三维可视化矿体模型的构建——基于非标准空间网格化建模技术

黄 丽，蔡恩琪，魏丽琼

(1. 青海省青藏高原北部地质过程与矿产资源重点实验室 青海省地质调查院，青海 西宁 810000；2.青海省地质调查局，青海 西宁 810000)

矿山勘测是矿山开采中十分重要的内容，勘测的合理性必须得到有力保证，如若不然，可能导致事故的发生或矿山效益的大幅降低。所以，矿山规划与勘测工作的开展必须以先进、科学的方法及技术作支撑。以往的矿山勘测会在纸质图上或利用Autocad等软件，以二维图形的方式抽象地表示三维地质情况与多变的井筒巷道布局，无法给人以形象、直观的感触，勘测人员想要进行矿山空间具体形态及相关关系的准确理解与把握，进而完成正确的施工十分困难[1]。以现有的测量和地质资料为依托构建三维可视化模型，对矿体形态进行直观的展示是比较理想的解决思路。

三维可视化建模技术是地球空间信息科学的重要组成内容，作为地质理论与计算机三维可视化技术有机结合的产物，他在三维环境下对地质统计学、空间信息管理技术、空间分析与预测技术予以综合运用，构造地质体的三维空间，并做出地质解释[2]。而矿体大都是在地下埋藏的，难以估测的因素有很多，受到复杂勘测条件与稀疏采样数据等不利条件的限制，地质勘测人员只能通过分析、解释、推断等带有主观色彩的方式对不完整或连续性不佳的地质信息做出想象，以此构建精确性与完整性较低的三维可视化模型，这种情况下，失真问题必然存在，这样的矿山数字化本身就自带缺陷。对此，杨成杰等采用实体与块体混合的建模方法进行矿山真三维模型的构建研究，其中，实体/客体模型代表的是矿体的边界，用块体模型对实体模型进行填充，可进一步反映矿体的比重、品位以及岩性等更加详细的属性信息。按照这一思路，国外矿业公司进行了Minesight、Datamine、Surpac、Micromine等多种矿山开采数据化软件的开发，在三维空间模型问题的解决中得到了较好的应用。近30年以来，我国也自主研发了3DMine软件、Dimine软件、龙软GIS、采矿CAD等代表性较强的矿业软件，大都能够实现三维可视化地表/地下模型的快捷创建，且在国内勘测与采矿人员的使用习惯与思维方式上更为适用。

文章利用DIMINE平台对某金矿已有地质资料与钻孔数据进行预处理并建立三维钻孔数据库与数字地表模型，基于非标准空间网格化技术建立三维可视化矿体模型，能够对复杂结构矿体的三维形态予以直观反映。

1 矿带地质概况

控矿构造带总长约30 km，宽3～5 km，由于受到多期次的挤压拉伸作用，构造变形十分复杂，岩石严重破碎，呈现出NEE与NWW向的主要构造形迹，如图1所示。其中，主断裂(F0、F1、F2、F3)为含矿断裂，与NEE方向接近，向南表现出150(°)～210(°)的倾斜，倾角大约在55(°)～70(°)之间；NWW向的断裂与F2、F3两处主断裂存在较多的交汇，这些区域的矿体比较丰富。泥盆系下统桥头岩组(Dq)为矿区主要含矿底层，其岩性主要表现为绢云、粉砂质、钙泥质与炭质千枚岩。矿区内岩浆主要是变质花岗斑岩，多出现于断裂带内部及其周围较近的地方。断裂现象的发生为岩浆开辟了活动空间，岩脉顺层产出的频率比较高，在次级断裂的不间断发育过程中，复脉带的形成也成为一种常见之事。

1 第四系；2 D2灰岩；3 D2砂岩夹千枚岩；4 D2千枚岩；5 D2灰岩夹硅质岩；6 斜长花岗斑岩；7 金矿化体与编号；8 断层；9 (复)背形；10 (复)向形

图1 矿带地质简图(据周洁，2017)

2 三维可视化模型建立

2.1 建模流程

对以往勘测与研究工作得到的矿带钻孔数据以及地形地质图等相关材料进行收集与整理，保证地表与地下矿体模型创建过程中的资料要求得到有效的满足[3]。对所得数据进行矢量化处理，借助DIMINE软件依次建立钻孔数据库与地面/地下实体模型，之后，离散化处理矿体的实体模型，将其以块体模型的形式表现出来，获得三维可视化矿体模型。图2所示为其建模流程图。

