基于径向基函数曲面的矿体隐式自动三维建模方法

矿体三维建模与可视化是矿山信息化与数字矿山的核心内容。目前国内外矿业软件普遍采用基于序列剖面或中段平面矿体边界多边形连接的显式矿体建模方法,建模过程需要大量人工交互且数据更新后模型重建困难。引入径向基隐函数,提出一种基于隐式曲面的矿体自动建模方法。该方法无需手工圈定矿体边界,直接基于钻孔化验数据进行空间插值,自动构建矿体三维模型曲面,并能针对夹石体自动单独建模;作为建模参数,边界品位重新设定后可自动更新重建矿体三维模型。针对某矿山数据进行了不同边界品位的矿体自动建模实验,与显式方法建模结果对比表明,基于径向基函数隐式曲面的矿体建模方法自动化程度高、模型光滑且无拓扑错误,可为国内数字矿山与地学三维软件的研发提供新方案。     

矿体三维建模方法研究进展

矿体三维建模作为数字矿山建设的核心内容之一,新的建模方法近年来不断涌现。围绕矿体三维建模数据来源与数据插值、面元建模、体元建模、混合集成建模、自动建模和模型动态更新等6个方面对矿体三维建模方法的研究进展进行了总结。相关研究结果表明：①钻探数据是目前应用最为广泛的矿体三维建模数据,在有限钻探数据的基础上如何添加虚拟钻孔以及如何对矿体体元进行属性插值是研究的重点;②主流的面元建模方法是利用勘探线剖面图的轮廓线连接建模,涉及轮廓对应、轮廓线贴面和分支处理3个关键问题;③建模效率和精度,构建新的拓扑关系以更好实现模型的切割、剖分和空间分析以及复杂地质构造的表达是目前体元建模研究的主要方向;④混合集成建模研究多针对建模的效率和精度展开,对矿体混合模型的数据冗余与几何一致性问题,集成模型的纽带与拓扑一致性问题的研究少见,限制了模型的推广和应用;⑤自动建模和模型更新关系到模型的生命力和利用潜力,是最具挑战性的研究方向,目前相关研究仍处于探索阶段。     

三维可视化建模技术及其在地下采矿中的应用

矿山的地质现象,如矿体、地层、断裂、钻孔、井巷等,都是三维空间实体,对矿山的真三维实体进行空间分析,如复杂矿体、断层、褶皱等不连续体的真三维建模,已经成为矿山三维可视化技术前沿和攻关难点。似三棱柱体模型是三维可视化建模的基本模型之一,它不仅可以精确模拟地层或矿层的层面和内部,还可以有效表达断层、褶曲、空间、开挖边界等复杂构造形态。本文对似三棱柱体三维可视化建模方法进行了研究,根据似三棱柱体三维可视化建模方法及建模步骤,构建了某矿体的三维可视化模型,并利用Java3D API,初步实现了基于Web的矿体三维显示。     

非层状矿体构模关键技术研究

针对非层状矿体三维建模的复杂性，讨论了非层状矿体三维建模中有关矿体表面和矿体块段建模基本算法．讨论了实体法建模中平行轮廓线建立非层状矿体表面模型的算法，并把该算法推广到了非平行轮茸5线建模，针对利用轮廓线建立实体表面模型的问题，提出利用平面和剖面交叉的方法来产生控制线，以对矿体形态进行控制，进而利用连接轮廓线的方法来进行矿体表面建模．同时，阐述了利用三维普通克立格插值方法建立矿体内部块段模型的关键算法．最后利用VC^＋＋和OpenGL作为开发语言，从底层开发了三维非层状矿体建模的三维可视化软件，在某矿山得到了验证，对非层状矿山的实际生产起到了一定的指导作用．图5，参8．     

穿脉数据约束下的金属矿体三维建模

针对金属矿山三维建模数据量较小难以精确还原矿体表面模型的问题,提出了一种穿脉数据约束下的三维矿体表面建模方法。通过分析钻孔数据缺失矿体的数据特征,以矿山工程图中穿脉图与矿体轮廓图为源数据,利用穿脉数据对矿体轮廓线进行约束;在讨论穿脉数据与矿体轮廓线匹配问题的基础上,提出了以穿脉上见矿点与轮廓线连接的方法以及穿脉数据约束矿体表面建模的约束算法。以内蒙古油篓沟矿区为研究对象进行建模。研究结果表明：在穿脉数据约束下的矿体三维建模可以更好的模拟矿体表面形态、提高建模精度,生产详查报告进行的储量估算与矿体建模插值后计算结果的储量值相差不大,结果较为准确。因此该算法有利于提高矿体储量的估算的精度。     

三维数据场可视化技术在数字矿山中的应用*

介绍了三维数据场可视化技术和数字矿山的概念,并通过作者参与开发的全国产矿业软件--“固体矿产资源储量估算与三维矿体建模可视化系统”实例来说明三维数据场可视化技术在矿体表面建模、品位块体模型、品位等值曲面生成中的实际应用,最后展望了体绘制技术在数字矿山中的应用价值和前景。     

