基于钻孔数据的矿区地质模型构建

2016-09-18李春生李兰勇邓连利

西部探矿工程 2016年7期

李春生，李兰勇，邓连利

（1.内蒙古煤田地质局109勘探队，内蒙古呼伦贝尔021008；2.辽宁工程技术大学，辽宁阜新123000；3.呼伦贝尔市大雁勘测规划设计有限责任公司，内蒙古呼伦贝尔021122）

基于钻孔数据的矿区地质模型构建

李春生*1，李兰勇2，邓连利3

以某露天矿区为研究对象，ArcGIS软件为开发平台，建立矿区钻孔数据库，采用基于层面的约束不规则三角网（TIN）建立露天矿地质模型，并进行数据质量检查，实现了地质模型的三维显示、煤层储量计算、地质层面模型属性查询、剖面图绘制等功能，利用采场数字高程模型和矿区地质模型进行采剥离分类计算，为露天矿开采计划编制奠定了基础。

矿区地质模型；TIN；ArcGIS

矿区地质模型是矿区基础地理信息系统的核心，以ArcGIS软件为开发平台，采用地质钻孔数据，建立矿区钻孔数据库，并在此基础上采用基于层面的约束不规则三角网（TIN）建立露天矿地质模型，实现了地质模型的三维显示、煤层储量计算、地质层面模型属性查询、剖面图绘制等，利用采场数字高程模型和矿区地质模型进行采剥离分类计算。

1　钻孔数据预处理与入库

1.1钻孔数据预处理

对矿区钻孔测量成果和钻孔煤层综合成果数据进行分析，将钻孔数据按照煤层编号进行分层整理，提取满足建立矿区地质模型所包含勘探线号、钻孔号、X坐标、Y坐标、顶板标高、底板标高、采用厚度、夹矸厚度和岩层厚度等信息，并以Excel文件格式存储，建立基础钻孔数据。

1.2钻孔数据入库

基于ArcGIS软件的Shape文件格式，设计钻孔数据库的数据结构，采用ArcObjects编程的方式，将Excel文件存储的基础钻孔数据转入到Shape文件格式的地理数据库。见表1。

表1　钻孔数据库的数据结构

2　数据质检

从原始地质数据到地质模型，要经过一系列的数据处理，在这一过程中原始数据中的误差会被传播和放大。减少数据采集时的误差引入是保证地质模型精度的根本。

数据检查包括数据结构检查、数据极值粗差检查、数据逻辑关系检查。数据结构检查就是对建立的数据文件结构进行检查，以便核对数据结构错误并进行修改；数据极值检查就是对建立的数据文件的有关项目的极大值、极小值进行检查，以保证数据不会发生大的偏差；数据逻辑关系检查就是保证上下煤层之间不交叉、同一煤层顶板标高大于底板标高、煤岩结构与煤芯煤样分析结果一致等。

本文采用的粗差检测算法是三维可视化粗差检测技术与基于点方式的不规则DEM粗差检测算法相结合的方法。

（1）三维可视化粗差检测技术（图1）。三维表面可视化粗差检测的前提是要建立数字地面模型DTM，为了保证所有分析都是基于原始数据的，可选的办法是直接利用原始数据建立不规则三角形网络模型TIN，通过人机交互式检测修正含有粗差的高程异常点。

图1　三维可视化粗差检测

（2）基于点方式的不规则DEM粗差检测算法。此算法的过程大致如下：对待检测点P，首先定义一个以P为中心的特定大小的窗口，然后计算窗口范围内所有点的一个“代表值”。这个值可被当作P点的近似值或“真值”。通过比较P点的高程值与上述统计值可获得高程差值。如果高差大于另一计算出来的阈值，则认为P点含有粗差。

3　三维建模与展示

充分考虑到露天矿煤矿层状矿床的的赋存特征和矿区的实际情况，本文采用基于层面的数据结构来构造矿床地质模型。把矿区地质模型看成是由地面、土岩界面、岩层界面、煤岩界面等若干具有界面的组合，每个界面可以通过勘探钻孔数据以及一些虚拟钻孔数据，利用不规则三角形网构网技术来形成界面模型，同时采用同样的技术还可以把不同层面的岩性、煤质进行建模，最后把所有的界面模型统一进行格网化，建立整个矿床的各个界面的格网模型，在此基础上，即可实现地质模型的三维可视化和各种矿量的精确计算。

以断层线为约束条件的TIN模型建立（图2）。由于断层的形状和空间分布很复杂，既存在无推演关系的正断层，也存在有推演关系的逆断层，如何使用TIN来反映地质体的真实赋存形状，是问题的关键。

图2　基于钻孔数据的TIN建立流程图

（1）单一正断层。对于单一正断层，其上盘相对于下盘沿着断裂面向下移动，通过等高线图可以看到两者的位置并没有发生变化，将断层数据嵌入后形成的三角网完全可以表示其模型，因此不需要进行断层影响区域的局部构TIN和其他处理。

（2）单一逆断层。对于单一逆断层，因为逆断层的上盘沿断裂面相对于下盘向上移动，上盘上升，上下盘相对错动，这样，在等高线图上可以看到上下盘的位置与实际位置相比发生交换，将断层数据嵌入TIN模型后所形成的三角网并不能完全表示其形态，为了解决这一问题，需要在断层的影响区域内，分别以上下盘数据和其在空间实际相连接的点数据重新分区，然后局部构TIN。

4　三维分析与应用

4.1三维空间分析

三维空间分析主要实现煤层储量计算、地质层面模型属性查询和剖面图绘制。

（1）煤层储量计算。储量计算的方法有很多种，本文采用多角形法计算煤层的储量。多角形法原理：计算出每一个见煤点所控制的块内的煤储量。每一个勘查区内有多个见煤点，把相邻的最近见煤点连起来取其垂直平分线的交点，形成以见煤点为中心的多角形（泰森多边形），多角形的面积乘以见煤点的采用厚度和容重，即可得到见煤点所控制的面积内煤层的储量，将用户圈定范围的所有见煤点的所有多角形的储量求和运算得到煤层的总储量，该方法的优点是算法简单、运算速度快，同时可以计算岩层储量和夹矸储量以及煤层的其他指标等等。利用此方法对全矿的各煤层可时时进行储量计算（图3）。

（2）地质层面模型属性查询。查询地表模型属性、任意煤层层面模型的任意点属性信息（X、Y坐标，煤层编号，煤层顶、底板标高，煤层厚度、岩层厚度、夹矸厚度等）。