某矿山三维地质模型的构建

2010-01-15许茂林周裕利

四川建筑 2010年6期

关键词：标高层面矿体

许茂林,王凯,周裕利

(重庆大学土木工程学院,重庆 400045)

某矿山三维地质模型的构建

许茂林,王凯,周裕利

(重庆大学土木工程学院,重庆 400045)

矿山三维地质模型的构建,是“数字地球”、“数字矿山”的核心组成部分,是现代矿山信息化研究的热点和重点。文章介绍和分析了目前比较流行的三维地质建模的方法,利用国际矿山软件Surpac建立了某矿山的地表、地层面、断层面、矿体、巷道的三维模型。在此基础上构建了矿山三维地质模型,它可用于辅助矿山的资源勘查、采矿设计、信息化管理等工作。

面模型; 体模型; 三维地质模型; Surpac

随着矿山开采规模不断扩大和深入,矿山开采和工程建设中涉及到的数据资料越来越多,如何对这些海量数据和资料进行综合分析,并以生动形象和易于理解的方式展现出来,是现代矿山信息化的发展趋势[1-3]。本文利用Surpac软件建立了某矿山的地形、地层面、断层面、矿体、巷道的三维模型。在此基础上构建了矿山的整体三维地质模型,它可用于辅助矿山的资源勘查、采矿设计、信息化管理等工作。

1 矿区工程地质概况

矿区地形为低山丘陵,地势东高西低,东部为山地,最高峰海拔标高为 284m,山型一般较缓,局部陡峭,山脉走向北东,中部为山间平原,地势平坦,为第四纪冲积土,标高 10m左右,西部为丘陵山地,标高 30～80m。矿区出露地层自志留系至侏罗系,可分为上下两个构造层。下构造层位志留系至三叠系的海相碳酸盐及碎屑沉积岩、陆相碎屑沉积岩和海陆交互相沉积。上构造层为侏罗系陆相碎屑沉积。

2 三维地质建模的方法

三维地质建模既要能够建立研究范围内所有地质对象的真三维模型,还要能描述地质对象的各种特征。根据三维地质实体的表示方法不同,三维地质模型可以分为基于表面的模型和基于体元的模型。因此,建模的方法有基于表面的建模法和基于体元的建模法[4]。这两种方法具体分类见表 1[5]。

表面建模首先需要确定地质结构面,建立层面模型。对于复杂构造的地质模型,首先需要确定断层面,利用已有的勘探资料,拟合各个层位或断层曲面,再利用曲面求交和人为限定的方法,确定各个层位或断层面的有效控制范围,利用三角剖分技术将层位或断层面离散化成三角网,建立三维层面模型[4]。

体元建模首先也需要确定地质层面和断层,然后在各个层面之间剖分体元构造体元模型。当然体元建模的层面模型可以来自于前面表面建模的层面模型,或者直接利用表面建模中得到的边界表示模型,将边界表示模型剖分成体元,以此来构造体元模型[4]。

3 三维地质模型的构建

3.1 地表模型

建立地表模型是为了直观、清楚地三维表达矿区地表与矿体等其它空间体的三维位置关系。其具体步骤如下[6-8]: (1)提取出等高线及相应的标高值,保存为新文件;(2)将等高线按其标高置于不同的图层中,图层名为图层中等高线的标高值,比如 1 600表示该图层中等高线标高为 1 600;(3)将所有图层按标高值进行拔高,形成三维等高线,保存为.dxf格式文件;(4)在Surpac系统中将.dxf格式文件转换成软件支持的.str格式线文件,清理线文件中的重复点、跨接和聚结点,还可以按标高对线串进行统一编号。再利用线文件生成DTM,完成地表模型的构建。建立的地表模型如图 1所示。

3.2 地层面模型

地层面模型构建的目的是为了直观清楚的表达矿区地层与矿体的空间位置关系,可以清楚地看出矿体主要的集中层位。把矿区勘探线剖面图做为原始资料加以处理[6-8]: (1)将勘探线剖面图在CAD中矢量化(只抽取地层线即可),以.dxf格式保存文件;(2)在Surpac中导入上一步生成的. dxf文件,并转化为软件所支持的.str文件;(3)进行坐标转换,将.str线文件的坐标转换为真实的三维空间坐标;(4)清除线文件中的重复点、跨接和聚接点;(5)利用“段间连接三角网”完成地层面模型的构建。所建地层面模型如图 2。

图1 地表模型

图2 地层面模型

3.3 断层面模型

准确建立矿床的断层面模型无论对于分析矿床成因还是更清楚地掌握断层与矿体的位置关系及断层对矿体开采的影响都非常重要。根据勘探线剖面图,首先绘制出每一断层在各勘探线剖面图上所揭露的轨迹,形成线文件(.str),然后在将这些线连接而成断层面模型(.dtm),如图3所示,即为某矿山三个主要断层的断层面模型。

3.4 矿体模型

构建矿体模型能准确掌握矿体的几何空间形态与位置。矿体建模的方法通常有 3种[6-8]:(1)剖面线法——首先将矿体各勘探线的剖面线,放入到三维空间;相邻勘探线之间按照矿体的趋势,连三角网;在矿体的两端,封闭起来就形成了矿体的实体;(2)合并法——此方法一般用于水平或扁平矿体中。首先将矿体的上下表面做成面模型,再获取上下面的边界,两个边界之间连三角网,再将这三个文件合并,就形成了矿体的实体;(3)相连段法——利用一系列矿体的轮廓线、辅助线,不一定是勘探线或边界线,在线之间连三角网,能应用于各种复杂情况下,创建各种复杂的实体。本研究利用相连段法建立了如图4所示的矿体模型。

图3 断层面模型

图4 矿体三维模型

3.5 巷道模型

为直观反映矿体、地表、井筒与巷道间的空间位置关系及为巷道设计提供依据,需建立矿山巷道三维模型,如图 5所示。

3.6 矿山三维地质模型

在Surpac软件里,对地表模型、地层面模型、断层面模型、矿体模型、巷道模型的基本参数与属性进行定义并建立约束,形成块模型,通过对块模型的赋值形成矿山三维地质模型,如图 6所示。

图 5 中段巷道、井筒、地表与矿体三维模型

4 结论

随着现代勘探技术的进步,矿区信息化水平的提高,使得矿区三维地质建模成为地学信息研究的热点。由于地质体本身是一个非均质、各向异性的不连续三维实体,工程揭露地质信息有限,三维地质建模是一项非常复杂的工程。本文在研究实践Surpac软件系统的基础上,探讨了地表模型、地层模型、断层模型、矿体模型、巷道模型的建立方法,在此基础上完成了矿山三维地质模型的构建。它可用于辅助矿山的资源勘查、采矿设计、信息化管理等工作。