一种约束实测水平巷道提高矿山地质体三维自动建模精度的算法
2019-08-16张小伟
张小伟
(山西省煤炭地质勘查研究院，太原 030006)
0 引言
随着数字地质、地理信息、三维建模与可视化技术的发展，三维地质建模(3D Geoscience Modeling)技术广泛地应用到地学领域中，并且成为国内外热点研究方向之一[1-4]。
国内外学者对三维地质建模提出了多种建模方法：贺怀建等提出基于“多层DEM”概念的三维地层骨架构模方法[5]；张煜等采用基于三棱柱或四面体体元的三维地层建模方法[6]；王勇等提出基于地质剖面数据的三维矢量数据生成算法[7]；朱良峰等采用基于钻孔数据的三维地层模型的构建[8]；刘修国等提出基于线框架模型的三维复杂地质体建模方法[9]；王润怀等引入虚拟钻孔进行复杂地质体三维建模[10-11]。本文采用钻孔数据构建三维地层模型。
巷道三维模型是矿山三维虚拟场景重要组成部分,是构建数字矿山的基础[12]。国内外学者关于巷道三维建模方面的研究集中在建立巷道模型的方法上。构建巷道三维模型目前主要有以下两种方法:一是基于巷道中心线和断面的巷道三维建模，二是基于巷道顶底板表面模型的巷道三维建模[13]。龚建雅[14]、马荣华[15]、谭正华[16]等学者在巷道建模方面做了深入研究。本文采用巷道中心线和断面来建立水平巷道模型。
煤矿生产数据具有动态变化的特性。随着煤矿开采工作的不断推进,地质信息不断被揭露,地测数据不断增多与更新,煤矿三维地质模型必须有一个由灰色变白色[17]的动态修正过程，使其对地下生产对象的表达越来越精确。
巷道是采掘工程的主体，巷道测量信息能够较好地反映出巷道内地质体的空间展布形态。
对矿山模型来说，更贴近客观的地质体与实际巷道的叠合对矿山管理和生产具有很大的意义。充分地利用巷道地质信息，将其有效地与钻探工程揭露的地层信息进行综合，可以更为全面地利用有限的地质构造、地质形态相关信息，进而可以进一步提高矿山地质结构体模型建模精度。目前，大多数矿山地质结构体建模方法和矿山巷道建模各自采用一套建模流程执行，进而导致建立的两种模型显示到同一个三维场景时，就可能会出现巷道与地层走向不符合甚至矛盾的情况。由国家安全监管总局、国家煤矿安监局制定的矿井地质工作规范中要求对井筒、石门、穿层巷道揭露的层位信息进行地质编录，对沿顺层巷道按一定间距观测记录层位信息并绘制剖面素描图，因此，矿井地质工作中积累了大量的详实的地层与煤层的层位信息。本文提出一种利用实测水平巷道数据对地质体建模进行约束和更新的方法，进而可以构建更为精细准确的三维地质结构体模型,实现三维地质体自动建模结构可以更加真实的反映矿山地质形态，进而提高矿山三维模型实用性。
1 算法流程及实现
1.1 算法流程
地质体建模不同于其他可量测实体建模，地质体内部看不见，摸不着，了解地质体数据是从钻孔开始，随着矿山开采，巷道信息也逐渐丰富起来。本文基于矿山地质最真实的两个数据：钻孔数据和巷道数据。利用生产活动中的水平巷道数据对实际钻孔建立的剖面数据进行约束和更新，将更新后的剖面数据和建立的虚拟剖面一起建立三维地质体，使建立的地质体模型更贴近客观实际，实现从钻孔到剖面再到地质体、从一维到二维再到三维的模型构建。
图1 矿山三维地质体建模流程Figure 1 Mine 3D geological body modeling procedure
1.2 建立剖面与巷道三维信息
钻孔是揭露地层信息最客观的数据，是地质体建模最基本、最重要的数据。收集矿区地质资料中的钻孔数据，对钻孔数据进行整理，确定钻孔基本信息(包括钻孔名称、三维坐标、终孔深度)、钻孔岩心鉴定信息(包括层厚、累计深度、煤岩标志层名称、岩石基本名称)、钻孔煤层结构信息(包括煤层号、岩性、终止深度、厚度)，进一步确定钻孔分层信息，并对钻孔分层信息进行地层排序。选取地质资料中过两个以上钻孔的勘查线构建二维剖面，利用勘查线经过的钻孔数据信息绘制二维地质剖面图。剖面图的绘制由地质专业技术人员完成，钻孔与钻孔之间的地层划分及走向靠经验推断，地层连接走向不唯一。具体绘制步骤大致如下。
(1)将通过同一条勘查线的钻孔分层、层序、层厚按坐标依次标示出来，钻孔分层信息依从新到老顺序排序，标示出各层分界点。
