基于3DMine的老屋基矿地质模型构建与应用

刘发勇 田祥贵 何 林

（贵州盘江煤电集团技术研究院有限公司，贵州 贵阳 550081）

老屋基矿是三线建设时期的矿井，矿区地质环境资料通常是用平面图、钻孔柱状图、剖面图、岩性煤层编录表等来反映，对生产技术人员的专业知识要求较高，不能实现直观地展示矿区生产现状，更不能满足现在数字化矿山、信息化矿山、智能化矿山的需求。

3DMine矿业软件已在矿山测量、露天深孔台阶爆破、资源储量估算、露天矿境界优化、三维地质建模等方面取得较好的应用[1-6]。本文以三线建设时期矿井老屋基矿为研究区，通过对钻孔数据处理、三维地质建模、巷道建模等，实现老矿区的基础数据的数字化、可视化应用，以期助力提升矿井生产安全，逐步实现数字矿山应用，并为智能矿山、智慧矿山奠定基础。

1 老屋基矿概况

矿区地处云贵高原东侧斜坡地带，盘关向斜北西翼北段，由于受北盘江及支流的强烈切割，地势起伏变化较大，整体地形地貌属高原山地类型。矿区面积16.614 5 km2，开采深度+1100～+1800 m标高。出露的地层由老至新有：二叠系中统茅口组（P2m）、上统峨眉山玄武岩（P3β）及上统龙潭组（P3l）、三叠系下统飞仙关组（T1f）、下统永宁镇组（T1yn）及第四系（Q）。矿区含煤地层龙潭组（P3l），按地层岩性特征分为上中下三段。上段（P3l3）：龙潭组顶部～12号煤层顶板，含可采煤层3层（3、4、10号煤层），可采煤层平均厚度分别为1.18 m、1.18 m、1.34 m；中段（P3l2）：12号煤层顶板～22号煤层顶板，含可采煤层7层（12、14、15、16、17、18、20号煤层），可采煤层平均厚度分别为3.19 m、1.54 m、1.70 m、1.37 m、1.45 m、2.07 m、1.52 m；下段（P3l1）：22号煤层顶板～龙潭组底部，含可采煤层2层，即22、24号煤层，可采煤层平均厚度分别为1.34 m、1.43 m。

2 数据处理

2.1 钻孔数据

地质钻孔数据是矿山信息化中三维地质建模的基础和前提，也是矿山进行开采设计和资源评估及储量计算的数据基础，矿山三维地质建模工作中最重要的环节就是对钻井时获得的钻孔数据信息的采集及分析处理[7]。由于矿区生产历史长远，部分资料缺乏有效管理，许多钻孔数据是50—60年代的工程图纸数据，因此在3DMine软件中建立钻孔数据库之前，需要对矿区钻孔数据及图纸进行数字化。钻孔数据库包括定位表、测斜表、岩性表、品位表四个基本表格。定位表记录钻孔在三维空间中的位置，测斜表记录钻孔下钻过程中的倾角、方位角、测斜深度等数据，岩性表用于存储地层岩性、描述等信息，品位表存储钻孔样品的分析结果。

2.2 巷道测量数据

在矿井生产掘进过程中，大部分测量工作是在井下进行的，由于井下测量工作的条件限制，地面上的许多先进快捷的测量仪器还不能用来进行井下测量。全站仪、水准仪进行导线法测量巷道是现今矿山井下测量主要方法，通常在巷道掘进的过程中对巷道转折点、巷道交叉点、巷道高程变化点等位置进行中心线测量，通过导线角度、边长及高程的测量来完成巷道待测点的测量及导线网的布设。巷道高程及平面坐标的测量通常采用一井定向传递，从巷道主井进行测量导线的传递，从而与地面建筑建立统一的坐标控制网。在3DMine软件中通过井下巷道测量数据的编辑，得到巷道中心线的三维数据。钻孔数据与巷道测量数据叠加效果图如图1。

图1 钻孔数据与巷道测量数据叠加效果图

3 模型构建

3.1 地表模型构建

地表模型的精度受地形图精度的影响，以往的地表模型构建主要是通过矿区地形图提取等高线来构建，3DMine软件可根据等高线文件构建DTM表面，快速生成矿区地表模型，但矿区地形图资料时效性差且无DLG数据。因此本次采用无人机低空航测法进行像片数据采集，并通过地面像控点进行空三加密解算，并生成点云数据，通过CloudCompare软件对房屋、桥梁、树木等非地表点进行点云滤波处理，得到地面的点云数据，通过3DMine导入地面点并生成不规则三角网（TIN）构建地表表面模型，进行渲染和显示等效果处理。老屋基矿地表模型效果图如图2。

图2 老屋基矿地表模型效果图

3.2 地质模型构建

三维地质模型的构建是煤矿数字化、信息化的又一重要基础，只有实现了三维地质模型的可视化，才能提升煤矿数字化的应用水平。三维地质建模包括地层岩体三维模型、矿体三维模型、断层三维模型、地层顶底板划分与构建等。在3DMine软件中，通过连接钻孔数据库采用全地层自动建模功能，格网间距设定为50，钻孔之间的加密插值方法选用曲面拟合插值法，其插值原理是通过零散的钻孔数据采用函数公式进行插值拟合，从而得到连续的曲面构建地层模型[8-10]。三维地质模型效果图如图3。

图3 三维地质模型效果图

3.3 巷道模型构建

巷道模型构建的关键在于巷道交叉口的处理，3DMine软件对于巷道交叉口的处理实现了连续性，通常巷道的属性包括巷道的长、宽、高以及拱顶高四个参数，其高度和宽度一般在一定范围内是固定的，巷道长度随挖掘工作的推进而增加。井下巷道测量得到的是一系列包含XYZ空间坐标值的点，通过对点数据的连接即可得到巷道中心线数据，以巷道中线作为基础数据，通过巷道宽度、高度及拱高即可实现巷道的三维建模。3DMine软件提供了多种巷道建模的方法，包括手工绘制、中线生成、腰线建模等，本次基于巷道测量数据的巷道中心线文件，选用中线生成方法，巷道模型选用三心拱，首未两端不封闭建模，从而得到整个矿区的巷道三维模型。巷道模型整体与局部模型效果图如图4。

图4 巷道模型整体与局部模型效果图

4 剖面分析与应用

地质剖面是煤矿开采设计的重要支持数据，传统的地质勘探线剖面分析只能针对固定的视角、固定的位置进行分析，通过3DMine软件可建立动态剖面管理，实现剖面沿X、Y、Z三轴的可视化动态剖面浏览，查看煤层、巷道、工作面等的相互关系，并可制作任意的角度剖面成果，进而为煤矿开采工作面的设计及实际生产掘进工作的开展提供参考依据，实现煤矿开采生命周期的三维数字化展示。三维地质模型剖面分析效果图如图5。

图5 三维地质模型剖面分析效果图

5 结语

本次利用3DMine软件进行老屋基矿的基础数据数字化处理，实现了三维地表建模、三维地层建模、巷道建模等，可直观展示出矿区三维地层、巷道、工作面等分布情况，为老屋基矿的数字化、信息化转型提供了数据支持。通过对三维地质模型的剖面分析应用，可为矿山的设计生产、掘进、开采等工作提供重要依据，奠定了信息化、可视化生产的基础。但矿山三维可视化应用是各大系统的集成，未来在基于工业互联网的智能控制还需更深入地研究与应用，才能真正实现生产的数字化转型。