三维普通克立格插值建立非层状矿体块段模型的研究

针对三维空间数据插值方法的研究在技术上难度较大、结构上程度复杂的特点,利用已有的二维空间数据插值长期发展提供的理论和实践经验,以地质统计学为理论基础,详细研究了三维普通克立格（Kriging）块段插值方法的关键步骤。同时,介绍了建立非层状矿体块段模型的关键技术和主要方法。针对插值过程中信息点的数据搜索问题提出了真三维空间的椭球扇区搜索方法,使计算结果更加精确。最后,从底层开发了块段建模可视化软件,在某矿山得到了验证,对非层状矿体模型的模拟和矿体储量计算起到了一定的指导作用。     

一种适于矿体储量计算的矢量栅格混合模型

传统的储量计算方法是在二维图形的基础上,通过几何平均的方法计算完成的。这种计算方式,不但计算繁琐而且计算误差较大。提出一种基于钻孔数据的Section-GTP-Block模型,通过在矿体表面,以剖面（Section）为约束条件构建不规则三角网（TIN）,根据穿过矿体的钻孔具有对称性,将TIN中的三角形逐个沿钻孔向下扩展生成GTP。以矿体表面为约束,将矿体模型进行块段剖分,建立了三维栅格数据结构,为矿体内部品位插值提供了方便的工具。该模型自动建模程度高,对矿体储量计算具有很强的实用价值。     

多源数据融合的双阳煤矿精细化建模及虚拟现实平台搭建

针对矿山极薄煤层工作面采高低、设备选型困难、工作安全系数低的现状,结合双阳煤矿智能开采技术落后的问题,建立多源数据驱动的精细化三维模型及综合信息管控平台,以提高薄煤开采效率、降低生产安全风险。首先,获取钻孔、三维地震等矿山多源异构数据并对其分析处理归类,然后基于路径切割算法、距离加权插值等手段建立集巷道、断层、采区、煤岩层、工作面为一体的极薄煤层综合模型。其次搭建虚拟现实云平台,结合Unity3D开发引擎、WebGL技术等将构建的精细化模型渲染发布,并在其中进行环境感知、通风、地压等数据的监测监控。同时为了兼顾井下施工数据获取的便捷性,采用手机端平台增强了信息管理的时效性。结果表明,提出的双阳煤矿精细化建模及可视化平台可提高工作面透明化、开采智能化、风险预警数字化及生产管理信息化。     

不同内插方法在利用钻孔数据构建岩性实体模型时的精度对比

国内外在三维矿山地质建模方面已经进行了很多的研究.基于少量离散坐标点和基于较多离散坐标点内插生成的地质模型在精度上存在很大差别.同时,不同内插方法所生成的模型在精度上也有不同.为此,重点探讨基于少量钻孔数据及岩性分层信息获得岩性分层处的坐标,以及对不同内插方法进行精度分析,通过对比得到适合模拟矿山地层曲面的内插方法.     

矿山钻孔数据三维地层建模与可视化

三维地层建模与可视化是三维地理信息系统（Geological Information System,GIS）在地学中的重要应用,能够直观展现各类复杂的地质信息,对于实际地质分析大有帮助。为此,提出了一种基于引入四面体格网（Tetrahedral Network,TEN）的广义三棱柱（Generalized Tri-prism,GTP）模型的三维地层模型构建方法。该方法使用钻孔数据进行三维地层建模,首先以钻孔孔口数据生成地表面不规则三角网（Triangulated Irregular Network,TIN）,然后根据地层空间分布顺序,将TIN中的三角形逐个沿钻孔向下扩展生成GTP体元模型,建立三维地层模型并对其进行四面体剖分,最后使用可视化工具包（Visualization Toolkit,VTK）开发出三维地层可视化系统,实现了地层模型的三维显示及属性查询,距离、角度量测与剖切等空间分析功能。某矿山钻孔数据试验结果表明：基于引入TEN的GTP模型有助于解决空间实体剖切问题,将VTK应用于实现三维地层可视化是可行的,在可视化性能与空间分析操作等方面均有着良好的效果,对于提高矿山地质分析、地质建模与可视化效率有一定的参考价值。     

地矿建模中常用插值方法插值效果分析

根据虚拟地矿模型和钻孔数据进行抽样插值试验,采用最小二乘原理,统计分析了插值方法在不同地矿模型及不同采样数据分布情况下的误差大小,从而确定插值方法的适用情况。辅助地矿建模工作人员处理三维建模数据。     

基于非均布载荷下梁结构破断理论的地表破坏规律

为研究晋南典型山区厚黄土层薄基岩地质条件下煤矿开采对地表的破坏规律,本研究以山西省河寨煤矿为例,在实地调查的基础上,采用UDEC软件进行数值模拟,得出岩层断裂及地表移动的关系。模拟得到上覆岩层断裂的位置,地表破坏最严重。根据模拟结果,建立了基于非均布载荷的梁结构覆岩破断模型,推导出覆岩初次断裂和周期断裂的步距公式。将计算结果与实测地表裂缝位置进行对比,取得较好的一致性。研究表明：在山区厚黄土层薄基岩地质条件下进行煤矿开采时,采用非均布载荷梁结构断裂模型预测地表裂缝间距是可行的。     

