矿山地质结构中的数学模拟架构构建研究

张发荣

（甘肃畜牧工程职业技术学院，甘肃 武威 733006）

矿山的地质结构是一个复杂多变的固、液、气混合系统，矿体形态大多深埋地下边界不清，容易受到多种因素的影响。为了防止人类活动和开采工程破坏矿山的地质环境，引发地质灾害，给我们的资源开采和生产安全造成危险,应通过地质勘探技术，勘量矿山的地质数据，并利用空间数据模型对矿山区域的地下空间结构进行三维立体建模，构建数学模拟架构，使矿山的地质结构更加参数化、可视化、立体化，也使我国的地质勘探部门对矿山的开采设计、模拟开采和采矿动态影响方面更加科学准确[1]。

1 数学模拟架构的设计原则

设计矿山地质结构的数学模拟架构，主要是让地质勘测人员借助数学分析工具对矿山的勘测数据进行深度加工，从而将矿山的地质结构以三维立体形式表现出来[2]。由于不同矿山的地质结构具有差异性，因此需要建立不同形式的数学模拟架构。并且矿山地质结构的空间形态和拓扑关系大多十分复杂，因此，在构建数学模拟架构的过程中，应符合以下几点原则：一、数学模拟架构应储存矿山地质形态的多种属性信息；二、数学模拟架构必须能够准确表达矿山地质结构中各形态要素间的拓扑关系；三、构建数学模拟架构能够使专业人员更加方便地分析矿山地质结构，并编辑勘测数据。因此，要根据矿山的地质结构和数据源的不同，构建针对性的数学模拟架构。

2 矿山地质结构中的数学模拟架构的构建

在构建矿山地质结构的数学模拟架构过程中，应根据矿山地质勘测数据的特点，通过地层属性数据建立具有空间几何结构的地质数据模型。

2.1 数学模拟架构的基本组成

矿山地质数学模拟架构主要由以下几方面构成：①地质属性。主要表达的是矿山地层的岩性特点、地质时代变迁等等，这些地质要素都属于数学模拟框架中的地质属性。②点和节点。点指的是数学模拟框架中某个单一坐标点，节点指的是地层弧线上的某个端点，记录相关的弧线变化数据。③线段。指的是数学模拟结构中连接点和节点之间的直线或曲线段，在地质学中也被称为弧段，是构建地质面模型的重要要素，主要通过地质节点来表示弧段之间的拓扑关系，可分为断层线、分界线以及地层辅助线等等。④三角面。由模拟架构上的三个点连接而成的三条线所围成的面积，可以表示一定的地质点信息。⑤子面。子面又称地质面，是地质块体的基本构成单位之一，由三角面的列表组成。每个地质面都有自己的点集，不同地质面的拓扑关系由地质线来表达，地质边界线的方向必须和三角面的相同。⑥块体。又称地质体，由子面组成，具有连续、闭合、有限等特性，在同一数学模拟架构中，可以有多个同种几何块体存在。⑦地质要素。简单地质要素就是几何块体加上地质属性，复杂要素是由多个简单要素组合构成的。构建地质数学模拟架构要素的结构关系如下面的图1所示：

图1 数学模拟架构中地质要素结构示意图

2.2 数学模拟架构的逻辑组织

矿山地质结构主要有线状、面状和块体三种类型。其中线状架构的要素包括线性构造和地质面交线；面状架构的构成要素包括断层、层理和节理[3]。架构数据也有不同的类型，包括剖面数据、钻孔数据、等值线数据以及地质构造图等。节点、线段、地质面、块体以及地质属性，共同构成了矿山地质数学模型架构的地质要素。在数学模拟架构中，他们被称为地质点要素；地质线、边界线和断层线要素；剖面、地质面、断层面要素；矿体和地质体要素等。不同的地质体构成了地层面，多个地层面最终组成了矿体地质模型。因此，地质数学模型是一种由多层要素共同构成的复杂组合，不仅包含地质属性信息，也具有一定的空间几何结构。

2.3 数学模拟架构的拓扑关系

拓扑关系指的是在数学模拟架构空间内，地质要素经过旋转、伸缩等拓扑变换后保持不变的空间关系，是描述空间要素联系的基本性质，也是拓扑变换中的不变量[4]。利用GIS平台来构建数学模型架构，可以清楚看到各地质要素之间的拓扑关系，最主要的就是包含、相接和关联三种拓扑关系。近些年来，随着计算机技术的更新换代，GIS的拓扑管理功能也在日趋完善，通过记录模型要素的拓扑信息，计算机能够重建地质要素的拓扑关系，以提高计算效率。一般来说，矿山地质数学模型要素的拓扑关联方式主要有点和弧段之间、弧段和面之间、块体和块体之间、块体和要素之间以及要素和要素之间，当然，有时也会出现一对多或多对多的情况。

3 矿山地层数据的参数化表达

矿山地层的划分是根据矿山的地质勘测、钻井和地震资料等提供的数据，结合地相沉积环境和矿山岩性特征对地层的数学模拟架构进行综合地质划分[5]。根据矿山地层的划分，可以用数学参数的方式表示地层要素，使数学模拟架构中的地质数据更加标准化。划分的矿山标准地层包括地层的序号、岩性、颜色等，根据地层的层次关系，可以利用不同节点的具体数据，表示标准地层的整体层次结构，因此矿山地层的参数化也就是地层节点的标准数据参数化，具体示例如下面的表1所示。

在矿山地层的参数化表达过程中，钻井、剖面或地层顶部、底部的节点数据一般可以作为标准化参数引用到地层节点信息当中。

对于简单的层状矿山地质结构来说,地层的层次关系一般都能遵循标准化地层的参数特征。但对于地质结构复杂的矿山地层而言，虽然地层参数信息符合参数标准，但可能会存在构造发育或基岩出露的现象，所以地层的上下结构和临接关系并不完全符合标准地层要求。

4 结束语

构建矿山地质结构的数学模拟架构是一项十分繁杂的工作，对于地质属性的描述只能近似，暂时无法做到完全还原事实。

本文由于篇幅的限制，对于矿山的空间形态分布以及矿体地质结构的拓扑关系的分析还不够深入，对矿山地层数据的参数化表达方面的研究也不够全面，相信随着地质勘测手段和计算机技术的不断进步，对矿山地质勘测的理论分析和实践探索一定能得到更加长远的发展。