智慧矿山三维地质体建模的探索与研究

王娟 刘猛

摘要：为提高矿山生产的安全性、开采效率，本文首先分析智慧矿山三维地质体建模的具体优势，再分析建模过程中存在的实际问题，结合矿山生产实际，提出三维地质建模的应用要点，最后总结梳理总结了智慧矿山三维地质体建模技术路线、建模流程，以此为更多的相关从业人员提供实践参考。

关键词：智慧矿山；三维地质体；建模

前言：随着智能化、信息化的快速发展，矿山生产也不断得到优化和升级。地质体建模作为矿山智能化、信息化的数据重要组成部分，具有很重要的实际意义。传统地质学方法只能提供简单的矿床地质数据，不能从三维立体角度、三维可视化、可分析角度下直观展示三维地质体构造，不能满足现代大规模采矿对复杂地质结构需要高度精确的实时监控与评估需求，因此，在近几年发展起来的三维新技术支持下进行三维地质体建模具有较高实用性。

1智慧矿山三维地质体建模的优势

1.1可以在虚拟环境下进行开采和选矿工程设计

三维地质模型可以从不同的角度观察地形、地质构造，可以根据工程设计需要进行任意剖切，真实反映矿体的形状和产状。在三维地质模型上进行矿山开采设计时，可以建立矿体模型和岩层模型，并利用勘探数据进行赋值，从而对采场位置、开拓方案、开采顺序、巷道布置、生产能力计算等进行合理安排。在选矿工程设计时，可以利用三维地质模型建立矿体模型和岩性模型，通过与矿体、岩层、地表等属性数据相结合，实现矿床的开采、选矿工艺的设计和优化。在进行露天采矿设计时，可以利用三维地质模型建立三维地表模型，实现整个矿区的整体规划和资源开发。

1.2可以准确地反映矿石质量和资源量

矿体和围岩是矿石的基本特征。利用三维地质建模技术可以建立矿体和围岩的三维模型，直观地观察到矿体的赋存状态，并且可以观察到不同部位的矿石质量和资源量。利用三维地质模型对矿石进行筛选，可以降低选矿成本。

例如：某一矿区现有已探明资源量约为3100万吨，开采1-2号矿石，预计在生产过程中可采出矿石量为500万吨，因该矿区已经探明地质资源量3100万吨，已探明矿石量占总资源量的70%，不能满足开采要求。利用三维地质模型对该矿区进行筛选，根据不同矿体赋存状态和品位要求进行不同方案设计，最终可获得与已探明地质资源量相近的矿石量。结合已探明的地质资源量和矿石质量及品位要求，可确定每个矿体中开采的矿石量。仅从这一点来看，三维地质模型具有很大的作用。

1.3可以更好地预测资源的可开采性

三维地质模型是从矿山已有的勘探、地质、采矿、选矿等数据中，通过一定的手段建立矿山地质数据库，并利用计算机技术进行模型的动态更新，可实现矿山地质数据的可视化，为矿山决策提供准确的基础地质数据。通过对地质数据的分析和研究，可有效地揭示地下矿山矿体和地层间的空间分布关系，为开采方案的确定提供了依据。

建立三维地质模型可以对矿区地下矿体分布情况进行观察和分析。可以建立矿体三维模型，并将其与地下空间模型进行叠加分析，可以比较准确地分析地下空间与地面空间之间的相互关系。通过对矿区地质结构进行分析和研究，可以找出矿山地下资源分布情况，从而对地下资源的可开采性进行预测。

2智慧矿山三维地质体建模存在的问题

2.1三维地质体建模标准不统一

由于地质、测量和采矿等不同专业的数据格式不统一，地质数据在三维建模过程中无法直接共享，各专业之间难以进行有效协同，进而影响了矿山三维地质体建模技术的发展。

2.2地质模型更新机制不完善

地质模型的更新是三维地质体建模技术的关键，只有及时更新地质模型，才能保证模型的准确性。然而，当前地质模型更新机制不完善，主要表现在以下几个方面：

①模型更新周期较长。现有的三维地质建模软件中，大多都没有提供地質模型的实时更新功能，这使得地质模型更新周期过长。

②建模数据库未统一。地质数据通常是动态变化的，如果没有统一的建模数据库，就会造成大量重复工作，并且不易共享。

③数据获取方式单一。在进行地质建模时，为了得到更为精确的三维模型数据，通常需要使用多种软件或工具进行数据获取，而由于不同软件或工具获取数据方式不同，造成了数据获取方式单一的问题。

