作业三维地质体模拟及储量计算.docx

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作业三维地质体模拟及储量计算

《地质三维模拟及储量计算》

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三维地质模拟及储量计算

--读书笔记

一、三维建模及国内外相关软件介绍

1、三维地质建模的定义

所谓三维地质建模，就是运用计算机技术，在三维环境下，将空间信息管理、地质解译、空间分析和预测、地学统计、实体内容分析以及图形可视化等工具结合起来，并应用于地质分析的技术[1、7、8、9、10]。

2、三维地质模拟的意义

矿山三维地质模拟及可视化技术已经成为实数字矿山战略的关键技术，同时该技术在矿山设计和管理有着突出的作用。

如何采用三维可视化矿业工程软件构建矿山的地质体三维模型是十分必要的，其研究的意义主要表现在以下几个方面：

（1）建立地质体可视化模型的目的就是要将复杂和抽象的地质体用直观形象的形式表现出来。

三维地质体可视化模型的建立可以帮助地质工作者对地质数据更好的认识和理解，更好的了解地质体的空间形态以及矿体内部信息，为其在三维空间中观察、分析地质现象和空间分布方面提供了全新的手段，提高了信息的利用率和空间分析能力，这样可以方便他们进行专业领域知识的讨论。

（2）三维实体模型不但可以为生产计划的编写提供可靠的依据，而且可以为资源储量的评估提供依据，广泛地应用于矿山生产中的采掘计划管理和储量动态管理中，并逐渐成为发展的趋势[2、5、11]。

（3）地质体模型的可视化特征将有助于不同领域间的相互交流，也为决策者提供了更好的决策条件，帮助他们做出正确的判断。

传统的地质资料，由于只能表达二维、静态的空间地质情况，不能直观地表达空间地质的变化规律。

这佯地质工作者就很难直接、准确地了解地下的地质情况，不能满足实际分析的需求。

为了解决传统的地质信息表达方法的缺陷问题，三维地质体建模技术便随之产生了。

它是利用三维计算机图形学的手段和方法，以三维逼真立体的方式表达地质体，形象地表达了地质体在三维空间中的形态，并对其进行综合分析和研究[3、4、12]。

完美地再现地质体在三维空间的形态及其变化规律，必须充分利3DGIS工作者和地质工作者的经验知识，分析地质体对象的本质特征，从而进行建立相应的模型，最后在计算机上进行视觉表现。

它具有直观、形象、空间信息准确、动态切剖面、更新速度快等特点。

3、国外主要地质体三维模拟软件

在国外，早在20世纪80年代时，三维地学可视化系统已经作常普遍地应用于地质建模方面，美国、英国、加拿大、澳大利亚等国家相继推出了多种具有代表性的地学可视化建模软件。

三维地质建模（3DGeoscienceModeling）发展到现在已经形成了一系列的理论和方法，并开发了不少比较成熟的软件，比如KirhamGeosystems公司的MicroLynx，Maptck公司的Vulcan，Surpac公司的Surpac、Micronmine公司的Micromine、Ctech公司的MVS等.以下主要介绍几种当今主流的地质体三维模拟与可视化软件。

4、国内主要地质体三维模拟软件：

1999年11月，北京召开了“首届国际数字地球会议”。

在会议上，吴立新教授率先提出数字矿山概念。

如今，与数字矿山相关的各项工作已经全面铺开，相关的研究不断的深入。

很多高校和研究单位在三维建模方面已经开展了研究工作，并且取得了一定的研究成果[13]。

北京航空航天大学计算机学院计算机图形学研究室，在杨钦博士的带锁下，致力于与地质勘探开发应用相关的计算机图形学及可视化研究，并开发了成熟的软件3D-Grid,能够元成复杂地质的结构建模和属性建模。

中地公司以中国地质大学为技术依托，以吴信才数授为技术核心，成功研发了以MAPGIS的软件平台系统。

中国地质大学对二维地学可视比也有了深入研究，开发出了GeoView等多个三维地学可视化系统。

中国矿业大学吴立新教授研究组，对地质体三维模拟与可视化进行深入研究．基于GTP体元构模原理，以Windows作为软件平台，以SQLServer为数据库支撑，从底层开发了具有完全知识产权的真3DGMS-GeoMo30。

北京大学地质信息系统实验室开发研究了GSIS三维地质信息系统，作为一个三维空间信息获取、可视化和分析的基础平台成为国内第一个参加科技部GIS软件测评的三维GIS系统。