图2 三维可视化建模流程

2.2 建模准备

此次三维可视化地质建模主要对矿带地质界面的三维空间形态与基于界面的三维地质体空间展布进行研究，以怎样构建“界面”为重点，地质结构简单的位置，根据钻孔数据源推测合理界面。地质结构复杂的位置则采用多类数据进行综合分析，建模过程需提高对以下问题的注意。

1)全面分析与概化处理，建模前，应收集详细资料，事先分析地质体的成因、结构及其与周边地质体的关系等相关信息。基于工作程度、地质认识等因素的制约，矿带模型无法对全部地质现象进行精细表达，故需结合模型的应用目的精细构建主要建模对象，适当概化其他对象。

2)数据综合分析，地质结构越复杂，数据信息越丰富，这要求更加准确地认知地质现象[4]。然而，来源不同的数据经常发生解释性冲突。基于当前深部探测方式及工作周期的影响，足够的样本数据采集比较难，所以，在综合研究数据时要基于地质调查、钻探等高可信度数据，联合采用重力、磁法、ATM等探测方法做出相应解释。

3)构建概念模型，概念模型以深入研究地质现象为源，经抽象、简化与总结后形成地质认知，然后，利用先验知识说明地质作用与形成原理，或提出相关假设，采用文字、图形等方式进行表达。利用概念模型对基本地质结构与成矿模式做出解释与勾画，为建模方向的准确理解与把握提供便利。

2.3 建立三维钻孔数据库

钻孔数据库对矿带地质勘探与生产勘探的详细信息予以承载，主要包括孔口坐标信息、测斜信息、样品信息与岩性信息，为地质解释、品位推估、采矿设计等奠定重要基础。

2.3.1 收集原始数据

在对钻探工程进行原始编录之时，所需提交的数据与信息比较多，通常有钻孔孔口坐标、角度、深度、勘探线号、矿体岩性、产状、取样工作的起始与终止位置、化验所得数据、测斜深度与角度。收集数据后，将其录至Excel中，以Excel file(*.csv)格式对其进行保存，该格式文件能够被DIMINE软件识别与处理。

具体数据格式表示为：

1)开口文件(COLLAR表)，用以记录探矿工程的开口坐标及深度等相关信息，含钻孔名、时间、北(东)坐标N(E)、高程H、孔深等。

2)测斜文件(SURVEY表)，进行测斜信息的记录，含钻孔名、测斜深度、方位角、倾角等。

3)样品文件(ASSAY表)，进行样品化验信息的记录，含钻孔名、样号、FROM、TO、样长、化验品位、SG、岩性等。

4)岩性文件(GEOLOGY表)，用以记录岩性与相关力学参数等信息，含钻孔名、岩性代码与名称、起止等。

2.3.2 生成数据库

按照标准格式整理得到的各项地质资料，以*.csv格式进行保存，然后，利用软件校验数据间的相互对应关系，确保关联的准确性。

1)将所得数据导入钻孔数据库，以.dmt格式进行基础表的保存。

2)生成与组合钻孔数据库，校验无误后调入相应文件，生成钻孔数据库，可用颜色进行岩性与矿石品级的区分，同时，还可对品位值及岩性名称等属性予以显示。

2.4 建立地表模型

利用全站仪采集矿带数据，然后用CASS软件制作平面图与地形图。以此为基础数据导入三维环境，经测点赋高程完成对数字地表模型的构建任务，然后，按照矿带建筑物高程与材质等数据及信息，将地物轮廓线、道路、地类界等内容准确、直观地添加到地表模型之上，由此完成数字地表模型的完整建立。如图3所示。

图3 地表模型空间三维展布

2.5 建立矿体模型

以已有平剖面图显示的矿体界线为依据执行矿体模型的建立任务。首先，采用数字化与三维空间化手段进行传统平剖面的处理，然后，用三角面片将矿体线框连接起来，得到所需模型。

1)根据编号依次建立矿体，显示矿体线框图层，进行线框连接以实现剖面间矿体的圈定。

2)合并各个模块已得到矿体的整体形态，对其有效性进行检测，判断模型中是否有无效边或不封闭边以及相交三角形等的存在，若所测结果为存在，需对合并方式做出相应的修改，直到得到满意结果。