(2)依据地形地质图反应的构造控制地层形态。比如有断层或向背斜出现，则在地层连接时，要考虑到断层或者向背斜的影响，各地层均根据构造形态来调整形态。依据地形地质图将地表形态勾画出来，并将构造形态标示出来。
(3)连接各钻孔层序相同的煤、岩标志层，并根据构造控制形态。
(4)从煤、岩标志层向上下分别绘制其他岩层。将相邻钻孔中层序相同的地层点连接成地层线。如果相邻钻孔找不到某一层，则在有该层的钻孔开始，从分界点向相邻钻孔方向，参照构造形态，按一定比例外推尖灭点，连接该层分界点与尖灭点。
矿山巷道工程验收数据多以实测导线成果的形式存在，这些数据由巷道定位数据与测点数据组成。与其他基于设计数据的建模方法相比，基于实测导线数的地下巷道系统建模更具有准确性、通用性[16]。收集地质资料中的水平巷道位置信息、巷道揭露地层信息。巷道位置信息包括测点位置、测点到左右帮距离、巷道高度。巷道数据处理步骤为以下三步。
(1)根据测点位置和测点到左右帮距离，连接中心线上的点，得到巷道中心线，连接帮线上的点，得到帮线。
(2)平滑交叉处帮线、中心线，加载巷道断面，并对断面轮廓进行连线框处理。
(3)统一坐标系，使巷道数据与剖面数据可以套合。
剖面图及巷道完成以后，对剖面图中所有地层线及巷道中心线离散采样，结合钻孔数据所得的剖面空间位置信息，将采样点转换为具有三维空间位置信息的控制点，并将控制点作为特征约束点拟合到三角网中。
1.3 巷道数据约束和更新剖面数据
1.3.1 处理思路
将剖面数据与巷道数据进行叠加，并用已有剖面在剖面与巷道的交点处，将巷道裁剪为若干段，每一段相对独立。形成若干由至少两条剖面、一条巷道构成的空间单元。如图2(a)所示，钻孔ZK1、ZK2所在的剖面与钻孔ZK3、ZK4所在的剖面与巷道HD相交，判断剖面上交点的地层和巷道交点处揭露的地层是否一致，如果一致，则通过交点，沿钻孔方向建立虚拟钻孔XNZK1、XNZK2。如果交点上剖面的地层和巷道揭露的地层不一致，则根据巷道地层对交点所处地层剖面数据进行更新，再依据更新后的地层对其他地层按照地层层序进行更新，剖面数据更新完成后，通过交点沿钻孔方向建立虚拟钻孔XNZK1、XNZK2。虚拟钻孔建立以后，过相邻的两个虚拟钻孔绘制虚拟剖面XNPM，以巷道走向为煤岩标志层走向，用巷道形态约束其他煤岩层形态，按照2.1剖面绘制步骤绘制虚拟剖面，并将不采用巷道形态约束煤岩层的剖面线用参考线CKX画出，如图2(b)所示，巷道形态对两个虚拟钻孔间的剖面形态也进行了约束，将建立好的虚拟剖面与经过更新的实际钻孔剖面一起建立三维地质体，将会使地质体更接近客观形态。
(a) (b)图2 巷道与剖面相交运算示意图Figure 2 A schematic diagram of roadway and section intersection arithmetic
在实际钻孔基础上建立的矿山地质体模型初步拟合了客观地质体，随着矿山开采活动的进行，很多有价值的数据积累起来，使更新地质体模型有了数据基础。本文引入实测巷道数据，巷道一般沿着煤层，巷道走向相当于煤层走向，通过巷道数据与已知钻孔剖面数据叠加运算，用巷道揭露地层信息更新已有剖面数据，然后利用相交点获得相应剖面上的虚拟钻孔完整分层，并在交点处建立虚拟钻孔，用虚拟钻孔数据和巷道数据，建立虚拟剖面，让虚拟剖面加入到地质体建模中。
1.3.2 算法方法
构建虚拟剖面的算法如下：
Sect createDummySectByLine(vector
{
Point pt;
vector
for (int i = 0; i < sects.size(); ++i)
{
/// 计算巷道与剖面的交点
if (!calcCrossPoint(sects[i], line, pt)) continue;
/// 查找巷道与剖面交点处对应的巷道分层存储数组对应序号值
int index = findNearLayer(lyrs, pt);
/// 将分层更新至剖面
updateLayerToSect(sects[i], lyrs[index]);
/// 将分层添加到虚拟钻孔
addLayerToHole(dummyholes[i], lyrs[index]);
/// 在交点处创建虚拟钻孔
dummyholes[i] = createDummyHoleByPoint(sects[i], pt);
}
/// 按照剖面线对虚拟钻孔进行排序