2.3地质数据采集困难

在三维地质体建模过程中，数据的采集、处理、管理等都需要大量的人力、物力、财力，尤其是在对多个矿体的地质建模中，对于某些地质异常情况的描述，由于资料不足或操作不规范等原因，都难以取得真实有效的数据。目前在对某些地质异常情况描述时，由于资料不足或操作不规范等原因，可能存在遗漏、错误的描述现象。例如：在对某一处较大规模的钻孔进行描述时，由于缺乏完整资料和操作不规范等原因，可能存在漏测、错测、漏记等情况。因此，在对地质异常情况进行描述时，不仅需要大量人力物力资源，还需要进行科学的分析和判断[1]。

3智慧矿山三维地质体建模要点

3.1数据处理

三维地质体建模的数据处理是指将处理后的数据按照一定的规则，基于已有的资料数据，按照一定的结构，形成三维地质模型。主要包括：数据标准化处理、数据配准处理、数据修改融合处理等[4]。

一是数据标准化处理：即对三维地质体模型中所包含的各种对象进行统一分类，以便在建模过程中按不同对象分别建立不同类型的三维地质体模型。标准数据库建立的目的是便于对数据进行分析与处理，满足工程设计与开发的需要。标准数据库可以是一个文件或数组，也可以是一组文件或数组，还可以是一个表或数组。

二是数据配准：即对原始数据进行配准以消除各种误差，得到符合要求的数据。配准包括对原始数据进行配准和对配准后的数据进行修改两种方法：配准是建立在原始数据基础上进行的，可以对原始数据进行单值、多值、连续或离散等多种配准；配准后的数据可以修改，但是要经过一定的转换后才能被插入到三维地质模型中[3]。

三是数据修改处理：主要是將不符合要求的原始数据修改为符合要求的数字或符号。通常包括两个方面：一是删除重复或冗余的文本、图像、图形等；二是增加新元素[5]。

3.2模型融合

智慧矿山三维地质体建模的核心是各类数据融合，通过对地理信息数据倾斜摄影三维模型数据、DEM、DOM数据、地质数据、物探数据、钻孔数据等进行综合分析，利用模型融合技术对各数据进行整合，最终构建出符合实际情况的三维地质体模型。

一是地形与地质点融合。地形与地质点融合主要是基于 DEM （数字高程模型）与 DEM （数字栅格）两种空间分析模型之间的融合，构建TIM三角网格，将地形与地质点在两种空间分析模型之间进行数据交换，实现二者的共享，提高了三维地质体的建模精度和效率。

二是物探和钻孔数据融合。物探数据和钻孔数据之间的融合主要是基于等值线模型和 TIN （TecnomativeLayer Index）两种空间分析模型之间的融合，创建相应地层类型，并自动填充钻孔剖面，实现两种空间分析模型间的互相调用、互相补充，提高了建模精度和效率。利用物探数据和钻孔数据，可以实现不同层次模型间的数据交换，对工程实体进行快速建模。利用物探数据进行建模时，可以避免工程实体中的三维地质信息错误和缺失问题，同时也可以避免钻孔内工程实体空间信息缺失问题。

三是钻孔、工程实体与三维地质体模型融合。将地质点、物探点、钻孔以及工程实体进行一体化处理，构建出完整的三维地质体模型。通过对地质点、物探点、工程实体的空间位置关系进行分析，对所构建的三维地质体模型进行进一步的调整和完善。

四是空间分析与实体表达。空间分析是构建三维地质体模型过程中需要考虑的重要内容之一，可以帮助设计者快速建立满足特定需求的三维地质体模型。空间分析包括了各种不同类型的空间分析方法，如距离反比规则、最邻近规则等。通过对这些不同类型空间分析方法进行综合分析与比较，可以快速建立满足特定需求的三维地质体模型。

3.3实体表达

三维地质体建模是一个复杂的过程，不同的三维地质体建模方法具有不同的实体表达方式，因此在对矿山三维地质体进行建模时，应根据地质体的不同特性采用相应的实体表达方式。例如：针对地下工程三维地质模型，由于地下工程中地层、岩性、断层等信息非常丰富，因此采用面元表示方法较为合适；而对于露天矿山三维地质体模型，由于多采用点、线、面结合的表达方式，因此可采用体元表示方法[3]。

3.4空间分析

在三维地质体建模过程中，空间分析是很重要的一步，主要用于对数据进行赋值和计算，将空间模型与实体模型相结合，达到对实体的精准表达。目前比较常见的空间分析方法包括：面积、体积、距离等面积函数、距离等体积函数、距离平方和指数等距离函数等。在三维地质体建模过程中，常用的空间分析方法主要有：拓扑分析法、变异函数分析法、空间统计分析法。

不同软件所采用的空间分析方法存在一定差异，但它们都是在三维地质体建模过程中必不可少的步骤。对于三维地质体建模而言，空间分析方法与实体建模方法相结合是一种理想且实用的建模方法，可以在一定程度上提高三维地质体建模精度和效率，促进“智慧矿山”建设目标和任务的实现[2]。

