巨厚火成岩下开采矿井三维数字建模

任 红，杨永刚，杨 欣

( 1.合肥工业大学 电子科学与应用物理学院，安徽 合肥 230009；2.安徽省煤炭科学研究院，安徽 合肥 230001； 3.合肥工业大学 资源与环境工程学院，安徽 合肥 230009)

矿图是矿山企业组织生产、合理利用资源、确保安全生产必不可少的重要技术资料，对于采矿设计、编制采掘计划、指导巷道掘进和合理安排回采工作面及各种工程需要都具有重要作用。它反映了井下巷道及矿体、围岩产状与各种地质破坏情况等复杂的空间关系，测绘内容多，且多为二维平面图。

二维矿图可视性差，缺乏立体感，容易产生误解，并且不易于向非专业人员展示。三维矿图具有直观、交叉关系清楚、视觉效果显著等优点，随着计算机技术的不断发展，三维矿图在我国煤矿三维建模的研究以及利用处于发展阶段，并随着煤矿生产管理现代化进程的发展，对图形的可视化要求也越来越高[1-4]。

矿山中与空间位置直接有关的空间信息(如地形地貌、矿体形态、地质构造、开采位置等)数字化、矿体三维模型的建立和可视化技术是数字矿山的关键支撑技术之一[5-6]。应用矿床模型在三维环境中多角度、多视点、全方位的动态观察、分析，可提高生产决策和生产组织的质量、水平，进而提高矿山经济效益。

1 研究区域概况

淮北矿业股份有限公司海孜煤矿位于安徽省濉溪县境内，海孜煤矿1987年投产，设计产量1.2Mt/a，实际产量1.59Mt/a。矿井井田走向长约11km，南北宽约2.6km，面积26.7km2。主采煤层7，8，9，10共4个煤层，可采煤层累计平均厚度10.23m。矿井分3个水平开采，分别为-265～-475m，-475～-700m，-700～-1000m水平。该矿地质条件复杂，断层等地质构造较多，煤层赋存不稳定，采深也较大，且矿岩浆活动较为强烈，共有79个钻孔见岩浆岩，占钻孔总数的32%，岩浆岩层距离7煤平均高度为61.3m。岩浆岩平均厚度达117～136m，其中以沿5煤层侵入的赵庙岩浆岩体侵入规模最大，走向绵延6.5km，最大厚度达169.18m。4，7，9，10煤层均有不同程度地侵入，岩浆岩对本矿煤层的影响及破坏主要表现为：吞蚀、穿插、切割、变质(局部蚀变为天然焦)。

7煤层位于下石盒子组下部，上距4煤层平均244.4m，煤厚0～7.17m，平均2.03m，变异系数为66.9%，可采性指数为85%，煤层倾角18°，该煤层结构较简单，以单一煤层为主，属不稳定煤层；8煤层位于7煤层下，平均层距22m，煤层平均厚度1.4m，厚度变化较大，仅局部可采，变异系数67.5%，可采性指数71%，属于极不稳定煤层；9煤层位于8煤层下，平均层距3.1m，煤层结构较简单，平均厚度2.43m，煤层变异系数71.4%，可采性指数91%；10煤层位于山西组中部、9煤层下，平均层距84m，煤层平均厚度2.67m，变异系数39.7%，可采指数92%，属较稳定煤层。

截止2009年底，矿井的一水平煤层开采已接近尾声，矿井将逐渐转入二水平生产；矿井已回采井田面积约9.5km2，其中有火成岩侵入的开采面积约为1.07km2，到目前为止，矿井主要是在没有火成岩侵入的区域进行开采；井田剩余未开采面积约10.5km2，而其中约8.9km2为火成岩侵入区，火成岩侵入区约占矿井未开采面积的85%。

大面积、巨厚、坚硬火成岩赋存于开采煤层的上覆岩层中，当煤层开采后，由于火成岩厚度大、面积大和强度高，采场上方的火成岩很难断裂、垮落、沉降，承载着自身及其上覆直至地表的全部岩层的重量，并将其转嫁到采场周边未采区的煤体和岩体上，从而使采场周边的煤体或岩体中产生应力集中，并随着矿井开采范围的扩大，应力集中度不断增高。当超过煤体或岩体所能承受的极限应力时，矿井将发生冲击地压、煤与瓦斯突出、矿震等矿井动力灾害。因此建立三维模型，将抽象的空间信息可视化和直观化，同时为后期三维数值计算、圈划采场围岩高应力区提供平台是十分必要的。

