任 紅，楊永剛，楊 欣

( 1.合肥工業(yè)大學(xué) 電子科學(xué)與應(yīng)用物理學(xué)院，安徽 合肥 230009；2.安徽省煤炭科學(xué)研究院，安徽 合肥 230001； 3.合肥工業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

礦圖是礦山企業(yè)組織生產(chǎn)、合理利用資源、確保安全生產(chǎn)必不可少的重要技術(shù)資料，對(duì)于采礦設(shè)計(jì)、編制采掘計(jì)劃、指導(dǎo)巷道掘進(jìn)和合理安排回采工作面及各種工程需要都具有重要作用。它反映了井下巷道及礦體、圍巖產(chǎn)狀與各種地質(zhì)破壞情況等復(fù)雜的空間關(guān)系，測(cè)繪內(nèi)容多，且多為二維平面圖。

二維礦圖可視性差，缺乏立體感，容易產(chǎn)生誤解，并且不易于向非專業(yè)人員展示。三維礦圖具有直觀、交叉關(guān)系清楚、視覺效果顯著等優(yōu)點(diǎn)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，三維礦圖在我國煤礦三維建模的研究以及利用處于發(fā)展階段，并隨著煤礦生產(chǎn)管理現(xiàn)代化進(jìn)程的發(fā)展，對(duì)圖形的可視化要求也越來越高[1-4]。

礦山中與空間位置直接有關(guān)的空間信息(如地形地貌、礦體形態(tài)、地質(zhì)構(gòu)造、開采位置等)數(shù)字化、礦體三維模型的建立和可視化技術(shù)是數(shù)字礦山的關(guān)鍵支撐技術(shù)之一[5-6]。應(yīng)用礦床模型在三維環(huán)境中多角度、多視點(diǎn)、全方位的動(dòng)態(tài)觀察、分析，可提高生產(chǎn)決策和生產(chǎn)組織的質(zhì)量、水平，進(jìn)而提高礦山經(jīng)濟(jì)效益。

1 研究區(qū)域概況

淮北礦業(yè)股份有限公司海孜煤礦位于安徽省濉溪縣境內(nèi)，海孜煤礦1987年投產(chǎn)，設(shè)計(jì)產(chǎn)量1.2Mt/a，實(shí)際產(chǎn)量1.59Mt/a。礦井井田走向長約11km，南北寬約2.6km，面積26.7km2。主采煤層7，8，9，10共4個(gè)煤層，可采煤層累計(jì)平均厚度10.23m。礦井分3個(gè)水平開采，分別為-265～-475m，-475～-700m，-700～-1000m水平。該礦地質(zhì)條件復(fù)雜，斷層等地質(zhì)構(gòu)造較多，煤層賦存不穩(wěn)定，采深也較大，且礦巖漿活動(dòng)較為強(qiáng)烈，共有79個(gè)鉆孔見巖漿巖，占鉆孔總數(shù)的32%，巖漿巖層距離7煤平均高度為61.3m。巖漿巖平均厚度達(dá)117～136m，其中以沿5煤層侵入的趙廟巖漿巖體侵入規(guī)模最大，走向綿延6.5km，最大厚度達(dá)169.18m。4，7，9，10煤層均有不同程度地侵入，巖漿巖對(duì)本礦煤層的影響及破壞主要表現(xiàn)為：吞蝕、穿插、切割、變質(zhì)(局部蝕變?yōu)樘烊唤?。

7煤層位于下石盒子組下部，上距4煤層平均244.4m，煤厚0～7.17m，平均2.03m，變異系數(shù)為66.9%，可采性指數(shù)為85%，煤層傾角18°，該煤層結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，以單一煤層為主，屬不穩(wěn)定煤層；8煤層位于7煤層下，平均層距22m，煤層平均厚度1.4m，厚度變化較大，僅局部可采，變異系數(shù)67.5%，可采性指數(shù)71%，屬于極不穩(wěn)定煤層；9煤層位于8煤層下，平均層距3.1m，煤層結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，平均厚度2.43m，煤層變異系數(shù)71.4%，可采性指數(shù)91%；10煤層位于山西組中部、9煤層下，平均層距84m，煤層平均厚度2.67m，變異系數(shù)39.7%，可采指數(shù)92%，屬較穩(wěn)定煤層。

