CN108665544A - 三维地质模型建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三维地质模型建模方法，包括以下步骤：S1收集地质资料并进行数字化处理；S2根据地质资料构建地质数据库；S3基于所述地质数据库，对剖面矿体进行圈连，生成三维剖面矿体轮廓线；S4基于三维剖面矿体轮廓线构建三维地质模型。本发明的三维地质模型是基于三维剖面矿体轮廓线构建而成，能够更真实地反映矿体在空间中的赋存状态，降低对矿体三维空间位置定位不准确带来的风险，解决矿体形态偏移和失真的问题。

Description

三维地质模型建模方法

技术领域

本发明涉及地质建模技术领域，具体地，涉及一种三维地质模型建模方法。

背景技术

近些年来，随着近地表矿体开采殆尽，深部矿产资源成为当前主要的开采对象。为查清深部矿体的形态，需要施工上千米的钻孔来勘探地下资源。图1是钻孔轨迹线要素示意图，如图1所示，受地质构造、施工技术和钻探工艺的影响，超深的钻孔在施工过程中经常会偏离既定的空间位置，发生程度不同的弯曲，造成地质情况失真。地质部门对矿体形态的解译是通过将钻孔轨迹线投影到相应的剖面上，形成二维矿体轮廓线。这样的处理方式，歪曲了矿体真实的三维形态，给地下矿体的开采可能造成不可预知的风险和损失。例如河北钢铁大贾庄铁矿、海南石碌铁矿等矿山在进行深部基建过程中已经出现了主运输巷道穿切矿体、预定矿***置不见矿体等现象。表1中列举了一些目前国内的重点矿山钻孔分布情况，可以看出，大部分钻孔深度超过或达到了千米级。

表1

目前，现有矿山设计工作中虽然部分采取了三维建模的方式对地下的矿体进行地质解译，但这种三维建模成果仍然是基于传统的剖面图，即基于钻孔投影到剖面上生成的二维轮廓线进行三维建模。由于忽略了钻孔样品的三维属性，因此上述成果仅仅是二维设计的三维化，并不能从根本上解决矿体形态偏移和失真的问题，不能真实地反映矿体的三维空间位置及形态，导致矿山工程设计的精细化水平低，风险程度高。

发明内容

鉴于以上问题，本发明的目的是提供一种三维地质模型建模方法，以真实地反映矿体的三维空间位置及形态，降低对矿体三维空间位置定位不准确带来的风险，解决矿体形态偏移和失真的问题。