sortHole(dummyholes, line);
/// 构建剖面
return buildSectByHoles(dummyholes);
}
1.4 地质体更新建模
巷道建模采用交岔口处单独建模，连线框后进行布尔运算，生成巷道三维连通模型[16]。虚拟剖面建立以后，将虚拟剖面中的地层线进行离散采样，将采样点转换为具有三维信息的控制点拟合到三角网中。层状地质体在空间分布形态上要相对简单，适合采用基于强约束条件的三角网模型[18]来构建其表面模型。本文将更新后的剖面数据及虚拟剖面数据，通过少量的采样点做控制点网格空间差值，内插后获得一个光滑的地层曲面。本文采用B样条[19]算法进行差值，该算法内插结果能保留控制点的值，构建的曲面模型利用最小二乘法原理保证最小误差，更好地拟合了地层的实际发育情况。建立地层顶、底板表面模型后，检查相邻两个三角网之间的空间拓扑关系，如有交错，则根据钻孔数据对控制交错点的顶点进行最小厚度约束处理，使每个三角网的拓扑关系一致，更新点集，确保每个建成的地质层面之间互不相交。将建成的地质层面与矿界轮廓面拼接，则构成了封闭地质体，实现了地质体更新建模。
2 验证实验
本文采用山西某矿区的局部区域(面积约1.86km2)作为研究区，进行算法有效性验证。该研究区内地层由老及新分别为C2b、C3t、P1s、P1x、P2s、P2sh、T1l、Q4组成。当前区域内的地层层序清晰，无倒置地层现象；地质构造较为简单，无断层、褶皱等明显地质构造。
实验收集了该研究区范围内13个钻孔，通过构建7条剖面(其中4条横向剖面， 3条纵向剖面)，继而建立了C2b、C3t、P1s、P1x、P2s、P2sh六层地层模型，建立了3号、8号两层主要可采煤层和2号7号两层局部可采煤层模型。选取研究区内经过3号煤层的采掘巷道建立巷道模型。
本算法基于MAPGIS三维开发平台(MAPGIS-TDE平台)进行二次开发。利用Visual Studio 2010开发环境，采用C++语言进行了编程试验。
3 结果及讨论
如图3所示，图中红色直线为巷道，图3(a)中红色圆圈所标示的位置，巷道实测通过煤层，而图中却通过煤层下方的岩层，说明巷道与剖面相交处附近的地质体模型煤岩层走向有误。图3(b)是垂直于巷道方向的地质体纵切。图3(c)是沿巷道方向的地质体横切，图3(d)是横切加剖面模型叠加显示。四幅图均表明巷道走向无法与地质体模型很好的叠加。采用实测巷道对地质体进行更新建模后，如图4所示，巷道与煤层进行了很好的叠加，建立模型的煤岩层走向与实测巷道走向保持一致。整个更新建模过程操作简便，数据处理速度较快，所构建模型基本符合实际情况。
(a) (b) (c) (d)图3 研究区地质体及巷道模型Figure 3 Study area geological body and roadway models
(a) (b) (c) (d)图4 研究区更新后的地质体及巷道模型Figure 4 Study area renovated geological body and roadway models
4 结论
煤矿生产数据具有动态变化的特性，平面数据、剖面数据和三维地质模型需要随着矿山开采不断进行动态的修正和更新，使其对地下生产对象的表达越来越精确[20]。本文在综合前人研究基础上，提出一种基于实测巷道数据的地质体自动更新建模方法。该方法以钻孔数据和实测水平巷道数据作为地质体建模的源数据和更新数据，通过构建虚拟钻孔、虚拟剖面及对钻孔建立剖面数据的更新，构建了更客观的矿山地质体。该方法构建的地质体模型可以和巷道模型很好的叠加，对矿山生产具有很强的辅助指导作用，该建模方案简单实用，建立模型快速稳健，很好的解决了常规地质体建模无法及时更新和地质体模型无法与实测巷道模型很好叠加的问题。
但是，该方法也存在不足之处：①巷道掘进相对于矿山来说是局部的动态更新，目前的方法只能实现整体更新，对巷道所影响范围的局部更新需综合地质构造等多种因素，目前方案尚未实现。②地质体建模基于现在已有的建模方案，模型的客观性与选用建模方案有很大关系，尚未考虑不同地质体建模方案对更新建模效果的影响。③尚未考虑复杂地质环境对建模效果的影响。在今后的研究工作中，将进一步针对上述问题，结合技术的发展、井下工程的规则化和专家知识的丰富，逐步来改进建模方案。
