采空區為建模煤礦主采煤層的地下采空范圍形成的線文件，如有兩個或多個主采煤層則按煤層號分別標明。

3.2鉆孔數據處理

鉆孔是獲取三維地質信息的最直觀、準確和詳細的手段[2]。

鉆孔數據需要從鉆孔柱狀圖中讀取，整理歸納并填入3個數據庫表格中，分別是鉆孔基本信息表、鉆孔巖芯鑒定表和鉆探煤層結構表。這3個表格尤為重要，關系到三維建模的精準程度。其中，要讀出鉆孔坐標、高程及終孔深度，煤層、夾矸層、煤層名稱、巖性、地層時代以及每一層的厚度和累計深度等。具體數據庫內容及格式見圖2和圖3。

3.3巷道數據處理

巷道數據需要把巷道延伸的各個點坐標和高程錄入數據庫表格中，在巷道總表中輸入巷道的基本信息，在巷道點表中錄入各點的X、Y、Z坐標，并按照序號范圍在巷道總表中歸類為主巷、副巷或回風巷，在巷道橫截面表格中設置巷道的截面形狀參數。巷道數據庫表格的內容及格式見圖4和圖5。

巷道點坐標的讀取采用在GIS中編輯巷道線文件提取線上各點坐標的方法，高程值需要在建模礦區的井工布置圖中讀取巷道的幾個關鍵拐點的高程。

圖2　鉆孔巖芯鑒定表

圖3　鉆探煤層結構表

圖4　巷道總表

圖5　巷道橫截面設置表

3.4地表高程及影像數據處理

這里主要涉及到遙感影像和高程數據的來源，核驗其投影坐標系是否與前面已準備好的各個地形地質數據一致，不一致則需要進行投影變換。經投影變換后的影像和高程數據按照建模礦區范圍的邊界進行裁剪。用于裁剪的邊界文件要與之前準備好的勘查區文件的范圍相一致。

4三維模型的構建

4.1煤巖層地質體模型

建立煤巖層地質體模型可以一目了然礦區三維構成，不僅能準確掌握各煤層展布的幾何空間形態，且為后續開發利用規劃奠定了基礎。煤巖層地質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行礦體模型構建；③基于鉆孔數據進行礦體模型構建[6]。通常應根據建模目的來選擇合適的方法，但要準確反映實際礦體形態，往往需要綜合采用多種方法。

本文采用以鉆孔數據和勘探線剖面圖共同進行模型構建的方法，具體步驟如下：①將鉆孔點連接成實際勘探線，幾個相鄰的基本在一條直線上的鉆孔點連接成一條勘探線，最終形成幾條相互平行或垂直的勘探線，如圖6；②對已連接好的勘探線進行煤巖層繪制，設置剖面的基準層后按照鉆孔信息畫煤層和巖層并賦色，每條勘探線都生成對應的勘探線剖面，如圖7；③用勘查區范圍的區文件控制地質體邊界；④用鉆孔數據庫中的煤巖標志層信息設置地層等值線；⑤將所有勘探線剖面設置為約束剖面，見圖8；⑥生成煤巖層地質體模型，并進行驗證及修正。煤礦三維煤巖層地質體模型見圖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　某煤礦三維地質體

圖10　某煤礦三維地質體模型爆炸

在建立煤巖層地質體模型時，能夠連接成的勘探線越多，也就是形成的控制地質體的剖面越多，形成的三維地質體越精確。當遇到鉆孔點少或相對集中無法控制整個礦區范圍時，需要補點加孔來充實控制點，進而完成控制剖面。

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，以及各鉆孔之間對應層位的位置關系。在收集到的礦區鉆孔資料的基礎上，經過以下步驟完成鉆孔模型構建：①建立鉆孔數據庫，統一格式整理成3張數據庫表格，具體處理方法前文已經述及；②手動獲取鉆孔煤層結構數據，在三維建模中選擇全部鉆孔；③設置存儲類型和鉆孔材質等信息或子圖庫；④形成模型掛接到要素圖層。煤礦的三維鉆孔模型見圖11。