为了实现上述目的,本发明采用以下技术方案：

本发明所述三维地质模型建模方法，包括以下步骤：

S1收集地质资料并进行数字化处理；

S2根据地质资料构建地质数据库；

S3基于所述地质数据库，对剖面矿体进行圈连，生成三维剖面矿体轮廓线；

S4基于三维剖面矿体轮廓线构建三维地质模型。

优选地，步骤S2中，所述地质数据库包括：钻孔孔口坐标数据文件、钻孔测斜数据文件、样品化验数据文件和地质代码数据文件中的一种或多种。

优选地，所述地质数据库中的多个数据文件相互独立，并通过工程号建立联系，导入至三维软件中形成关系数据库。

优选地，所述三维地质模型建模方法还包括步骤S2′，构建数字地表模型，具体包括：

S21′将所述地质资料中的地形图利用软件进行三维化和数字化处理，并提取高程信息；

S22′清理高程信息文件中的重复点、跨接和聚结点；

S23′利用线文件和/或点文件构建数字地表模型。

优选地，步骤S3包括：

S31调用所述地质数据库，将钻孔及金属元素属性在三维空间中进行显示，通过沿勘探线切割剖面或者所述地质数据库约束的方式筛选出当前需要绘制的剖面所包含的钻孔；

S32根据矿体开采技术条件指标，并结合矿体圈连规则，对剖面上的钻孔进行地质解译，圈连剖面矿体，生成三维剖面矿体轮廓线。

优选地，步骤S4包括：

S41根据矿体尖灭趋势及与断层的相互关系，将生成的各个矿体的三维剖面矿体轮廓线，进行外推处理；

S42将各个矿体的剖面轮廓线根据对应情况进行连接，采用三角网连接技术生成各个矿体的三维地质模型；

S43对生成的三维地质模型进行验证和修正。

优选地，在步骤S3和步骤S4之间还包括下述步骤S3′：选择用户坐标系，确定三维剖面矿体轮廓线上的点距，对三维剖面矿体轮廓线在轮廓线两端进行外推处理。

优选地，对三维剖面矿体轮廓线进行外推处理，包括点外推处理和线外推处理，所述点外推处理和所述线外推处理的外推方向均通过矿体前端和后端样品段中点形成的中线确定，外推的距离根据地质报告中矿体轮廓线实际外推的距离确定。

优选地，步骤S1中，地质资料包括：矿体各个阶段实施的钻孔工程数据、探槽工程数据、坑道工程数据、地形地质图、矿体形态图和地质报告中的一种或多种。

优选地，步骤S2中，对地质资料中的地质数据进行分类筛选，并对数据输入中的遗漏和错误进行检查，通过软件进行显示和分析。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

本发明所述三维地质模型建模方法所构建的三维矿体模型是通过样品在三维真实空间位置圈连而成的矿体模型，是基于三维剖面矿体轮廓线构建而成，能够更真实地反映矿体在空间中的赋存状态，降低对矿体三维空间位置定位不准确带来的风险，解决矿体形态偏移和失真的问题。

对于采矿工程设计及生产而言，首要考虑的因素便是矿体的三维空间位置及形态，对矿体形态的认识程度直接决定了采矿工程设计工作的精细化水平。不同的矿体形态和位置，直接影响了整个开拓***的布置及工程量。因此，利用本发明提出的方法精准定位矿体在三维空间中的真实位置能够：降低投资风险；节省工程量，降低采矿成本，提高矿山利润率；提高资源利用率，不浪费国家资源。

附图说明

图1为钻孔轨迹线要素示意图；

图2为本发明所述三维地质模型建模方法流程示意图；

图3为本发明实施例中的地质数据库钻孔分布图；

图4为本发明实施例中三维地表模型示意图；

图5为本发明实施例中钻孔筛选的俯视方向示意图；

图6为本发明实施例中钻孔筛选的垂直于剖面方向示意图；

图7为本发明实施例中三维矿体轮廓线图；

图8为本发明实施例中三维矿体轮廓线点尖灭处理方式示意图；

图9为本发明实施例中三维矿体轮廓线线尖灭处理方式示意图；

图10为本发明实施例中三维矿体轮廓线点距确定示意图；

图11a为本发明实施例中采用WCS的三维空间示意图；

图11b为本发明实施例中采用UCS的三维空间示意图；

图12为本发明实施例中矿体三维地质模型俯视示意图；

图13为本发明实施例中三维剖面与投影剖面在垂直剖面方向的对比示意图；

图14为图13中A部分的局部放大示意图；

图15为图13中B部分的局部放大示意图；

图16为本发明实施例中三维剖面与投影剖面在俯视方向的对比示意图；

图17为本发明实施例中三维矿体实体模型与投影剖面矿体实体模型在俯视方向的对比示意图；

图18为本发明实施例中三维实体模型与投影实体模型-690m切面对比图；

图19为图18中C部分的局部放大示意图。

具体实施方式

下面将参考附图来描述本发明所述的实施例。本领域的普通技术人员可以认识到，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式或其组合对所描述的实施例进行修正。因此，附图和描述在本质上是说明性的，而不是用于限制权利要求的保护范围。此外，在本说明书中，附图未按比例画出，并且相同的附图标记表示相同的部分。

下面结合图2-图19来详细说明本发明。

随着三维矿业软件的发展，通过强大的三维图形功能能够直观、逼真地再现钻孔的三维轨迹，进而模拟出矿体在三维空间中的真实几何形态。本发明采用国际上通用的三维数字矿山软件如Surpac等进行三维实体模型的数字化建模工作。通过搜集矿山各历史时期地、测、采积累的资料，建立矿山地质数据库，利用地质数据库将剖面矿体还原到真实三维空间中来，重现真实三维状态下矿体的各地质特征，勾画出矿体在三维空间中的形态、位置及与开采工程之间的关系，为深部矿山高效安全开采奠定坚实的地质基础。

