露天煤矿三维地质地形建模、可视化及应用研究

王丽英，刘 红

（1.辽宁工程技术大学 测绘与地理科学学院，辽宁 阜新 123000；2.神华和利时信息技术有限公司，北京 100011）

近年来，三维地质建模（3D Geoscience Modeling，3DGM）己引起地质、采矿、岩土工程等诸多领域的日益重视。相对于传统的二维地质数据表示方法，三维模型能够完整准确地表达复杂地质现象的边界条件及地质体内含的各种地质构造，直观地再现地质单元的空间展布及其相互关系，最大限度地提高地质分析的直观性和准确性［1］。3DGM的概念最早由加拿大学者Simon W.Houlding于1993年提出［2］。所谓3DGM，就是运用计算机技术，在三维环境下将空间信息管理、地质解译、空间分析和预测、地质统计学、实体内容分析以及图形可视化等工具结合起来，并用于地质分析的技术。

随着三维地质建模和可视化［3－15］软件的发展，计算机己在各行各业得到了充分的应用，并己成为人们处理各种事务和工作的必不可少的工具。虽然地理信息系统己经在地质学领域取得了广泛的应用，但是在露天煤矿方面的应用比较少，有一些难以解决的本质问题，主要是因为露天煤矿地质条件的复杂性和对于地下三维地质体模型的数学建模没有较好的解决方案。本文以国内某大型露天煤矿为研究对象，以GIS为核心技术，基于SDE、GeoDatabase和Oracle平台，建立基础地理地质空间数据库，在此基础上开发三维地形地质建模GIS系统，实现地质模型的动态三维展示和空间查询、任意剖面图绘制、采剥量分类计算和储量计算、模型实时更新等功能，为露天开采设计奠定基础，为矿上人员提供高效便捷的服务。

1 露天矿三维地形地质建模GIS系统的实现

1.1 系统关键技术

1.1.1 空间数据库技术

依托ArcInfo提供的SDE、GeoDatabase以及Oracle来实现多种类型、多种来源、多种空间数据的集成建库。

属性数据库主要存储建模用到的基础钻孔数据、煤质数据、储量数据等结构化数据，系统通过Oracle数据库接口访问属性数据库。

空间数据库主要存放各类包含空间位置的基础图层、模型数据、图件数据和地形数据等。系统通过ArcSDE空间数据库引擎访问空间数据库。

1.1.2 地形地质建模技术

目前，对于地质层面模型的数据结构主要有2种方式：规则格网Grid和不规则三角网TIN。针对露天矿实际赋存情况本文采用不规则三角网TIN算法建立地质层面模型。

把三维矿床地质模型看成是由地表面、土岩界面、岩层界面、煤岩界面等若干界面的组合。每个界面根据勘探钻孔、地质写实等离散点数据提取出各地质体顶底信息，通过插值以及拟合算法增加数据密度，并利用地质统计学估值算法（构建TIN），生成各地质体层面模型。根据三维地形模型、构造信息优化地质层面模型，在层面模型基础上拉伸构建地质体模型。通过此方法形成动态、高效、高精度的露天矿三维地形模型、地质层面模型（煤岩土各界面模型），展示矿区地形地貌、煤岩层赋存特征三维形态、三维空间关系，以此作为整个项目各种数据算量和优化的基础数据模型。

1.2 露天矿三维地形地质模型的建立

1.2.1 基于地形等高线的三维地形模型

以原始地形等高线（等高距2m，DWG格式）为基础建模数据，进行粗差检测，剔除异常高程点；以等高线高程数据为基础，以等高线为约束条件，采用带有约束的建模算法，三角网不可以穿过等高线生成，不能出现地形沟壑被填平的现象，保证地形DEM的准确性与真实性，如图1所示。

图1 地形模型三维效果图

对等高线赋予三维高程信息，根据矿区的勘探边界和准确的等高线数据生成地表TIN模型。

1.2.2 基于勘探钻孔数据的三维地质模型

以勘探钻孔数据为基础，经过严格的数据检查，包括数据结构检查、数据逻辑关系检查、数据粗差检查，通过插值拟合处理，建立岩石顶板面模型、煤层顶底板面模型，并按照空间位置关系进行无缝拼接，建立地层实体模型，如图2所示。

图2 地质模型三维效果图

1.2.3 基于钻孔采样数据的煤质指标模型

本研究中，根据勘探钻孔和生产钻孔的原始煤质采集数据，对毛煤和原煤的Ad（干燥基灰分）、Mad（空气干燥基水分）、Mt（全水分）、Qnet、ar（收到基低位发热量）等离散勘探钻孔、生产地质钻孔以及补勘钻孔的煤质数据，采用合适的空间估值算法，通过生成毛煤、原煤等各煤质指标的栅格模型，如图3所示。

图3 灰分煤质模型三维效果图

1.2.4 三维地形地质模型动态更新

随着实际生产的进行，矿区地表模型会因为地表岩土的剥离与堆积而随之改变，所以利用每月的采场DEM更新地表模型（见图4），实施展示矿区的位置与剥离情况，对实际生产也将起到重要的指导意义。另一方面，随着实际生产的进行，露天矿甚至直接把上覆岩土层剥离使之露出地面，这样就必须根据实际需要对该煤岩层进行修复更新，使原来的三维模型更大程度上符合实际生产情况。