三维地质建模中地层错断处自动构建的新方法

针对断层等因素破坏了地层连续性形成的地层错断而造成钻孔控制数据缺失情况,以及现有地层错断处三维建模方法的不足,基于广义三棱柱(GTP)提出一种新的处理方法--局部虚拟建模钻孔法(LVMB).该方法主要分为3步进行：① 确定需要在之间插入LVMB的2个界限三角形;② 在这2个界限三角形相应的3条边之间自动插入LVMB;③ 构建2个界限三角形之间的地层模型.实验表明,该方法能够相对准确地自动进行地层错断处的三维建模,扩展基于GTP体元三维地质建模的适用范围.     

我国深部开采服役井筒风险分析及监测预警技术研究进展

深地资源开发是我国深地探索的重要方向之一,服役井筒是进入深部地层的必由通道。由于井筒所处岩层及多相地质体分布具有区位差异、服役环境复杂等特征,致使井筒安全服役的风险增高,因此,服役井筒风险分析和监测预警已成为当前亟待解决的问题。在分析井筒风险判识与监测预警技术研究现状和存在问题的基础上,围绕保障井筒安全服役这一最终目标,以多尺度、多灾源协同致灾机理,井筒变形失稳理论,工程风险判识及监测预警技术等为基础,并合理借鉴和吸收其他地下工程动力灾害防控领域的研究成果,提出了多尺度分源监测预警思路,凝练了需要解决的关键科学问题和主要研究方向。针对影响井筒安全服役的应力源、腐蚀源和物性源,对于井筒开裂、腐蚀、偏斜等多源风险灾害,在“区域-采区-井筒-关键截面”尺度下,需要进一步研究的4个关键科学问题为：①开采扰动作用下区域地层应力-能量-物理参数耦合关系及其时空演化规律与多场耦合协同致灾机理;②服役井筒风险灾害多参量前兆信息智能判识与预警理论;③多尺度、多源前兆信息采集与信息集群共网传输技术体系;④服役井筒风险灾害判识方法与预警模型。通过上述4个科学问题的深入研究,有助于实现服役井筒风险在线实时监测、智能判识和准确预警的井筒安全服役状态评价新模式,为我国服役井筒结构安全管理和智能服务提供理论和技术支撑。     

综采工作面上覆岩层运动特征试验研究

采用钻孔深基点现场实测法对综采工作面上覆岩层运动特征进行试验研究,以中岭煤矿综采工作面为例进行数据实测。通过对实测结果进行位移分析和速度分析,得出试验研究矿井综采工作面采动后上覆岩层总体呈阶段性非均匀下沉的运动形式;内部岩层断裂落差不大,地表未出现明显的大落差断裂;上覆岩层的绝对位移量由地表至煤层顶板逐渐增大,地表初始位移产生在工作面前方,内部岩体初始位移出现在工作面后方,并且移动速度呈非均匀的阶段分布特征;上覆岩层在采动后产生了明显永久性离层,离层厚度总量与综采工作面平均采高相比约为采高的0.36倍。     

基于三维建模的金矿带成矿预测技术研究

系统地提出了基于三维建模的隐伏金矿体预测方法。通过收集详细的地质信息,构建了地质参数数据库。利用当前金矿体与所有相关地质信息（包括地层、断层、矿化、矿物密度、地球物理、地球化学等）之间的相关性分析,确定了主要成矿预测因素。主要以Quantec 3D系统的建模手段进行分析,并且结合模糊综合评价和正交分析手段,用于确定各主要控矿因素的影响范围。最后得出矿化地质优势值,确定了金矿带的大致区域。通过工程试验验证了预测技术的可行性,相关的高电流密布区块被直观地显示,可作为未来金矿带勘探策略的指南。     

基于GIS的矿山三维地质建模方法

矿山三维地质建模是数字矿山的核心组成部分,在地质、采矿、岩土工程等诸多领域日益得到重视。在综合分析三维地质数据模型的基础上,提出了GIS可描述和GIS不可描述数据模型的分类,并在GOCAD和ArcGIS平台下构建了基于GIS的多元、多方法集成的矿山三维地质建模方法。针对GIS不可描述数据模型提出了面向对象的聚合派生法,并通过Geodatabase建立了两平台的关联和模型的更新。通过现场实例应用表明,该方法保持了数据在空间和时间上的一致性,为矿山安全生产管理提供了有效和可靠的空间数据以及可视化的支持。     

杭来湾矿近浅埋煤层开采覆岩移动规律研究

通过相似物理模型实验对30101首采工作面开采时的覆岩移动规律进行研究,得出了杭来湾矿近浅埋工作面开采时的覆岩结构特征、关键层破断规律及关键层和地表移动规律,为具有相同地质条件煤层的安全开采及覆岩移动规律研究提供参考。