4智慧矿山三维地质体建模

在智慧矿山的建设过程中，三维地质体建模方法也在不断更新与完善，三维地质体建模是一个复杂的过程，其建模原则、数据来源、数据处理以及模型建立都有严格的要求，对建模的技术路线也有一定的要求。通过本文前述的分析，如下就智慧矿山三维地质体建模技术路线，建模流程作如下梳理小结，为更多的从业相关人员提供实践参考。

4.1 三维地质体建模流程

矿山三维地质体建模是矿业领域的关键技术之一，它通过对矿区内地质结构和矿体分布进行准确、全面的描述，为矿山规划、开采设计和资源评估提供重要参考。本文从数据收集与处理、建模方法选择以及结果验证等方面，阐述矿山三维地质体建模的流程。

首先，数据收集与处理是矿山三维地质体建模的第一步。这包括现场采样取样、勘探钻孔获取岩芯数据、矿山地上部分倾斜摄影数据、地形数据获取、测量点云数据和地球物理勘查等多种手段。然后，需要对收集到的数据进行预处理，如数据坐标匹配，融合、修复断层、清除噪声、解决数据不完整性等问题，以获得高质量的、可融合的数据输入。

接下来，选择合适的建模方法也十分重要。常见的建模方法包括基于统计学的概率模型、基于物理过程的确定性模型和基于人工智能的机器学习模型等。根据具体情况选择合适的方法，并结合实际情况中的约束条件和经验知识，利用数学算法或者机器学习算法进行地质体的建模。

在进行建模过程中，还需要考虑矿山三维地质体模型的精度验证和结果可视化。可以采用交叉验证和对比分析等方法来评估模型的准确性，并与实际观测数据进行对比。同时，使用专业的软件工具将建模结果可视化呈现，以便进一步分析和决策。

最后，建模流程也要注意不断优化改进。根据建模结果和实践经验，及时调整建模参数和方法，完善建模流程。此外，与其他相关领域的合作和交流也是推动矿山三维地质体建模发展的重要途径，例如地质勘查、岩土力学等领域的专家经验和研究成果可以为建模提供宝贵的参考。

4.2 三维地质体建模软件

矿业工程软件是三维地质体建模过程中最常用的建模工具，其不仅能够建立三维地质体模型，而且还可以对三维模型进行优化处理和分析计算。由于矿业工程软件种类繁多，在选择建模工具时需要根据自身需求进行选择，并依据不同软件所提供的功能模块选择相应的建模方法。

除了矿业工程软件之外，其他矿业工程软件也可以用于矿山三维地质体建模。如：AutoCAD可以进行矿山图纸绘制、编辑、输出等；UG可以进行矿山实体造型；SUN可以进行矿山三维地质体模型构建等。虽然这些矿业工程软件中也有相应的三维地质体建模功能模块，但由于功能模块较多，需要针对不同软件进行相应操作以完成不同的建模工作。

近几年一些主流的三维可视化软件，例如SmartEarth、SuperMap等开放了二次开发接口，可方便用户基于已有的电子资料，库存资料进行三维半自动化地质体建模构建，大大提升了建模的便利性和效率。

结语

综上所述，本文探讨了智慧矿山三维地质体建模技术的应用现状和实践方法；通过对实际应用的研究，我们可以看到三维地质体建模系统在实际生产中有着更广阔的应用价值。具体而言，它能够帮助工作人员更加准确地判断及定位目标区域内的矿产资源，并提高采矿效率；同时，在科学管理方面也起到积极作用，如常规监测、预警与精细化管理等。随着信息技术不断发展和推广，人工智能、大数据分析、云计算等新兴技术被广泛运用于矿山行业，这将进一步使得智慧矿山建设迎来良机，为三维地质体建模技术的深入优化和快速应用提供了更好的技术保障。

参考文献：

[1]岳俊. 基于GIS的三维透明瓦斯地质软件开发与应用[J]. 中国矿业，2022，31（10）：95-100.

[2]熊玖琦，刘星. 基于支持向量机的顾北煤矿北一矿区三维地质模型构建[J]. 科学技术与工程，2022，22（19）：8194-8199.

[3]陈镇，陈孝乾，刘萍，贾毅超，罗畅. 基于BIM技术的数字化矿山建模研究[J]. 中国矿业，2022，31（01）：73-78.

[4]岳西蒙，伍法权，沙鹏，陈宇坤. 基于三维点云建模的矿山边坡稳定性分析[J]. 中国矿业，2021，30（04）：89-95+114.

[5]徐巧格.智慧矿山系统工程中的关键技术分析[J].集成电路应用，2023，40（05）：224-225.

作者简介：王娟（1984—  ），女，汉族，河南人，本科，工程师，研究方向：三维数字孪生 ；刘猛（1986—  ），男， 汉族，河北辛集人， 硕士研究生，高级工程师，研究方向：遥感地质和矿山地质。