截止2009年底，礦井的一水平煤層開采已接近尾聲，礦井將逐漸轉(zhuǎn)入二水平生產(chǎn)；礦井已回采井田面積約9.5km2，其中有火成巖侵入的開采面積約為1.07km2，到目前為止，礦井主要是在沒有火成巖侵入的區(qū)域進(jìn)行開采；井田剩余未開采面積約10.5km2，而其中約8.9km2為火成巖侵入?yún)^(qū)，火成巖侵入?yún)^(qū)約占礦井未開采面積的85%。

大面積、巨厚、堅(jiān)硬火成巖賦存于開采煤層的上覆巖層中，當(dāng)煤層開采后，由于火成巖厚度大、面積大和強(qiáng)度高，采場(chǎng)上方的火成巖很難斷裂、垮落、沉降，承載著自身及其上覆直至地表的全部巖層的重量，并將其轉(zhuǎn)嫁到采場(chǎng)周邊未采區(qū)的煤體和巖體上，從而使采場(chǎng)周邊的煤體或巖體中產(chǎn)生應(yīng)力集中，并隨著礦井開采范圍的擴(kuò)大，應(yīng)力集中度不斷增高。當(dāng)超過煤體或巖體所能承受的極限應(yīng)力時(shí)，礦井將發(fā)生沖擊地壓、煤與瓦斯突出、礦震等礦井動(dòng)力災(zāi)害。因此建立三維模型，將抽象的空間信息可視化和直觀化，同時(shí)為后期三維數(shù)值計(jì)算、圈劃采場(chǎng)圍巖高應(yīng)力區(qū)提供平臺(tái)是十分必要的。

2 平臺(tái)選擇及技術(shù)特點(diǎn)

2.1 開發(fā)數(shù)據(jù)庫選擇

鑒于本礦建立三維模型的基礎(chǔ)資料多為空間信息而且格式豐富，利用地理信息系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱GIS)軟件是比較理想的選擇。GIS是由計(jì)算機(jī)硬件、軟件和不同的方法組成的系統(tǒng)，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)支持空間數(shù)據(jù)的采集、管理、處理、分析、建模和顯示，以便解決復(fù)雜的規(guī)劃和管理的問題。GIS是以可視化和分析地理引用信息為目的，用于描述和表征地球及其他地理現(xiàn)象的一種系統(tǒng)。三維GIS突破了空間信息在二維平面中單調(diào)展示的束縛，為信息判讀和空間分析提供了更好的途徑，并將抽象難懂的空間信息可視化和直觀化。

2.2軟件選擇

采用 ArcGIS10軟件建立海孜礦礦井三維建模。ArcGIS提供了豐富的三維數(shù)據(jù)編輯、三維模型分析和三維數(shù)據(jù)共享機(jī)制，一體化管理矢量數(shù)據(jù)、柵格數(shù)據(jù)和地形數(shù)據(jù)，支持三維環(huán)境測(cè)量、通視分析和地下三維分析等強(qiáng)大的空間分析功能[7-9]。

2.3 建模技術(shù)方案

本次研究?jī)?nèi)容包含數(shù)據(jù)預(yù)處理、三維建模、巖層三維模型和模型的應(yīng)用4個(gè)主要的內(nèi)容，所應(yīng)用的技術(shù)方案如圖1數(shù)據(jù)處理流程圖所示。

圖1 三維建模的數(shù)據(jù)處理流程

3 三維數(shù)字建模

3.1 建模范圍

根據(jù)海孜礦礦井綜合采掘工程平面圖、海孜礦7，8，10煤層等高線圖、海孜礦火成巖等厚線圖以及井田鉆孔柱狀圖素描(共60個(gè)鉆孔)等資料制作海孜礦礦井地下12個(gè)巖層的三維數(shù)字模型，巖層由上及下分別為地表、第四系(地表至火成巖之間的沉積地層)、火成巖、砂巖層、砂質(zhì)泥巖層、砂巖層、7煤層、7煤層與8煤層之間的沉積巖層、8煤層、8煤層與10煤層之間的沉積巖層、10煤層、10煤層之下的沉積巖層，包括砂質(zhì)泥巖和砂巖。由于9煤尚未回采，暫不考慮。

