何利輝

為了改善傳統(tǒng)的煤炭礦井地質(zhì)信息管理模式，減少空間信息的損失與失真，基于三維地質(zhì)建模在數(shù)字礦山系統(tǒng)構(gòu)建過(guò)程中的重要性，提出一種MicroStation平臺(tái)下標(biāo)準(zhǔn)、便捷的煤礦三維地質(zhì)建模技術(shù)，利用地質(zhì)勘探基礎(chǔ)資料進(jìn)行空間信息建模，目的在于保持?jǐn)?shù)字化工程設(shè)計(jì)的正向性，并對(duì)三維地質(zhì)信息模型進(jìn)行了利用性分析。

煤炭礦井三維地質(zhì)建模技術(shù)是礦產(chǎn)勘探與開(kāi)發(fā)領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，是地質(zhì)體可視化、礦產(chǎn)資源分布、井巷設(shè)計(jì)等工作的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的礦井信息管理基于地質(zhì)、井巷等紙介質(zhì)圖件，以人為管理為主，地質(zhì)信息的模擬與表達(dá)是采用二維圖，其實(shí)質(zhì)是將三維環(huán)境中的地層與地質(zhì)現(xiàn)象投影到平面上進(jìn)行表達(dá)。這種方式存在空間信息的損失與失真，而且過(guò)程復(fù)雜，信息更新困難，不具備查詢及幾何量算等功能。三維地質(zhì)模型可以幫助決策者從空間角度去理解地質(zhì)體，并利用可視化交互手段實(shí)現(xiàn)對(duì)地質(zhì)體進(jìn)行多角度、多方位的瀏覽與查詢。數(shù)字礦山已成為礦山信息化的發(fā)展方向，而煤炭礦井三維地質(zhì)建模技術(shù)是數(shù)字礦山系統(tǒng)構(gòu)建的重要內(nèi)容和關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)提高生態(tài)化礦井安全生產(chǎn)能力和科學(xué)管理水平具有重要的理論意義和廣泛的應(yīng)用前景。

背景技術(shù)

三維地質(zhì)建模理論的提出和發(fā)展與地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)的發(fā)展緊密相聯(lián)，地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)的發(fā)展得益于20世紀(jì)50年代D.G.Krige對(duì)克里金技術(shù)的研究，國(guó)內(nèi)對(duì)三維地質(zhì)建模研究始于上世紀(jì)80年代，標(biāo)志是對(duì)EarthVision軟件的引入。三維地質(zhì)建模技術(shù)在不同領(lǐng)域因研究角度的不同，其側(cè)重也是有差異的，因此建模方法也多種多樣，按照建模使用的數(shù)據(jù)源可以分為基于鉆孔數(shù)據(jù)建模、基于剖面數(shù)據(jù)建模、基于多源數(shù)據(jù)建模等。三維地質(zhì)建模技術(shù)廣泛應(yīng)用于區(qū)域地質(zhì)調(diào)查、礦產(chǎn)資源勘探、礦井設(shè)計(jì)、礦井生產(chǎn)、工程地質(zhì)等眾多行業(yè)，借助于三維地質(zhì)建模技術(shù)，有利于提升這些行業(yè)解決復(fù)雜地質(zhì)問(wèn)題的能力。

MicroStation是Bentley工程軟件系統(tǒng)有限公司在建筑、土木、交通和工廠等領(lǐng)域提供BIM解決方案的基礎(chǔ)平臺(tái)，Bentley其他所有的產(chǎn)品都是基于這個(gè)平臺(tái)，并使用同一種數(shù)據(jù)格式進(jìn)行交流，能夠?qū)崿F(xiàn)整個(gè)生命周期的實(shí)時(shí)協(xié)同。

關(guān)鍵技術(shù)

鉆孔建模? 鉆孔建模數(shù)據(jù)來(lái)源于地質(zhì)勘查資料中的礦井地質(zhì)報(bào)告、鉆孔綜合成果表等，將所有數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)字化處理后，可利用以下幾類數(shù)據(jù)表進(jìn)行表示，鉆孔的基本信息、鉆孔的傾斜信息、鉆孔由孔口至孔底的層位信息、不同煤層的煤質(zhì)信息。