2 平台选择及技术特点

2.1 开发数据库选择

鉴于本矿建立三维模型的基础资料多为空间信息而且格式丰富，利用地理信息系统(简称GIS)软件是比较理想的选择。GIS是由计算机硬件、软件和不同的方法组成的系统，该系统设计支持空间数据的采集、管理、处理、分析、建模和显示，以便解决复杂的规划和管理的问题。GIS是以可视化和分析地理引用信息为目的，用于描述和表征地球及其他地理现象的一种系统。三维GIS突破了空间信息在二维平面中单调展示的束缚，为信息判读和空间分析提供了更好的途径，并将抽象难懂的空间信息可视化和直观化。

2.2软件选择

采用 ArcGIS10软件建立海孜矿矿井三维建模。ArcGIS提供了丰富的三维数据编辑、三维模型分析和三维数据共享机制，一体化管理矢量数据、栅格数据和地形数据，支持三维环境测量、通视分析和地下三维分析等强大的空间分析功能[7-9]。

2.3 建模技术方案

本次研究内容包含数据预处理、三维建模、岩层三维模型和模型的应用4个主要的内容，所应用的技术方案如图1数据处理流程图所示。

图1 三维建模的数据处理流程

3 三维数字建模

3.1 建模范围

根据海孜矿矿井综合采掘工程平面图、海孜矿7，8，10煤层等高线图、海孜矿火成岩等厚线图以及井田钻孔柱状图素描(共60个钻孔)等资料制作海孜矿矿井地下12个岩层的三维数字模型，岩层由上及下分别为地表、第四系(地表至火成岩之间的沉积地层)、火成岩、砂岩层、砂质泥岩层、砂岩层、7煤层、7煤层与8煤层之间的沉积岩层、8煤层、8煤层与10煤层之间的沉积岩层、10煤层、10煤层之下的沉积岩层，包括砂质泥岩和砂岩。由于9煤尚未回采，暂不考虑。

3.2 钻孔插值

表面插值即根据采样点值创建连续(或预测)表面，由于本次收集到的钻孔数为4线、5线、3-4线、4-5线、5-6线、18线、19线、20线、21线和22线共10条勘探线上的60个钻孔，不足以建立较为光滑的三维模型，分辨率较低，不能提供直观的曲面趋势。因此，本次建模采用克里格(Kriging)插值方法进行基于钻孔的岩层三维模型的构建，该插值是以变异函数理论和结构分析为基础，在有限区域内对区域化变量进行无偏最优估计的一种方法，钻孔三维模型见图2。

图2 钻孔三维可视化

3.3 岩层三维模型及应用

在钻孔插值的基础上得到各岩层的不规则三角网(TIN)和等高线，以此为三维岩体模型的顶底界面，研究区为范围界限建立了海孜矿井三维岩层采矿工程图的三维数字模型，具体见图3至图5，三维模型的建立有助于岩层三维空间形态的可视化，并可以对模型进行任意的裁剪和获取任意方向的剖面。

图3 海孜矿火成岩三维模型

图4 海孜矿7煤三维模型

图5 海孜矿岩层三维剖切模型

4 结论

(1)根据海孜矿矿井综合采掘工程平面图、煤层等高线图、火成岩等厚线图以及矿井田钻孔柱状图等资料，利用ArcGIS地质软件制作完成了海孜矿矿井所研究岩层的三维数字模型。将抽象的空

间信息可视化和直观化，突破了空间信息在二维平面中单调展示的局限性，为信息判读和空间分析提供了更好的途径。

(2)从平台建模效果来看，采用ArcGIS软件能够保证模型的精细程度和真实生动效果，能够准确形象地表达地质体以及地质构造的空间位置关系，完成的模型可以实现动态浏览，并制作漫游视频，提高了可视效果。

(3)以海孜矿巨厚火成岩下开采矿井三维数字建模为例，详细阐述了矿井三维地质模型的建立过程及其应用，对其他矿井建立三维数字模型具有较强的参考价值。

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