图4所示为满意状态下的三维可视化矿体模型，该模型清楚地显示了矿体受到NEE方向的构造控制，展布形态相符于实际情况。

图4 三维可视化矿体空间展布状态

2.6 建立块段模型

块段模型以实体模型为约束，可借助于嵌套技术，以单元块的形式对实体模型进行填充完成创建[5]。采用较大固定尺寸单元块进行实体模型的填充难以拟合模型的边界。DIMINE运用变块技术，在创建块段模型之时根据事先规定好的细分方案对实体的每条边界执行单元块的自动细分与取舍操作，确保每一个块段模型都能对实体的几何形态予以真实反映。

块段模型范围的确定需对矿带在空间上的延伸方向与长度进行把握。为进行品位插值，将矿体分布的空间范围划分成一个个小的单元块，单元块的大小取决于勘探线间距、开采段高以及矿体形态复杂程度等因素。理想状态下，单元块的尺寸应能够整除勘探线距与开采段高。以进路间距与炮排间距反映此矿的分层高度，分别为15，18，1.7 m，基本块尺寸10 m×10 m×10 m，为了对矿体的边界进行更加准确与真实的描述，应用次级分块技术，设定尺寸为5×5×5，即可得到与矿体模型对应的块段模型。

3 矿体形态及其构造意义

第一，EN面显示为与矿体的浅部位置相较，深部位置要更加靠近北方，整体上的北倾形态比较明显；在平面上，这一形态显示为与NEE向接近的板面形状，核部呈隆起状态，沿东西方向，两端越来越薄。之所以会出现板状形态，原因可能在于矿带受到EW向F1、F2、F3断层的控制，而在矿体核部，F2对很多来自自身与F1、F3的次级断裂以及张裂脉予以汇聚，这样又加剧了核部的隆起。

第二，NH面显示为矿体主要为北倾，倾角比较大，大约达到50(°)～70(°)。观察地表露头，斑岩体也主要是北倾，南倾比较少见。北倾斑岩体含矿量比较丰富，这可能受到其张性的影响，矿液转移与储藏比较方便，而受到压性性质的影响，南倾斑岩体矿液并不容易进入，这导致矿体边部千枚岩比较多。另外，破碎带内的矿体南北倾向同时存在，但主要仍是北倾，倾角比较小，大约在20(°)～40(°)之间，南倾倾角较大，约在55(°)～70(°)的范围。此区域F1、F2、F3为控矿断裂，一系列次级构造(如北倾次级断裂与张裂脉、南倾次级断裂与张裂脉)集中在F2位置处，内含矿热夜的沉积场所得以形成。千枚岩中矿体的发育多沿破碎带进行，分布并不集中，矿体数量多、规模小。观察实际露头，千枚岩中矿体的品位并不高，以破碎带为核心，向四周分散并降低。

EH面显示为矿体的深部存在有长达400 m的延伸，且厚度比较稳定，变化不大，这可能受到工程控制程度的影响，如果加强外围工程对矿体的控制，矿体的延伸与厚度变化有可能会变得更加平缓[6]。

4 结 论

利用系统进行矿带地质资料的收集，经数字化处理完成地质数据库的创建，应用DIMINE平台建立三维矿体模型，并对模型形态及矿带构造进行研究，得出以下结论：

1)DIMINE平台构建三维可视化矿体模型可直观且全面地反映矿带地质信息，既有利于对矿带地质状况的重新把握，又能实现对矿体形态及展布规律的深入了解，发展传统平面地质，为以后矿产开采提供理论参考。

2)三维地质模型能够反映矿体三维分布状态与矿带三维地形态势，详细与细致地呈现矿带的实际情况。

[1] 周志勇，陈建宏，杨立兵.大型矿山地矿工程三维可视化模型的构建[J].中南大学学报(自然科学版)，2008(3)：423-428.

[2] 张洋洋，周万蓬，吴志春.三维地质建模技术发展现状及建模实例[J].华东理工大学学报(社会科学版)，2013(3)：403-409.

[3] 邵亚建，饶运章，何少博.基于3DMine软件的复杂矿体三维建模及储量估算[J].有色金属科学与工程，2016(4)：98-102.

[4] 杨波，杜建国，胡海风，等.深部矿产地质调查中多元数据三维地质建模技术研究—以铜陵矿集区为例[J].华东地质，2017(3)：218-227.

[5] 冯武.北洺河铁矿三维可视化采矿设计流程再造与生产计划编制优化研究[D].长沙：中南大学，2014.

[6] 周洁，王根厚，崔玉良，等.基于3D Mine的阳山金矿安坝矿段三维建模研究及矿体形态分析[J].地质与勘探，2017(2)：390-397.