关于数字矿山中三维地质建模方法及应用研究

曲鑫

摘 要：3D地质创模是建立数字矿山的重要前提条件，为矿业发展提供了新的机遇与动力，同时也遇到了很多急需处理的难题。本文根据矿山数据特征和数字矿山建立目标，本文详细分析了3D地质创模的体系结构，并阐述了数字矿山中3D地质创模方式的使用。

关键词：数字矿山；三维地质创模；体系结构；应用分析

中图分类号：TP391.41 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）11-0189-01

因3D空间信息采集存在艰难性与地质体繁琐性特征，3D地质模拟通常是经分析、解释、推断、内插与外推等创建地质模型。针对石油项目的三维地质创模能使用大量地震剖面信息，而数字矿山创建环节，因取样信息稀疏、数字模型不统一和缺少指导地质创模的有效规则等，导致对地质信息及概念的表述非常困难，不确定性现象尤为突出，影响到3D地质模型的质量管理及评估。三维创模的各环节均可能存在不确定性因素，如不同的检测信息格式、分布和不同的创模观念、模型、参数选择等均可能影响到创模进程，通常导致无法准确地明确研究物体的空间分布和各种属性，怎样在各环节展开不确定性研究并有效避免不确定性的扩展是尚待处理的重要问题。

1 三维地质创模体系结构

在生态资源评价与风险评估等研究过程中，经收集户外与地下信息建立3D地质模式是个很关键的工作。但是，现有的探究成果和3D创模目标间还存在很大的差异。很多研究只是停留于实验室阶段。本文针对三维地质创模系统展开详细分析，其基本流程是：

（1）采用地质信息收集与处理设备，经本地和远程服务采集信息。数字矿山具有多元化特征，经信息采集、整理划分、分析及推断判别等过程，对数字矿山加以解释和判别，成为3D地质创模的关键依据，这是一件专业性、技术性很强的工作。（2）结合资料解释和判别结果，划分研究范围的地质信息，借助接口引擎引入多源地质资料，并根据三维地质创模系统规定的信息格式，实现信息的矢量化、参量域转变、增补信息、信息校验检测与修正等多种信息耦合处理[1]。因空间地质信息的来源、格式、呈现模式、量纲等存在多元性，信息不完整性与不统一性成为其最严重的问题，并极大影响到地质创模的质量。通过耦合处理后的信息会作为3D创模的依据。（3）对经接口引擎引入的多源地质信息进行归一化、除噪与编码等处理，使其实现一体化，为闯进科学的地质模型带来有效的信息及科学依据。（4）里用点建模、线框建模、表面建模、体元建模和混合建模方法，分别创建地面模型、地层模型、断面模型、矿身模型、属性模型、项目模型、矿山制造设备模型等[2]。若干种建模方式集成需要处理的关键问题有：空间插值方式、断层或矿身等繁琐地质体空间布局的不确定性与创模方式、表面结构的无缝衔接和体元构模准确性等。（5）在多辨别率可视化条件下，根据空间数据质量检查模型，通过研究3D地质创模流程每个环节中干扰空间信息质量的因素，展开定量及定性统一评估，并允许追溯到（1）-（3），实施偏差检测和分析校准。（6）对创建的模型实施质量检测和修正后，能提供给地质开发者利用。实现地质实况模拟、项目开挖模拟、生态环境模拟、开采计划设计、资源储量预算、等值线获取、空间信息查询、信息库查询、信息挖掘等多维信息分析。当前，有些操作也会采取质量检查研究机制，若发现问题，也能追溯到（1）（3），实施偏差校正，以充分确保模型的稳定性。（7）3D地质创模在数字矿山中的使用涉及地下水模拟、矿山品位与储量估算、测控与开挖辅助设计等。当前的研究成果与软件广泛注重空间3D表示手段，不能提供科学的辅助处理设计及决策支撑，处理矿山实际事件的能力与深度尚待提升。