數(shù)據(jù)源標(biāo)準(zhǔn)化以后，即可結(jié)合MicroStation的參數(shù)化建模功能進(jìn)行鉆孔建模，鉆孔模型由多個(gè)層位信息模型組成，利用MicroStation的屬性管理器可即時(shí)查看巖層層位信息。

煤層建模? 鉆孔模型建立以后，即實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)向圖形數(shù)據(jù)的遷移。煤層建模的數(shù)據(jù)來(lái)源是鉆孔信息模型與煤層底板等高線等，數(shù)據(jù)采集完畢以后，在井田邊界線包絡(luò)盒范圍之內(nèi)進(jìn)行空間數(shù)據(jù)插值，根據(jù)插值后的數(shù)據(jù)進(jìn)行煤層參數(shù)化建模，而煤層中包含的斷層則采取布爾運(yùn)算結(jié)合點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理的方式進(jìn)行建模。據(jù)此建立煤層信息模型。

模型應(yīng)用

儲(chǔ)量計(jì)算? 儲(chǔ)量計(jì)算是煤田地質(zhì)勘探工作中的一項(xiàng)重要內(nèi)容。傳統(tǒng)的計(jì)算方法采用塊段法，即用各個(gè)塊段厚度平均值乘以面積來(lái)計(jì)算體積，這種計(jì)算方法工序繁雜、效率低下，且常會(huì)有較大誤差。借助三維地質(zhì)建模技術(shù)建立的地質(zhì)信息模型可快速計(jì)算煤層儲(chǔ)量，步驟如下：首先對(duì)煤層信息模型進(jìn)行儲(chǔ)量分級(jí)，然后根據(jù)分級(jí)模型在MicroStation環(huán)境下自動(dòng)統(tǒng)計(jì)不同級(jí)別的儲(chǔ)量，同時(shí)參照地質(zhì)報(bào)告對(duì)儲(chǔ)量進(jìn)行了誤差計(jì)算。對(duì)比結(jié)果表明，使用該技術(shù)進(jìn)行儲(chǔ)量計(jì)算不僅自動(dòng)化程度高，而且具備較高精度。

圖表輸出? 通過(guò)提取鉆孔模型中附帶的煤質(zhì)數(shù)據(jù)，并在井田邊界線包絡(luò)盒范圍之內(nèi)進(jìn)行空間插值，根據(jù)插值后的數(shù)據(jù)在MicroStation中利用Delaunay原理可建立煤質(zhì)趨勢(shì)面，通過(guò)趨勢(shì)面與水平面的布爾運(yùn)算，可快速創(chuàng)建不同煤質(zhì)特性的等值線圖。

根據(jù)建立的多煤層地質(zhì)模型，可沿任意方向、按一定比例進(jìn)行剖切，并快速創(chuàng)建地質(zhì)剖面圖，具有較高的成果轉(zhuǎn)化度和自動(dòng)化程度。

依托MicroStation基礎(chǔ)平臺(tái)建立的煤炭礦井三維地質(zhì)建模技術(shù)體系，以地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)和隨機(jī)建模原理為理論支撐，以地質(zhì)知識(shí)庫(kù)為基礎(chǔ)，以多元、多參數(shù)建模為方法指導(dǎo)，相較國(guó)內(nèi)其他體系具有信息更加全面、瀏覽查詢更為便捷、行業(yè)適應(yīng)性更好的特點(diǎn)。通過(guò)該體系建立的三維成果能夠快速實(shí)現(xiàn)二維圖表輸出與數(shù)據(jù)共享，滿足正向設(shè)計(jì)特點(diǎn)，證明該體系具備良好的可行性。但鑒于井田地質(zhì)條件的復(fù)雜性，后期需要結(jié)合其他實(shí)際工程項(xiàng)目進(jìn)行體系論證與完善，為數(shù)字化礦井建設(shè)與發(fā)展提供良好的基礎(chǔ)支撐。