基于3DMine的老屋基礦地質(zhì)模型構(gòu)建與應(yīng)用

劉發(fā)勇 田祥貴 何 林

（貴州盤江煤電集團(tuán)技術(shù)研究院有限公司，貴州 貴陽 550081）

老屋基礦是三線建設(shè)時(shí)期的礦井，礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境資料通常是用平面圖、鉆孔柱狀圖、剖面圖、巖性煤層編錄表等來反映，對(duì)生產(chǎn)技術(shù)人員的專業(yè)知識(shí)要求較高，不能實(shí)現(xiàn)直觀地展示礦區(qū)生產(chǎn)現(xiàn)狀，更不能滿足現(xiàn)在數(shù)字化礦山、信息化礦山、智能化礦山的需求。

3DMine礦業(yè)軟件已在礦山測(cè)量、露天深孔臺(tái)階爆破、資源儲(chǔ)量估算、露天礦境界優(yōu)化、三維地質(zhì)建模等方面取得較好的應(yīng)用[1-6]。本文以三線建設(shè)時(shí)期礦井老屋基礦為研究區(qū)，通過對(duì)鉆孔數(shù)據(jù)處理、三維地質(zhì)建模、巷道建模等，實(shí)現(xiàn)老礦區(qū)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的數(shù)字化、可視化應(yīng)用，以期助力提升礦井生產(chǎn)安全，逐步實(shí)現(xiàn)數(shù)字礦山應(yīng)用，并為智能礦山、智慧礦山奠定基礎(chǔ)。

1 老屋基礦概況

礦區(qū)地處云貴高原東側(cè)斜坡地帶，盤關(guān)向斜北西翼北段，由于受北盤江及支流的強(qiáng)烈切割，地勢(shì)起伏變化較大，整體地形地貌屬高原山地類型。礦區(qū)面積16.614 5 km2，開采深度+1100～+1800 m標(biāo)高。出露的地層由老至新有：二疊系中統(tǒng)茅口組（P2m）、上統(tǒng)峨眉山玄武巖（P3β）及上統(tǒng)龍?zhí)督M（P3l）、三疊系下統(tǒng)飛仙關(guān)組（T1f）、下統(tǒng)永寧鎮(zhèn)組（T1yn）及第四系（Q）。礦區(qū)含煤地層龍?zhí)督M（P3l），按地層巖性特征分為上中下三段。上段（P3l3）：龍?zhí)督M頂部～12號(hào)煤層頂板，含可采煤層3層（3、4、10號(hào)煤層），可采煤層平均厚度分別為1.18 m、1.18 m、1.34 m；中段（P3l2）：12號(hào)煤層頂板～22號(hào)煤層頂板，含可采煤層7層（12、14、15、16、17、18、20號(hào)煤層），可采煤層平均厚度分別為3.19 m、1.54 m、1.70 m、1.37 m、1.45 m、2.07 m、1.52 m；下段（P3l1）：22號(hào)煤層頂板～龍?zhí)督M底部，含可采煤層2層，即22、24號(hào)煤層，可采煤層平均厚度分別為1.34 m、1.43 m。

2 數(shù)據(jù)處理

2.1 鉆孔數(shù)據(jù)

地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù)是礦山信息化中三維地質(zhì)建模的基礎(chǔ)和前提，也是礦山進(jìn)行開采設(shè)計(jì)和資源評(píng)估及儲(chǔ)量計(jì)算的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，礦山三維地質(zhì)建模工作中最重要的環(huán)節(jié)就是對(duì)鉆井時(shí)獲得的鉆孔數(shù)據(jù)信息的采集及分析處理[7]。由于礦區(qū)生產(chǎn)歷史長(zhǎng)遠(yuǎn)，部分資料缺乏有效管理，許多鉆孔數(shù)據(jù)是50—60年代的工程圖紙數(shù)據(jù)，因此在3DMine軟件中建立鉆孔數(shù)據(jù)庫之前，需要對(duì)礦區(qū)鉆孔數(shù)據(jù)及圖紙進(jìn)行數(shù)字化。鉆孔數(shù)據(jù)庫包括定位表、測(cè)斜表、巖性表、品位表四個(gè)基本表格。定位表記錄鉆孔在三維空間中的位置，測(cè)斜表記錄鉆孔下鉆過程中的傾角、方位角、測(cè)斜深度等數(shù)據(jù)，巖性表用于存儲(chǔ)地層巖性、描述等信息，品位表存儲(chǔ)鉆孔樣品的分析結(jié)果。

2.2 巷道測(cè)量數(shù)據(jù)

在礦井生產(chǎn)掘進(jìn)過程中，大部分測(cè)量工作是在井下進(jìn)行的，由于井下測(cè)量工作的條件限制，地面上的許多先進(jìn)快捷的測(cè)量?jī)x器還不能用來進(jìn)行井下測(cè)量。全站儀、水準(zhǔn)儀進(jìn)行導(dǎo)線法測(cè)量巷道是現(xiàn)今礦山井下測(cè)量主要方法，通常在巷道掘進(jìn)的過程中對(duì)巷道轉(zhuǎn)折點(diǎn)、巷道交叉點(diǎn)、巷道高程變化點(diǎn)等位置進(jìn)行中心線測(cè)量，通過導(dǎo)線角度、邊長(zhǎng)及高程的測(cè)量來完成巷道待測(cè)點(diǎn)的測(cè)量及導(dǎo)線網(wǎng)的布設(shè)。巷道高程及平面坐標(biāo)的測(cè)量通常采用一井定向傳遞，從巷道主井進(jìn)行測(cè)量導(dǎo)線的傳遞，從而與地面建筑建立統(tǒng)一的坐標(biāo)控制網(wǎng)。在3DMine軟件中通過井下巷道測(cè)量數(shù)據(jù)的編輯，得到巷道中心線的三維數(shù)據(jù)。鉆孔數(shù)據(jù)與巷道測(cè)量數(shù)據(jù)疊加效果圖如圖1。