2 三维地质创模在数字矿山中的使用

在数字矿山开发中，3D地质创模的基本流程为：创建一模拟一校正。以3D地质模型为前提，展开资源储量预算、矿山规划和设计、优化开采计划、数字矿山综合化显示及监控、风险评估，提供矿山勘察、复垦等多种决策依据，给矿山开发各环节的任务提供科学的技术支撑，增大矿山开挖效率。

（1）3D地质创模。通过矿山勘探采集多源数据，采取多源信息耦合、多种创模方式集成、多辨别率可视化及检测等途径，创建矿山的3D地质模型。（2）矿体资源模拟和预测。经钻孔模型分析与虚拟开采井的虚拟，明确矿床布局；矿体产状朝着研究区外扩展，预算资源量；统一分析和评估矿床品位、布局及储量等。（3）数字矿山规划与设计。经研究矿产资源布局、储量等状况，并模拟采矿过程，编制出采矿方案、开采进度、生产管理策略及优化控制等，促进数字矿山规划及设计工作的顺利开展，由此减小开采风险与采矿费用，加大回采率。在全面论证其可行性的同时，能实施矿山实际开采。（4）仿真场景可视化综合。把三维MAX或AutoCAD等系统建立的采掘项目、防排水结构、机电设施、监控设施、地面厂房、交通设备等3D模型，经调换接口，和3D地质模型实现无缝统一，实现仿真数字矿山地面、地下的统一化显示；另外，因开采环节可能揭露了新的或再次解释了现存的结构、矿体等，要求由此校正3D地质模型，而且，也要进一步把新出现的地下采空范围、巷道等信息录入到模型内。（5）集中数字化信息控制。针对复杂的矿山采矿，创建测控、员工定位、通迅联络和安全运作状态等集中信息的网络化预警机制，为矿山稳定生产管理带来决策依据，防止重大安全故障与员工伤亡[3]。（6）灾害仿真评估、对矿井冒水、瓦斯爆炸等灾害问题进行虚拟、预测和评估；对地表坍塌或开裂程度及范围等展开模拟分析；分析和评估采空区的稳固性，为矿井灾害预防提供依据，若出现类似灾害应当及时对3D地质模型实施局部校正。（7）矿山环境复原出理。结合模拟预测于矿山开发阶段所产生的环境地质现象及灾害，建立出矿山地质条件的修复出理措施，为数字矿山地质区域保护和复垦带来定量化的有效依据。

3 结语

国内矿山由勘察、规划、设计、开采、管理至监控等数字矿山创建依旧处在起步过程，其中，3D地质创模是促进数字矿山建立的重要条件，为矿山行业的发展提供了新的机遇及动力，同时也带来了很多急需处理关键性技术问题。

科学合理的使用三维地质创模系统，可充分使用矿山信息，在空间数据质量检测管理下，经模拟现实、可视化等方法建立科学的3D模型、對地下资源加以科学解释与评估，为数字矿山发展提供有效支撑。该系统还适合在地质、石油、城市及水利等各个领域的地质环境调查、3D地质创模及应用等过程中，为各学科的协调建立一个共享的数字系。

通过长时间的探究，国内外已有诸多的研究成果及商业化结构，但在矿山现存的勘探环境，怎样提升3D地质模型及资源模拟准确度、科学评估空间数据可信度，和怎样指导数字矿山的规划与设计工作、加大灾害模拟评估的精准性，为安全控制带来有效的决策依据，增加矿山生产率等，依旧是3D地质创模领域急需深入思考与研究的问题。

参考文献

[1]周邓.基于3Dmine的邹家山铀矿床三维地质模型的构建[D].东华理工大学，2016.

[2]李青元，马梓翔，崔扬，陈春梅，董前林.Geo3DML在三维地质建模中的应用研究与建议[J].地质学刊，2015，39（03）：358-366.

[3]曾梦秋.基于钻孔数据的三维地层模型建立及工程应用研究[D].武汉工程大学，2014.