鉆孔模型的顯示可以選擇顏色或材質，根據地層屬性、煤巖層分布和鉆孔結構的不同顯示的材質復雜程度也不同，可以自行設置每種巖性的顯示圖案，如果發現鉆孔模型顯示有問題，則需要重新檢查鉆孔數據庫內容，修改后重新獲取鉆孔數據并建立模型。

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體與巷道間的空間位置關系并為巷道設計提供依據。根據該煤礦井工布置平面圖中的巷道布設，將主巷、副巷和回風巷一起建立三維模型，經過以下步驟完成巷道模型構建：①在井工布設圖中分別提取主巷、副巷和回風巷的延伸數據，并讀取關鍵拐點高程，形成巷道數據庫；②設置巷道橫截面的形狀等參數；③創建要素圖層，在礦區巷道建模中選擇巷道數據表格；④保存模型掛接到要素圖層。該煤礦三維巷道模型見圖12，巷道橫截面和使用巷道漫游功能在巷道內移動見圖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采空區模型

建立采空區模型是為了掌握采空區的基本形態、位置、體積以及與煤層和其他巷道工程的空間位置關系，也可為采空區穩定性數值模擬計算研究奠定基礎[6]。為使所建采空區模型盡可能準確，按以下步驟完成采空區模型的構建：①在三維建模中創建要素圖層，選擇處理好的采空區范圍的線文件；②在已建好的煤巖層模型中設置采空區對應的煤層號；③保存模型掛接到要素圖層。該煤礦采空區模型見圖14，采空區在煤巖層地質體模型中展示見圖15。

圖13　某煤礦巷道模型漫游橫截面

圖14　某煤礦32煤采空區模型

圖15　某煤礦32煤采空區在煤巖層地質體模型中展示

4.5地表影像模型

建立地表影像模型是為了直觀、清楚地表示礦區地表與礦體等其它空間體的三維位置關系。以礦區地形圖、DEM數據和遙感影像為原始資料，經過以下步驟完成模型構建工作：①高程數據和影像數據的投影變換；②按照礦區邊界剪裁高程和影像數據；③在三維建模中創建地形圖層，關聯高程數據；④添加地表影像，關聯煤礦的影像數據。該煤礦地表影像模型見圖16。

圖16　某煤礦地表影像模型

在建立影像模型時遇到了一個技術問題：DEM數據用不規則礦區邊界剪裁后邊界高程值出現異常。這直接導致地表影像顯示出現掉邊或者翹邊的現象。嘗試了多種處理軟件進行高程和影像剪裁操作之后，均出現不同程度的此問題，且邊界越復雜的礦區問題越嚴重。針對此問題本文的處理方法是高程數據選擇較大區域的規則邊界的數據，再疊加礦區邊界的影像數據，這樣三維地表影像顯示正常。不過這種處理方法只是不將此問題顯示出來，并未徹底解決該問題，本文也提出這個問題供探討。

5總結

煤炭礦山三維建模至少需要礦區的地形地質數據、鉆孔數據、巷道數據、高程和影像數據等幾種基礎數據，并應根據建模手段按照相應要求進行數據處理，同時建立建模數據庫。

本文借助基于GIS平臺研發的煤炭地質3D管理系統，進行礦山數據的前期處理，構建了煤巖層地質體模型、鉆孔模型、采空區模型、巷道模型、地表影像模型等5個三維模型。

在實現三維建模的同時，基于煤炭地質管理系統對煤炭地質資料進行全方位管理、展示與分析。實現二三維數據管理，三維模型縮放、旋轉、爆炸、單層或多層拖拽、指定路徑漫游和巷道漫游等展示，以及三維地質體切割、儲量計算等分析。

參考文獻

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收稿日期：2016-04-07

基金項目：中國地質調查局地質調查項目“全國礦山地質環境信息系統建設與服務”資助(編號：121201014000150055)

作者簡介：王議(1984-)，女，碩士，畢業于中國地質大學(北京)，現研究方向為礦山地質環境。E-mail：wangyi@mail.cigem.gov.cn。

中圖分類號：TD82-9

文獻標識碼：A

文章編號：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