圖1 鉆孔數(shù)據(jù)與巷道測(cè)量數(shù)據(jù)疊加效果圖

3 模型構(gòu)建

3.1 地表模型構(gòu)建

地表模型的精度受地形圖精度的影響，以往的地表模型構(gòu)建主要是通過礦區(qū)地形圖提取等高線來構(gòu)建，3DMine軟件可根據(jù)等高線文件構(gòu)建DTM表面，快速生成礦區(qū)地表模型，但礦區(qū)地形圖資料時(shí)效性差且無DLG數(shù)據(jù)。因此本次采用無人機(jī)低空航測(cè)法進(jìn)行像片數(shù)據(jù)采集，并通過地面像控點(diǎn)進(jìn)行空三加密解算，并生成點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過CloudCompare軟件對(duì)房屋、橋梁、樹木等非地表點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)云濾波處理，得到地面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過3DMine導(dǎo)入地面點(diǎn)并生成不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）構(gòu)建地表表面模型，進(jìn)行渲染和顯示等效果處理。老屋基礦地表模型效果圖如圖2。

圖2 老屋基礦地表模型效果圖

3.2 地質(zhì)模型構(gòu)建

三維地質(zhì)模型的構(gòu)建是煤礦數(shù)字化、信息化的又一重要基礎(chǔ)，只有實(shí)現(xiàn)了三維地質(zhì)模型的可視化，才能提升煤礦數(shù)字化的應(yīng)用水平。三維地質(zhì)建模包括地層巖體三維模型、礦體三維模型、斷層三維模型、地層頂?shù)装鍎澐峙c構(gòu)建等。在3DMine軟件中，通過連接鉆孔數(shù)據(jù)庫采用全地層自動(dòng)建模功能，格網(wǎng)間距設(shè)定為50，鉆孔之間的加密插值方法選用曲面擬合插值法，其插值原理是通過零散的鉆孔數(shù)據(jù)采用函數(shù)公式進(jìn)行插值擬合，從而得到連續(xù)的曲面構(gòu)建地層模型[8-10]。三維地質(zhì)模型效果圖如圖3。

圖3 三維地質(zhì)模型效果圖

3.3 巷道模型構(gòu)建

巷道模型構(gòu)建的關(guān)鍵在于巷道交叉口的處理，3DMine軟件對(duì)于巷道交叉口的處理實(shí)現(xiàn)了連續(xù)性，通常巷道的屬性包括巷道的長(zhǎng)、寬、高以及拱頂高四個(gè)參數(shù)，其高度和寬度一般在一定范圍內(nèi)是固定的，巷道長(zhǎng)度隨挖掘工作的推進(jìn)而增加。井下巷道測(cè)量得到的是一系列包含XYZ空間坐標(biāo)值的點(diǎn)，通過對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)的連接即可得到巷道中心線數(shù)據(jù)，以巷道中線作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，通過巷道寬度、高度及拱高即可實(shí)現(xiàn)巷道的三維建模。3DMine軟件提供了多種巷道建模的方法，包括手工繪制、中線生成、腰線建模等，本次基于巷道測(cè)量數(shù)據(jù)的巷道中心線文件，選用中線生成方法，巷道模型選用三心拱，首未兩端不封閉建模，從而得到整個(gè)礦區(qū)的巷道三維模型。巷道模型整體與局部模型效果圖如圖4。

圖4 巷道模型整體與局部模型效果圖

4 剖面分析與應(yīng)用

地質(zhì)剖面是煤礦開采設(shè)計(jì)的重要支持?jǐn)?shù)據(jù)，傳統(tǒng)的地質(zhì)勘探線剖面分析只能針對(duì)固定的視角、固定的位置進(jìn)行分析，通過3DMine軟件可建立動(dòng)態(tài)剖面管理，實(shí)現(xiàn)剖面沿X、Y、Z三軸的可視化動(dòng)態(tài)剖面瀏覽，查看煤層、巷道、工作面等的相互關(guān)系，并可制作任意的角度剖面成果，進(jìn)而為煤礦開采工作面的設(shè)計(jì)及實(shí)際生產(chǎn)掘進(jìn)工作的開展提供參考依據(jù)，實(shí)現(xiàn)煤礦開采生命周期的三維數(shù)字化展示。三維地質(zhì)模型剖面分析效果圖如圖5。

圖5 三維地質(zhì)模型剖面分析效果圖

5 結(jié)語

本次利用3DMine軟件進(jìn)行老屋基礦的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)數(shù)字化處理，實(shí)現(xiàn)了三維地表建模、三維地層建模、巷道建模等，可直觀展示出礦區(qū)三維地層、巷道、工作面等分布情況，為老屋基礦的數(shù)字化、信息化轉(zhuǎn)型提供了數(shù)據(jù)支持。通過對(duì)三維地質(zhì)模型的剖面分析應(yīng)用，可為礦山的設(shè)計(jì)生產(chǎn)、掘進(jìn)、開采等工作提供重要依據(jù)，奠定了信息化、可視化生產(chǎn)的基礎(chǔ)。但礦山三維可視化應(yīng)用是各大系統(tǒng)的集成，未來在基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的智能控制還需更深入地研究與應(yīng)用，才能真正實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型。