礦山地質結構中的數學模擬架構構建研究

張發榮

（甘肅畜牧工程職業技術學院，甘肅 武威 733006）

礦山的地質結構是一個復雜多變的固、液、氣混合系統，礦體形態大多深埋地下邊界不清，容易受到多種因素的影響。為了防止人類活動和開采工程破壞礦山的地質環境，引發地質災害，給我們的資源開采和生產安全造成危險,應通過地質勘探技術，勘量礦山的地質數據，并利用空間數據模型對礦山區域的地下空間結構進行三維立體建模，構建數學模擬架構，使礦山的地質結構更加參數化、可視化、立體化，也使我國的地質勘探部門對礦山的開采設計、模擬開采和采礦動態影響方面更加科學準確[1]。

1 數學模擬架構的設計原則

設計礦山地質結構的數學模擬架構，主要是讓地質勘測人員借助數學分析工具對礦山的勘測數據進行深度加工，從而將礦山的地質結構以三維立體形式表現出來[2]。由于不同礦山的地質結構具有差異性，因此需要建立不同形式的數學模擬架構。并且礦山地質結構的空間形態和拓撲關系大多十分復雜，因此，在構建數學模擬架構的過程中，應符合以下幾點原則：一、數學模擬架構應儲存礦山地質形態的多種屬性信息；二、數學模擬架構必須能夠準確表達礦山地質結構中各形態要素間的拓撲關系；三、構建數學模擬架構能夠使專業人員更加方便地分析礦山地質結構，并編輯勘測數據。因此，要根據礦山的地質結構和數據源的不同，構建針對性的數學模擬架構。

2 礦山地質結構中的數學模擬架構的構建

在構建礦山地質結構的數學模擬架構過程中，應根據礦山地質勘測數據的特點，通過地層屬性數據建立具有空間幾何結構的地質數據模型。

2.1 數學模擬架構的基本組成

礦山地質數學模擬架構主要由以下幾方面構成：①地質屬性。主要表達的是礦山地層的巖性特點、地質時代變遷等等，這些地質要素都屬于數學模擬框架中的地質屬性。②點和節點。點指的是數學模擬框架中某個單一坐標點，節點指的是地層弧線上的某個端點，記錄相關的弧線變化數據。③線段。指的是數學模擬結構中連接點和節點之間的直線或曲線段，在地質學中也被稱為弧段，是構建地質面模型的重要要素，主要通過地質節點來表示弧段之間的拓撲關系，可分為斷層線、分界線以及地層輔助線等等。④三角面。由模擬架構上的三個點連接而成的三條線所圍成的面積，可以表示一定的地質點信息。⑤子面。子面又稱地質面，是地質塊體的基本構成單位之一，由三角面的列表組成。每個地質面都有自己的點集，不同地質面的拓撲關系由地質線來表達，地質邊界線的方向必須和三角面的相同。⑥塊體。又稱地質體，由子面組成，具有連續、閉合、有限等特性，在同一數學模擬架構中，可以有多個同種幾何塊體存在。⑦地質要素。簡單地質要素就是幾何塊體加上地質屬性，復雜要素是由多個簡單要素組合構成的。構建地質數學模擬架構要素的結構關系如下面的圖1所示：

圖1 數學模擬架構中地質要素結構示意圖

2.2 數學模擬架構的邏輯組織

礦山地質結構主要有線狀、面狀和塊體三種類型。其中線狀架構的要素包括線性構造和地質面交線；面狀架構的構成要素包括斷層、層理和節理[3]。架構數據也有不同的類型，包括剖面數據、鉆孔數據、等值線數據以及地質構造圖等。節點、線段、地質面、塊體以及地質屬性，共同構成了礦山地質數學模型架構的地質要素。在數學模擬架構中，他們被稱為地質點要素；地質線、邊界線和斷層線要素；剖面、地質面、斷層面要素；礦體和地質體要素等。不同的地質體構成了地層面，多個地層面最終組成了礦體地質模型。因此，地質數學模型是一種由多層要素共同構成的復雜組合，不僅包含地質屬性信息，也具有一定的空間幾何結構。

2.3 數學模擬架構的拓撲關系

拓撲關系指的是在數學模擬架構空間內，地質要素經過旋轉、伸縮等拓撲變換后保持不變的空間關系，是描述空間要素聯系的基本性質，也是拓撲變換中的不變量[4]。利用GIS平臺來構建數學模型架構，可以清楚看到各地質要素之間的拓撲關系，最主要的就是包含、相接和關聯三種拓撲關系。近些年來，隨著計算機技術的更新換代，GIS的拓撲管理功能也在日趨完善，通過記錄模型要素的拓撲信息，計算機能夠重建地質要素的拓撲關系，以提高計算效率。一般來說，礦山地質數學模型要素的拓撲關聯方式主要有點和弧段之間、弧段和面之間、塊體和塊體之間、塊體和要素之間以及要素和要素之間，當然，有時也會出現一對多或多對多的情況。

3 礦山地層數據的參數化表達

礦山地層的劃分是根據礦山的地質勘測、鉆井和地震資料等提供的數據，結合地相沉積環境和礦山巖性特征對地層的數學模擬架構進行綜合地質劃分[5]。根據礦山地層的劃分，可以用數學參數的方式表示地層要素，使數學模擬架構中的地質數據更加標準化。劃分的礦山標準地層包括地層的序號、巖性、顏色等，根據地層的層次關系，可以利用不同節點的具體數據，表示標準地層的整體層次結構，因此礦山地層的參數化也就是地層節點的標準數據參數化，具體示例如下面的表1所示。

在礦山地層的參數化表達過程中，鉆井、剖面或地層頂部、底部的節點數據一般可以作為標準化參數引用到地層節點信息當中。

對于簡單的層狀礦山地質結構來說,地層的層次關系一般都能遵循標準化地層的參數特征。但對于地質結構復雜的礦山地層而言，雖然地層參數信息符合參數標準，但可能會存在構造發育或基巖出露的現象，所以地層的上下結構和臨接關系并不完全符合標準地層要求。

4 結束語

構建礦山地質結構的數學模擬架構是一項十分繁雜的工作，對于地質屬性的描述只能近似，暫時無法做到完全還原事實。

本文由于篇幅的限制，對于礦山的空間形態分布以及礦體地質結構的拓撲關系的分析還不夠深入，對礦山地層數據的參數化表達方面的研究也不夠全面，相信隨著地質勘測手段和計算機技術的不斷進步，對礦山地質勘測的理論分析和實踐探索一定能得到更加長遠的發展。