淘锡坑矿区三维地质建模与可视化研究

纪海东,杜子涛,邢卫民

(1．天津市勘察院,天津 300191; 2．河北工业大学土木工程学院,天津 300401)

淘锡坑矿区三维地质建模与可视化研究

纪海东1∗,杜子涛2,邢卫民1

(1．天津市勘察院,天津 300191; 2．河北工业大学土木工程学院,天津 300401)

三维地质建模与可视化能清晰直观地展示地下矿体或构造形态、空间位置和相互关系及空间变化规律,实现矿山三维分析、矿体解译、地学统计、地质预测、数据信息管理以及图像三维显示等功能。本文以淘锡坑矿区为研究区,结合矿区实际情况以及收集整理的矿区数据,探讨矿区三维地质模型建立过程,研究总结一套建立矿山三维可视化模型的方法,为矿山数字化建设提供参考。

Surpac;淘锡坑;三维地质建模;可视化

1　引 言

随着我国经济的高速发展,能源及矿产资源的开采和利用在我国国民经济中所处的地位越来越突出。经过多年的研究、实践和发展,地质工作者已经能够通过物理和数学方法较准确地对地下矿藏进行分析和解释。然而,地下矿藏分布十分复杂,地质工作者需参考的数据量很大,利用这些数据推断工作区域内矿产资源的分布规律以及内部结构非常困难,而且效率低下。

三维地质建模与可视化能清晰直观地展示地下矿体或构造形态、空间位置和相互关系及空间变化规律,实现矿山三维分析、矿体解译、地学统计、地质预测、数据信息管理以及图像三维显示等功能。近年来,国内外在这方面已有不少研究与探索,许多公司先后推出了一系列的三维建模可视化软件,其中,应用最为广泛的是加拿大Gemcon公司开发的大型数字化矿山软件Surpac。该软件具有强大的三维建模功能、精细的模型可视化和舒适的交互设计以及二次开发功能,并能够建立地质体和工程设施的直观准确的三维可视化模型,便于地质工程师、采矿工程师和其他工作人员,甚至与非专业人员之间的技术交流和方案展示,提高生产效率。

2　矿区介绍

淘锡坑矿区坐落于被誉为“世界钨都”的赣南地区,位于江西省崇义县城西南约15 km,矿区表现为外带石英脉型黑钨矿化,以主产易采易选的黑钨矿闻名,按脉组的空间展布位置,可分为:宝山、西山(棋洞)、烂埂子、枫岭坑四大脉组,其中宝山、西山(棋洞)、烂埂子三个脉组位于矿区的北西部,是矿山历年的主采对象;而枫岭坑的北边、东边尚有规模较大的矿化标志带,2008年后坑道工程揭露证实赋存一定数量的工业矿体,目前正在开采。矿体工业类型属黑钨矿-石英大脉型。矿区地理坐标:东经114°12′45″～114°14′56″,北纬25°37′45″～25°40′00,面积15．212 km2。

淘锡坑钨矿东邻崇义铅厂南北向断裂坳陷带,属九龙脑成矿岩体北部的中远接触带。淘锡坑的花岗岩体呈隐伏状,实属九龙脑成矿岩体自南往北沿有利构造的侵入延伸,九龙脑岩体属燕山期“S”型花岗岩,受区域性北北东与东西向构造的复合控制,岩体南端为粗粒黑云母花岗岩,往北逐渐为中细粒二云母花岗岩,在岩体的南北近、中、远三层接触带形成一大批钨锡矿床,如图1所示。