图4 地表（上）、煤岩层（下）模型更新示意图

2 地形地质三维GIS系统的可视化应用研究

基于三维地形地质GIS系统，实现地质层面模型的三维旋转展示、平移、缩放、地质层面模型属性查询、绘制钻孔柱状图、绘制任意方向剖面图、煤层等高线、煤岩层对比图等基本地质图件地质模型更新和煤层储量分类计算等基本功能，为露天矿开采计划提供强有力的技术保障，有助于指导科学规划、合理生产进行辅助决策，同时也为露天矿工作人员提供高效便捷服务。

2.1 煤质预报

基于煤质指标模型和地质模型，分析各煤层以及实际开采空间范围的煤质变化情况，实现露天矿生产过程中的煤质预报和监控，为开采计划和实际生产提供指导。煤质预报的主要表现形式为：煤质等值线图（见图5）和煤质区域统计分析报表（见图6）。

2.2 储量计算与自动统计

目前，现有储量系统多存在只有台帐、报表管理系统，没有实现图形绘制算量，没有实现报表与图形关联等缺点。本研究中的储量管理模块最主要的特点就是图数结合（见图7）。图数结合就是将图形与数据统一起来，图形不再是单纯的图形，数据也不再脱离图形而单独存在。图形包含了空间数据，数据蕴含在图形之内，二者做到了有机的统一。

2.3 采剥量分类计算模型

采剥量分类计算是根据每月验收测量的数据，可以按时间序列生成一系列的采场（排土场）的DEM模型，通过不同时刻DEM模型，作一次差值运算，就可以准确计算出这个时间段的采剥量，再结合地质模型采用GIS的地理空间叠置分析方法，就能够分类计算出土、岩、煤的体积或重量，如图8所示。

2.4 专题图件管理

利用露天矿空间库中收集存储的勘探线、钻孔等数据，结合三维地形地质（地质层面、构造）模型，生成剖面图（见图9）、钻孔柱状图、等值线图、等厚线图、煤岩层对比图等地质图件。

3 结束语

露天煤矿地形地质三维GIS系统从露天生产实际应用角度出发，以地形、地质勘探数据为基础，借助于GIS强大的空间数据库管理和空间分析功能，建立三维地质地形模型，打破传统CAD系统图数分离的局限性，开发三维矿床模型可视化系统，表达矿区地形及煤岩层真实赋存特征，系统具有良好的通用性，操作简单、界面友好，实现三维地形地质模型的任意浏览、查询、剖面图绘制、储量分类计算、地质模型的实时动态更新等功能，为储量计算和煤质分析、采矿设计、计划编制等提供基本模型数据支持。

［1］陈学习，吴立新，车德福，等.基于钻孔数据的含断层地质体三维建模方法［J］.煤田地质与勘探，2005，33（5）：5－8.

［2］Houlding S W.3D Geoseience Modeling：Computer Techniques for Geological characterition［M］.Berlin：SPringer－Veriag，1994.

［3］段立莉.露天煤矿三维地质建模及其可视化研究—以霍林河南矿为例［D］.西安：煤炭总院西安研究院，2008.

［4］张菊明.三维地质模型的设计和显示［J］.中国数学地质进展，1995（7）：189－195.

［5］陈健.三维地层信息系统的建模与分析研究［D］.武汉：中国科学院武汉岩土力学研究所，2001.

［6］吴立新，张瑞新，戚宜欣，等.三维地学模拟与虚拟矿山系统［J］.测绘学报，2002，31（1）：28－33.

［7］齐安文，昊立新，李冰，等.一种新的三维地学空间构模方法：类三棱柱法［J］.煤炭学报，2002，27（2）：158－163.

［8］Wu L X.A Generalized Tri－Prism Model for 3D Geoseienees Modeling and To Pologieal Desceription［C］.Workshop on Advanced GIS.Hongkong，PolyU，2002.

［9］Wu L X.Topological relations included generalized triprism 3D＆GeoScienees［C］.geosctences modelling.Computers.2003.

［10］陈昌彦，张菊明，杜永廉，等.边坡工程地质信息的三维可视化及其在三峡船闸边坡工程中的应用［J］.岩土工程学报，1998，20（4）：1－6.

［11］柴贺军，黄地龙，黄润秋，等.岩体结构三维可视化及其工程应用研究［J］.岩土工程学报，2001（2）：217－220.

［12］Liu D A，Zhang J M，Wang S J.Constrained fitting of faulted bedding planes for three－dimensional geologieal modelling.Advances in Engineering Software［J］.2002（33）：817－824.

［13］张菊明.三维地质模型的设计和显示［M］.中国数学地质进展，北京：地质出版社，1995：158－167.

［14］张菊明，孙惠文.局部间断拟合函数在地质曲面分析和显示中的应用［M］.中国数学地质进展，北京：地质出版社，1995：14－23.

［15］陈汉章，刘红.露天煤矿地质体层面模型及可视化应用研究［J］.山西煤炭管理干部学院学报，2010（4）：170－171.