复杂矿区三维地质可视化及数值模型构建

王玉山

（内蒙古赤峰地质矿产勘查开发院，内蒙古 赤峰 024005）

当遇到模拟复杂地质体的工具较为缺乏时，用户在对复杂地质体进行构建的过程中，就必须对其进行大量的简化，否者就会出现计算机所设计出来的模型不符合地质体的实际情况。使计算结果的准确性也不可避免地受到了很大的影响。如今在国外，新型的可视化软件以及三维见建模的相关技术与产品正在不断的被开发出来，这些产品与技术在石油以及煤矿的开采等领域得到了广泛的应用。在我国，三维地质可视化技术虽然发展不到二十年，但也发展得十分迅速，已经开发了多种软件，一些常见的有北京理正研究院研究的三维地质建模软件等。这些软件在对地质体进行模拟的过程中，具有一定的优越性。它可以对复杂地质体在三维建模过程中出现的疑难问题进行有效的解决，并且在水利、采矿、地质等岩土领域广泛应用，给很多工程的施工带来了极大的便利。

1 Surpac复杂地质体的三维模型

关于 Surpac 复杂地质体的三维模型有两种不同的方式，分别是线框模型和块体模型。所谓的线框模型就是指实体表面形态的表现方法，线框模型不仅可以用来对岩层层位面、地形等封闭相对较弱的实体进行表现，而且它还可以对不同的岩性区域以及矿体等封闭较好的实体进行表现。一般情况下，线框模型都是采用不规则三角网（TIN）来对地质实体的表面形态来进行表现的（模拟情况与实际情况无限接近），生成的TIN 的方法通常是利用Delaunay 三角形连法来完成的，这种连接的原理就是：通过随机分布的数据点连接成三角形，同时每一个三角形的外接圆未覆盖除构成该三角形3个顶点之外的其他任意点，具体参照图1.

图1 Delaunay 三角形连法

块体模型则是利用八叉树状的结构来对三维地质体的模拟空间分布进行表现的，其表现的基本思想就是在模拟的几何空间中，将地质体的实际分布按照相应的尺寸将其划分为多个单元快，最后再对这些单元快进行赋值。在模型的选择方面要慎重。我们可以根据线框模型的特点，将岩体的空间边界、几何形态、空间结构完整地描述，并对节理、断层、空区、矿体、岩层、地表三维结构等进行准确地表达。块体模型基于线框模型，对其内部应用规则六面体进行解剖，要能够做到逐层分级，对模型边界的相关问题进行完善，在对模型进行剖分时，各个单元的类型只能是六面体，且它们之间的大小也必须是倍数关系，这就导致了网格不能进行单元渐变，使得线框模型与块体模型之间的边界不能完全重合，这就在一定程度上降低了模型的精度。由此可见，两种模型相比，线框模型的效果相对好一点，GTS 复杂地质体模型如果有效利用Surpac 三维复杂地质线框模型，这样做不仅能在软件进行数据处理前就将其操作方法进行简化，而且还能在一定程度上提高该模型的精确度。

2 MIDAS／GTS复杂地质体的数值模型

过去的数值计算模型很难正确表现出线框模型的实际形态，一般都被简化为了规则平面来代替，这样的处理方法会造成线框模型与地质体实际形态不相符。

2.1 表面模型的构建

一般用来虚拟地形和表面的就是表面模型，它都包含了很多离散的、空间分布不匀的散点，将这些散点进行联接，就可以组成一个三角网。在Surpac 中建立的地表、岩层和断层模型都属于表面模型。一般表面模型都是由许多等密线连接点间三角网组成，线的密集程度可以直接反映出表面模型的精确度，例如在地表模型的建立时，等高线的间距越小，所建的模型就越精确，而同时所占用的计算机内存也相对很大。为了成功将表面模型无缝转换为GTS 数值模型，可以通过研究Surpac 与GTS对表面模型的各自表达特点，现在就用地表模型作为例子，说明几种方法：1.在GTS 强地形生成器的帮助下，直接读取三维DXF 线文件，锁定建模范围以及精度，从而生成不规则的复杂地表模型；2.对TGM 建立的地表模型直接读取，用坐标平移或者转换等形式生成GTS 地表模型，如图2 所示。

图2 GTS 三维地表模型

2.2 实体模型的构建

由于表面模型一般仅能够表现开放物体的外部信息，而对于封闭物体全部形态的表现，就需要运用实体模型，例如矿体、采空区和巷道模型等。实体模型的建立相对表面模型显得更加复杂。以采空区为例，实体模型无缝转换为 GTS数值模型的方式有以下几种：1.对采空区数据后的处理进行实测，并在Surpac 中建立实测的采空区实体模型，如图3所示；2.对剖面线进行编辑，输出后成为三维DXF 线文件；3.通过GTS 接口程序读取三维DXF 线文件，并将坐标平移或转换，最终使得采空区模型的实测在软件中再现。

图3 Snrpac 线框模塑

3 结束语

由于复杂地质体的三维数值模拟是一种十分复杂，并有不少影响因素的技术，所以我们应基于线框模型和块体模型的对比，将第一次提出的Surpac 线框模型在复杂矿区地质体三维模型的建立加以利用，就能将无缝转化为GTS 数值计算模型，这样可以使数值模拟软件前处理得到简化，模拟计算精度也大为提高。还有，要注意表面模型和实体模型的特点各不相同，应充分研究怎样将其分别转化为数值计算模型的方法，再将Surpac 和GTS 各自的优点相结合，就能为采矿、水利等岩土工程领域的数值模拟分析方法带来极大的便利，创造更多的利益空间。

[1]刘晓明,罗周全,杨彪等.复杂矿区三维地质可视化及数值模型构建[J].岩土力学,2010,31（12）：4006-4010,4015.