3　Surpac软件介绍

Surpac软件是由GEMCOM国际矿业软件公司推出的一款全面集成地质勘探信息管理、矿体资源模型建立、矿山生产规划及设计、矿山测量及工程量验算、生产进度计划编制等功能的大型三维数字化矿山软件。主要核心功能包括:地质数据库、钻孔编录、数据分析工具、数字地形建模和等高线绘制、基础的和高级的地质统计学分析、格状解释模型和等值线绘制、块模型、断层建模等。Surpac进入我国后,随着多家矿业公司和相关科研机构的探索,其强大的图形绘制处理功能和地质三维模型构建功能日益显现,地学领域中遇到的三维问题,如三维地层、断裂、矿体和巷道的真三维动态显示、剖面的生成、三维巷道的空间拓扑分析、三维矿体的体积、储量的估算等,有望得到更好的解决,这些关键问题正是日后矿山数字信息化的坚实基础。

图1　淘锡坑区域地质简图

4　地质数据库的建立

地质数据库是建立三维地质模型的基础,收集的矿山资料的完整性、代表性和准确性直接影响到整个地质模型的效果,甚至影响后期的编辑查询、统计分析、生产规划。根据Surpac建立地质数据库的格式要求,对收集到的淘锡坑矿区32个钻孔数据进行了数据分析、提取和整理,分别建立了井口坐标表(collar)、测斜表(survey)、岩性表(geology)和化验表(sample)4个∗．csv格式的常用表,数据整理时每个常用表设置字段名称、顺序,对应关系遵循如图2所示。

根据建立的数据库进行钻孔三维可视化显示(如图3所示),根据显示结果可以直观地了解钻孔轨迹、方位及品位值,推算矿体分布规律,提高勘探效果和质量,节省成本和节约时间,同时为进一步的地质建模研究奠定基础。

图2　钻孔基本表字段与钻孔数据库对应关系图

图3　钻孔三维显示

5　三维模型构建

5．1地表模型

三维地表模型能够完整准确地表达出地质构造的边界现象以及与其他空间体的三维位置关系,最大限度地增强地质分析的直观性和准确性,是三维矿山模型建模不可缺少的一部分。在构建淘锡坑矿区地表模型时,本研究采用了矿区1∶5 000 Mapgis格式的实测地形图,经过以下步骤处理:

(1)首先在MapGIS中进行预处理:①连接线,清理线出现的重复点、跨接和聚结点;②选取等高线并将等高线赋予高程值;③将地形图比例尺变换形成符合Surpac要求的1∶1 000,并根据图面坐标和实际坐标计算差值,将地形图移动到实际位置,输出∗．dxf格式文件;

(2)将文件导入CAD进行再次编辑:①将无关的图层或信息删除;②修改线性,连接遗漏的断线、赋予未赋予高程值的等高线;

(3)最后导入Surpac保存∗．str线文件,并生成数字高程模型(DEM),完成地表模型的构建,如图4所示。

图4　地表模型

5．2矿体模型

矿体模型的建立不仅能准确地描述矿体的几何空间赋存形态,还可用于体积计算、剖面图绘制、隐伏矿体预测。矿体建模一般基于以下三种方法:①利用矿体边界线大概确定矿体范围;②基于勘探线剖面图的矿体模型构建;③基于钻孔数据的矿体模型构建。通常应根据建模目的来选择合适的方法,但要准确反映实际矿体形态,往往需要综合采用多种方法。

本研究以矿体边界为主导,结合勘探线剖面图,构建矿区矿体模型。具体步骤如下:①根据淘锡坑钨矿中段9张地质编录图和16张勘探线剖面图,经过Mapgis比例尺变换、坐标转换、矿体图层更换、矿体边界提取;②将提取出的矿体数据转换成CAD支持的∗．dxf格式文件;③在CAD中对矿体边界数据进行编辑,如删除重复点、删除聚结点、连接闭合断线、修改线性以及赋予相应高程值等;④将矿体边界数据保存∗．str线文件后,生成矿体模型;⑤对生成的模型验证和修正,得到最终的矿体模型,如图5所示。5．3 断层模型