图2为本发明所述三维地质模型建模方法流程示意图，如图2所示，本发明所述三维地质模型建模方法，包括以下步骤：

S1收集地质资料并进行数字化处理；

S2根据地质资料构建地质数据库；

S3基于所述地质数据库，对剖面矿体进行圈连，生成三维剖面矿体轮廓线；

S4基于三维剖面矿体轮廓线构建三维地质模型。

本发明基于三维剖面矿体轮廓线构建三维地质模型，考虑到钻孔样品的三维空间位置属性以及钻孔偏斜对矿体三维形态的影响，能够更真实地反映矿体在空间中的赋存状态，降低对矿体三维空间位置定位不准确带来的风险，为矿山开采提供相应的技术指导，节省工程量，降低采矿成本。

在步骤S1中，收集矿山各个历史时期的地质资料并进行分类整理，地质资料包括但不限于：矿体各个阶段实施的钻孔工程数据、探槽工程数据、坑道工程数据、矿山各个时期的地形地质图、矿体形态图、剖面图、投影图和地质报告等。

矿山原始的地质资料大部分以纸质的形式存在，只有小部分具有电子介质的形式，管理比较混乱，格式也不统一，无法满足三维地质建模的数据需求。因此，需要对原始地质数据资料进行筛选并分类数字化处理，建立地质数据库，得到用于三维地质建模所需的数据。

具体地，步骤S1包括：***收集矿山各个阶段实施的钻孔，整理各个钻孔的孔口坐标、测斜数据、化验分析数据、岩性数据等资料；收集、整理各个比例尺的地形地质图等原始资料，并对其进行数字化处理，使其达到建立三维模型的基本要求；整理各个阶段形成的地质剖面图、勘探线平面布置图等控制矿体形态的图纸，进行数字化处理；收集、整理工业场地构筑物、井巷、采场现状等各类图纸，进行数字化处理。

在步骤S2中，对地质资料中的地质数据进行分类筛选，逐一输入，并利用软件对数据输入过程中的遗漏和错误进行检查，通过软件进行显示和分析最终结果。优选地，所构建形成的地质数据库包括：钻孔孔口坐标数据文件、钻孔测斜数据文件、样品化验数据文件和地质代码数据文件中的一种或多种。其中，孔口坐标数据文件包括钻孔编号，X、Y、Z三维坐标，孔深，钻孔类型等要素；钻孔测斜数据文件包括钻孔编号、测斜深度、方位角、倾角等；样品化验数据文件包括钻孔编号、取样起始深度、终止深度、取样间距、化验分析数据等；地质代码数据文件包括钻孔编号、起始深度、截止深度、岩石类型等。

优选地，地质数据库中的多个数据文件相互独立，是固定格式的表格形式，并通过工程号建立联系，导入至三维软件中形成关系数据库。

数字地形模型(DTM，Digital Terrain Model)是利用空间散点或线通过三角网构建成的表面，常见的模型有地表模型、露天坑现状等，地表模型是建立三维地质实体模型的重要组成部分。一些地表工程的设计和施工包括排土场、井口等位置都是以地表模型为参考的。同时，地表模型可以直观、清楚地表达矿区地表与矿体等其它空间体的空间位置关系。优选地，所述三维地质模型建模方法还包括步骤S2′，构建数字地表模型。作为边界约束条件，地表模型还直接影响到技术经济指标和工程量的计算。因此，为了达到最好的实际效果，地表模型必须满足精度要求。

在一个具体的实施例中，步骤S2′包括：

S21′将地质资料中的地形图利用软件进行三维化和数字化处理，并提取高程信息；

S22′清理高程信息文件中的重复点、跨接和聚结点；

S23′利用线文件和/或点文件构建数字地表模型。

在一个具体的实施例中，步骤S3包括：

S31调用地质数据库，将钻孔及金属元素属性在三维空间中进行显示，通过沿勘探线切割剖面或者地质数据库约束的方式筛选出当前需要绘制的剖面所包含的钻孔；

S32根据矿体开采技术条件指标，并结合矿体圈连规则，对剖面上的钻孔进行地质解译，圈连剖面矿体，生成三维剖面矿体轮廓线。其中，矿体开采技术条件指标包括但不限于边界品位、可采厚度和夹石剔除厚度等，在对剖面上的钻孔进行地质解译时，需要综合考虑各种指标。