3.2 鉆孔插值

表面插值即根據(jù)采樣點(diǎn)值創(chuàng)建連續(xù)(或預(yù)測(cè))表面，由于本次收集到的鉆孔數(shù)為4線、5線、3-4線、4-5線、5-6線、18線、19線、20線、21線和22線共10條勘探線上的60個(gè)鉆孔，不足以建立較為光滑的三維模型，分辨率較低，不能提供直觀的曲面趨勢(shì)。因此，本次建模采用克里格(Kriging)插值方法進(jìn)行基于鉆孔的巖層三維模型的構(gòu)建，該插值是以變異函數(shù)理論和結(jié)構(gòu)分析為基礎(chǔ)，在有限區(qū)域內(nèi)對(duì)區(qū)域化變量進(jìn)行無偏最優(yōu)估計(jì)的一種方法，鉆孔三維模型見圖2。

圖2 鉆孔三維可視化

3.3 巖層三維模型及應(yīng)用

在鉆孔插值的基礎(chǔ)上得到各巖層的不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)和等高線，以此為三維巖體模型的頂?shù)捉缑?，研究區(qū)為范圍界限建立了海孜礦井三維巖層采礦工程圖的三維數(shù)字模型，具體見圖3至圖5，三維模型的建立有助于巖層三維空間形態(tài)的可視化，并可以對(duì)模型進(jìn)行任意的裁剪和獲取任意方向的剖面。

圖3 海孜礦火成巖三維模型

圖4 海孜礦7煤三維模型

圖5 海孜礦巖層三維剖切模型

4 結(jié)論

(1)根據(jù)海孜礦礦井綜合采掘工程平面圖、煤層等高線圖、火成巖等厚線圖以及礦井田鉆孔柱狀圖等資料，利用ArcGIS地質(zhì)軟件制作完成了海孜礦礦井所研究巖層的三維數(shù)字模型。將抽象的空

間信息可視化和直觀化，突破了空間信息在二維平面中單調(diào)展示的局限性，為信息判讀和空間分析提供了更好的途徑。

(2)從平臺(tái)建模效果來看，采用ArcGIS軟件能夠保證模型的精細(xì)程度和真實(shí)生動(dòng)效果，能夠準(zhǔn)確形象地表達(dá)地質(zhì)體以及地質(zhì)構(gòu)造的空間位置關(guān)系，完成的模型可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)瀏覽，并制作漫游視頻，提高了可視效果。

(3)以海孜礦巨厚火成巖下開采礦井三維數(shù)字建模為例，詳細(xì)闡述了礦井三維地質(zhì)模型的建立過程及其應(yīng)用，對(duì)其他礦井建立三維數(shù)字模型具有較強(qiáng)的參考價(jià)值。

[參考文獻(xiàn)]

[1]花向紅，夏 真，向 東，等.地面數(shù)字化測(cè)圖模擬與仿真平臺(tái)的三維可視化[J].測(cè)繪信息與工程，2012，37(3)：37-39.

[2]程 娟，錢 晉，錢 鈳.基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的煤炭開采場(chǎng)景與過程的模擬實(shí)現(xiàn)[J].煤炭技術(shù)，2012，31(6)：98-99.

[3]陳漢章，劉 紅.露天煤礦地質(zhì)體層面模型及可視化應(yīng)用研究[J].山西煤炭管理干部學(xué)院學(xué)報(bào)，2010(4)：170-172.

[4]霍躍禮.煤礦掘進(jìn)炮眼布置及其三維建模研究[J].科技論壇，2012，31(6)：60-61.

[5]朱延華，黃士紅.三維巷道建模及可視化的初步研究[J].科技信息，2012(19)：67-68.

[6]李 梅，董 平，毛善君，等.地質(zhì)礦山三維建模技術(shù)研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2005，4(33)：46-49.

[7]郭獻(xiàn)濤，劉文生，孫勁光.一種顧及礦區(qū)地形特征的開采沉陷三維可視化實(shí)現(xiàn)方法[J].測(cè)繪科學(xué)，2012，37(4)：138-139.

[8]曾思美，董少坤，韓 軍.礦區(qū)地面場(chǎng)景三維建模與可視化研究[J].大眾科技，2011(7)：122-124.

[9]鄭家榮，周 葉，王 強(qiáng)，等.地礦真三維建模分析[J].有色金屬，2012，3(64)：79-82.