图5　矿体模型

褶皱断裂构造是成矿的主要控制因素之一,断层模型可直观准确地展现地下断层构造的形态、分布特征等空间位置关系,对区域的成矿因素推测、矿体分布预测以及对地质工作经验积累有重要帮助。应用淘锡坑矿区17张勘探线剖面图和9个纵段原始地质编录图中断层数据,经过进一步处理,构建了淘锡坑矿区断层模型,展现了矿区断层与矿体的位置关系,如图6所示。

图6　组合模型

5．4建模操作问题讨论

在构建淘锡矿区地质模型过程中,遇到了多个操作问题,现列举4个实际问题及应用的处理方法,供读者参考。

(1)在CAD合并断线时出现线不能合并的问题。经过多次实际操作要解决此问题要注意或解决以下三个方面:①标高:在右击属性里,要合并的不同线段“标高”要一致,否则无法合并;②厚度:同样是右击属性里线段的“厚度”要一致;③重叠线:当不同线段的“标高”、“厚度”都一致但还是不能合并线段这时就要注意是不是有重叠的线,删除重叠的线就可以合并了。

(2)用Surpac软件进行数据操作编辑时,需要在主图层(main graphics layer)下。按下“Ctrl”直接拖拽文件到软件图形工作区,文件自动进入主图层,实现快速便捷操作的目的。

(3)在建立矿体模型和地层模型时应用到勘探线剖面图,由于剖面图是在平面坐标系下绘制的,在操作应用时要进行剖面转换,即原二维坐标下的Y坐标值赋值到Surpac三维坐标系下的Z坐标值上。在编辑—线串—运算输入公式(如图)实现了剖面图转换。由于实际剖面图的剖切方位的不同,可能需要进行第二次运算或旋转,在淘锡坑矿区剖面转换操作过程中进行了y=-x,-x=y的第二次运算。

(4)在实体模型创建三角网时,可能会出现“点位移距离小于0．05,不能创建三角面”的提示,此问题最简便快捷地解决方式是将线文件进行“光滑”、“标准化分割”处理,将“标准化分割”处理的数值根据建模的精度和建模的要求调节成大于0．05的数值。

6　分析与总结

三维地质建模与可视化是对地下空间实体近乎真实地再现,清晰直观地展示地下矿体或构造的形态、空间位置和相互关系及空间变化规律,形象直观科学地解决了地学领域通常遇到的诸如矿体走向、矿体形态、分布特征,位置关系等问题。基于构建的三维地质模型,可以进一步计算出矿体体积、矿体储量、品位等,这将有助于矿区地质人员更精准地分析矿区控矿因素及找矿标志带,确定找矿靶区,为矿区成矿规律的研究和深边部隐伏矿体的预测提供有效的技术手段和数据支持,确保矿区勘探设计的科学性,进一步提高资源利用率,降低了生产成本,缓解矿区面临资源枯竭危机,使矿产资源得到更好地利用和保护。

致谢:感谢中国地质科学院矿产资源研究所、崇义章源钨业股份有限公司对本研究提供的机会与支持。

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Study of Tree-dimensional Geological Modeling and Visualization in TaoxiKeng Mine

Ji Haidong1,Du Zitao2,Xing Weimin1

(1．TianJin Institute Of Geotechnical Investigation&Surverying,Tianjin 300191,China; 2．College of Civil Engineering,Hebei University of Technology,Tianjin 300401,China)

The display of underground ore body、structure、spatial position and relation and spatial variation law can be displayed by 3D geological modeling and visualization．In this way,3D analysis,interpretation of ore bodies,geological statistics,geological prediction,data information management and 3D display of images are realized．With Taoxikeng Mine as the study area,by using the field data collected,This research try to study three-dimensional modeling of mines on the basis of Surpac software．The study serves as the foundation for the digitalization of Taoxikeng Mine and reference to the digitalization of other mines．

surpac;taoxikeng mine;three-dimensional geological modeling;visualization

1672-8262(2016)01-172-05

P628．4,P208．2

B

∗2015—06—30

纪海东(1981—),男,工程师,主要从事变形监测、图像处理、三维建模以及环境遥感研究工作。