优选地，在步骤S3和步骤S4之间还包括下述步骤S3′：

选择用户坐标系，根据需求在绘图中自定义坐标和坐标轴的方向，便于绘图，通过在三维空间中找到外推的方向和距离，实现对矿体的精确外推，用户坐标系(UCS)和世界坐标系(WCS)的关联可以通过坐标体现，WCS和UCS的转换是利用软件中的定义投影平面功能实现，在UCS状态下，可以在已知的外推面上根据矿体实际赋存状态来实现矿体的楔形尖灭或者点尖灭；

确定三维剖面矿体轮廓线上的点距，点距即为矿体三维轮廓线上的点密度，合理确定点距决定了矿体模型的精准程度，矿体三维实体模型是由相对应矿体轮廓线上的点依据数学规则相互连接形成的无数三角网所构成，点距太稀的情况下不能准确地模拟矿体的形态，点距太密集会造成数据量成倍增加，因此，需要合理确定点距；

对三维剖面矿体轮廓线在轮廓线两端(没有钻孔控制的位置)进行外推处理，以形成封闭的剖面矿体轮廓线。

对三维剖面矿体轮廓线进行外推处理，包括点外推处理和线外推处理。现有技术中，基于矿体轮廓线的二维特性，外推的方向和距离仅需要在剖面所在二维面内确定，相对比较简单。本发明中，三维地质模型的矿体轮廓线是由三维状态下数据库样品点捕捉圈连而形成，因此其外推方向和距离的确定也将在三维空间中进行。对于点外推处理方式，外推的方向通过前端和后端样品段中点形成的中线来确定，外推的距离根据地质报告中矿体轮廓线实际外推的距离确定。对于线外推处理方式，正常情况下矿体轮廓线线外推方向的处理方式为后端样品段和前端样品段连线的延长线相互闭合即可，但如果前端样品段长度大于后端样品段，则出现外推矿体面积大于实际外推面积的情形，违背矿体轮廓线圈连原则。优选地，本发明中，线外推的方向通过前端和后端样品段中点形成的中线来确定，具体方向由后端样品段指向前端样品段，线外推的距离根据地质报告中矿体轮廓线实际外推的距离确定，以实现前端样品段在方向和距离上的平推，更加贴近真实矿体的赋存状态。

在一个具体的实施例中，所述步骤S4包括：

S41根据矿体尖灭趋势及与断层的相互关系，将生成的各个矿体的三维剖面矿体轮廓线，进行外推处理；

S42将各个矿体的轮廓线根据对应情况进行连接，采用三角网连接技术生成各个矿体的三维地质模型；

S43对生成的三维地质模型进行验证和修正，从而还原地下矿体的真实位置以及形态。

实施例：

步骤S1，通过对矿床的原始地质资料进行收集整理，最终得到用于矿床三维地质建模的原始数据资料如下：

1)各时期地形地质图、区域地质矿产图、开采现状图；

2)勘探线剖面图；

3)矿体资源储量估算投影图；

4)地质勘查资料，主要包括钻孔编录数据、钻孔柱状图、探槽素描图、坑道素描图；

5)各个时期的地质普查、详查、勘探报告，储量核实报告等。

步骤S2，利用Access构建地质数据库，建立的地质数据库包含225组孔口坐标，1804组测斜数据，5970组样品分析数据。经过逐一输入，错误遗漏排查，最终形成矿山地质数据库。图3为本发明实施例中的地质数据库钻孔分布图，如图3所示，利用Surpac和3DMine软件可以直观清楚地看到钻孔在三维空间中的形态和样品的分布。

图4为本发明实施例中三维地表模型示意图，如图4所示，以杏山铁矿数字地表模型图为例，其可以直观、清楚地表达采矿场、排土场、工业场地等之间的三维空间位置关系，有利于对矿区进行综合管理规划。

本实施中，步骤S3，首先调用地质数据库，将钻孔及金属元素属性在三维空间进行显示，如图5所示，通过沿勘探线切割剖面或者数据库约束的方式筛选出当前需要绘制的剖面所包含的钻孔，并转为垂直于剖面方向的可编辑状态(如图6所示)；图7为本发明实施例中三维矿体轮廓线图(垂直于剖面方向)，如图7所示，综合考虑边界品位、可采厚度、夹石剔除厚度等开采技术条件指标，并结合地质报告所采用的矿体圈连原则，对剖面上的钻孔进行地质解译，圈连矿体轮廓生成一系列闭合线。

图8为本发明实施例中三维矿体轮廓线点尖灭处理方式示意图，图9为本发明实施例中三维矿体轮廓线线尖灭处理方式示意图，如图8和图9所示，采用中线外推法进行三维状态下矿体轮廓线的外推，外推的方向均通过矿体前端和后端样品段中点形成的中线确定，外推的距离根据地质报告中矿体轮廓线实际外推的距离确定。

图10为本发明实施例中三维矿体轮廓线点距确定示意图，本实施例中，通过对比分析，选择10m为最小点距。

采用3DMine软件的定义投影平面功能来实现UCS和WCS的转换，图11a和图11b分别为本发明实施例中采用WCS和UCS的三维空间示意图，如图11a和图11b所示，在UCS状态下，可以实现矿体在三维空间中的精确外推，避免矿体端部的漂移和失真。

步骤S4中，采用3DMine软件利用最优三角形法则来进行相邻剖面对应轮廓线之间的三角网连接，该算法综合考虑了整体形状、多边形、构成多边形的顶点及三角形的稳定性等，来构造两个轮廓线之间的最佳三角形网，以达到模拟实体表面的目的。图12为本发明实施例中矿体三维地质模型俯视示意图，如图12所示，本实施例共构建了4个矿体的三维实体模型。

下面通过上述实施例，从四个方面开展本发明与现有技术建模结果的对比分析，以说明本发明的先进性。为了描述方便，此处将本发明中的剖面称为三维剖面，现有技术中的剖面称为投影剖面，本发明所构建的矿体三维地质模型称为三维实体模型，现有技术中的建模方法所建立的矿体实体模型称为投影实体模型。

一、三维剖面与投影剖面的对比

图13为本发明实施例中三维剖面与投影剖面在垂直剖面方向的对比示意图，如图13所示，从剖面整体来看，由于钻孔样品三维空间真实位置和二维投影位置的不一致，导致矿体轮廓线整体出现了里出外进的情况。图14和图15分别是图13中A部分和B部分的局部放大示意图，如图14和图15所示，由于样品位置的不一致会引起矿体轮廓线大小的变化和位置的改变。图16为本发明实施例中三维剖面与投影剖面在俯视方向的对比示意图，如图16所示，由于样品真实位置与投影位置的不同，矿体轮廓线在垂直剖面方向也发生了较大的变化。

二、三维实体模型与投影实体模型形态的对比分析

基于前述矿体轮廓线位置及形态的变化，矿体形态势必会随之发生改变。图17为本发明实施例中三维矿体实体模型与投影剖面矿体实体模型在俯视方向的对比示意图，如图17所示，在三维状态下，矿体形态发生了较大的变化。就矿体走向方向上来看，由于钻孔实际位置的变化，与现有技术中建模方法所建立的投影实体模型相比，本发明的三维实体模型略有缩小。尤其是最南部勘探线，矿体在走向方向上相差将近25m。

三、矿体形态的变化对矿石资源储量的影响

本实施例中所建立的三维实体模型，与现有技术中建模方法所建立的投影实体模型，以地质报告提供资源储量为基准，分别进行对比，对比结果见表2、表3。由两个对比表可以看出，本发明的三维实体模型所估算出的矿量更接近地质报告提交的矿石资源储量。因此，本发明的三维实体模型更加接近矿体真实的三维空间赋存状态，更加符合真实地质情况。

三维实体模型与地质报告矿量对比表表2

投影实体模型与地质报告矿量对比表表3

四、矿体形态的变化对采矿工程的影响

对于采矿工程设计而言，首要考虑的因素便是矿体的三维空间位置及形态。对矿体形态的认识程度直接决定了采矿工程设计工作的精细化水平。不同的矿体形态和位置，所圈出的错动界限亦不同，也直接影响了整个开拓***的布置。图18为本发明实施例中三维实体模型与投影实体模型-690m切面对比图，图19为图18中C部分的局部放大示意图，如图18和图19所示，局部矿体发生了偏移，最小9.45m，最大40.58m；局部矿体平面面积相差4倍。

上述矿体局部偏移情况直接影响到采矿工程的布置及工程量，因此，精准定位矿体在三维空间中的真实位置对采矿工程设计至关重要，且本发明所述三维地质模型建模方法所构建的三维地质模型更加贴近真实的地质矿体，能够准确定位矿体在三维空间中的真实位置和形态，降低矿体失真所带来的风险，为实现精准高效采矿奠定了基础，对指导矿山生产和安全管理等方面具有实际应用价值。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种三维地质模型建模方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1收集地质资料并进行数字化处理；

S2根据地质资料构建地质数据库；

S3基于所述地质数据库，对剖面矿体进行圈连，生成三维剖面矿体轮廓线；

S4基于三维剖面矿体轮廓线构建三维地质模型。

2.根据权利要求1所述的三维地质模型建模方法，其特征在于，步骤S2中，所述地质数据库包括：钻孔孔口坐标数据文件、钻孔测斜数据文件、样品化验数据文件和地质代码数据文件中的一种或多种。

3.根据权利要求2所述的三维地质模型建模方法，其特征在于，所述地质数据库中的多个数据文件相互独立，并通过工程号建立联系，导入至三维软件中形成关系数据库。

4.根据权利要求1所述的三维地质模型建模方法，其特征在于，所述三维地质模型建模方法还包括步骤S2′，构建数字地表模型，具体包括：

S21′将所述地质资料中的地形图利用软件进行三维化和数字化处理，并提取高程信息；

S22′清理高程信息文件中的重复点、跨接和聚结点；

S23′利用线文件和/或点文件构建数字地表模型。

5.根据权利要求1所述的三维地质模型建模方法，其特征在于，步骤S3包括：

S31调用所述地质数据库，将钻孔及金属元素属性在三维空间中进行显示，通过沿勘探线切割剖面或者所述地质数据库约束的方式筛选出当前需要绘制的剖面所包含的钻孔；

S32根据矿体开采技术条件指标，并结合矿体圈连规则，对剖面上的钻孔进行地质解译，圈连剖面矿体，生成三维剖面矿体轮廓线。

6.根据权利要求1所述的三维地质模型建模方法，其特征在于，步骤S4包括：

S41根据矿体尖灭趋势及与断层的相互关系，将生成的各个矿体的三维剖面矿体轮廓线，进行外推处理；

S42将各个矿体的剖面轮廓线根据对应情况进行连接，采用三角网连接技术生成各个矿体的三维地质模型；

S43对生成的三维地质模型进行验证和修正。

7.根据权利要求1所述的三维地质模型建模方法，其特征在于，在步骤S3和步骤S4之间还包括下述步骤S3′：选择用户坐标系，确定三维剖面矿体轮廓线上的点距，对三维剖面矿体轮廓线在轮廓线两端进行外推处理。

8.根据权利要求7所述的三维地质模型建模方法，其特征在于，对三维剖面矿体轮廓线进行外推处理，包括点外推处理和线外推处理，所述点外推处理和所述线外推处理的外推方向均通过矿体前端和后端样品段中点形成的中线确定，外推的距离根据地质报告中矿体轮廓线实际外推的距离确定。

9.根据权利要求1所述的三维地质模型建模方法，其特征在于，步骤S1中，地质资料包括：矿体各个阶段实施的钻孔工程数据、探槽工程数据、坑道工程数据、地形地质图、矿体形态图和地质报告中的一种或多种。

10.根据权利要求1所述的三维地质模型建模方法，其特征在于，步骤S2中，对地质资料中的地质数据进行分类筛选，并对数据输入中的遗漏和错误进行检查，通过软件进行显示和分析。