北京大学的毛善君研究组对煤矿床进行了三维可视化研究，开发了具备三维建模功能的桌面式煤矿虚拟环境系统VRMine。

武汉大学龚健雅研究组提出了似三棱柱法建立地质体三维模型，开发了一个集地下三维建模与可视化为一体的针对地质领域的3DGIS系统的初步原型。

中科院龚建华研究组，基于WindowsNT和三维图形库OpcnGL开发了地学三维可视化系统Geo3Dvision。

北京市勘察设计研究院“北京市工程地质三维数字化研究”课题组，基于泛权算法，开发了工程地质三维可视化系统。

中南大学陈建宏博士也进行了可视化集成采矿CAD系统的研究。

我国虽然在三维地质体模拟与可视化研究与软件实现研究起步比较晚，但是在一些自然科学基金项目的支持下，做出了大量的有益的探索。

但是综观我国的矿业工程软件的发展，仍然存在很多不足之处：

（1）国内的许多矿业工程软件是针对某些矿山进行特定研制的，忽略了软件的通用性，导致软件系统的维护和推广十分困难，技术服务和技术支持得不到良好的保障。

（2）很多矿山的利用矿业工程软件的三维建模只是停留在储量计算和开采设计上，没有实现其更有价值的实际应用。

（3）国内的主要矿业软件很多都是模仿国外的知名软件，缺乏自己的特色。

总之，三维地质建模分析研究与三维可视化模拟软件的研究已经受到了国内外专家们的越来越多的重视，并取得了相当的成果。

但是，从总体上来看，国外的三维地质建模研究和应用走在前列，开发了很多成熟的建软件，国内也有类似的软件产品，但是与国外同类产品相比还有许多需要改进的地方。

二、3DMine矿业工程软件介绍

3DMine是一款完全由北京三地曼矿业软件科技有限公司开发的拥有自主知识产权的在国内发展和应用比较成熟的三维矿业软件系统。

它是面向于地勘单位、生产矿山、科研设计院所、专业教育机构的，致力于矿业方向的三维专业软件。

该软件主要有以下几个模块：

勘探数据库；矿山地质建模模块；地质储量计算模块；三维采矿设计模块；采掘计划模块；测量摸块。

它服务于矿山地质、测量（测量数据处理、地图制图、验收产量和报告等）、采矿与技术管理工作等各个方面。

这一软件系统可广泛应用于包括煤炭、金属、建材等固体矿产的地质勘探数据管理（矿山数据库、铀孔、矿体和品位模型等）、矿床地质模型、构造模型、传统和现代地质储量计算、露天及地下矿山采矿设计（露天采矿设计，实现与测量和地质部门资料共享）、生产进度计划、露天境界优化及生产设施数据的三维可视化管理（品位控制、储量核销、炮孔数据库和计划排产等）。

3DMine矿业工程软件真奇独立的地质统计模块，能够进行地质统计学变异函数的分析，并且在3DMine软件主程序中能够完成克里格估值，实现在地质统计学方面的应用[14、15]。

在真实三维环境下，延伸到露天境界优化、生产进度计划编制、爆破设计等领域的应用，构成了矿业信息化的基础。

可以清楚地显示矿山实际面貌：

矿区地形地貌、矿体形态、构造布局、采矿工程设计等，并改造传统管理模式，将矿山开采环境可视化评价与矿山开来方案优化选择/设计、开来计划编制、矿山井上/井下通讯系统、生产调度与过程控制、开采环境监测、灾害紧急撤退系统、矿山生产过程模拟、矿山ERP管理系统相结合，实现矿山资源优化配置，资源合理开来，获取最大经济效益。

这种全新的矿山信息管理模式在采矿系统工程中能将各种采矿工序融为一体，实现实时管理，提高矿山生产管理效率和矿山开采的技术水平，最终实现采矿作业的全面自动化。

[16]

其主要核心功能有：

CAD辅助设计与原始资料处理、勘探和炮孔数据库、矿山地质建模、地质储量估算、露天采矿设计、地下来矿设计、采掘计划编排、测量仪器接口与数据应用、打印出图等[17]。

3DMine在三维显示和渲染上，运用一系列优化算法，系统在数值计算和关键算法上精心考虑，保证其健壮性和高效率。

软件使用AutoCAD操作风格，选择集、图元捕捉、鼠标交互等达到同类CAD软件水平。

同时具有与国内外多款图形软件的数据兼容性，可导人导出AutoCAD、Mapgis、Datamine、Surpac、Micromine、Excel、Text等文件格式（原始数据提取。

对老厂矿区的原始数据图形进行处理，利用3DMine软件的开放性特点，将AutoCAD中的原始数据图形导人到3DMine软件中：

按每个中段把AutoCAD图层里的线段剪贴到3DMine中，转换图纸坐标，实现将CAD中的图形数据转到3DMine中来。

并在3DMine中把这些中段线条另存为一个图层。

用不同的颜色表示出来。

）支持CAD、wold、Excel、Text与3DMine之间剪贴版复制粘贴数据，支持多种数据库产品。

系统分成辅助设计（CAD）系统、地质建模系统（开发中）、露天采矿、地下采矿、通风和安全、测量和文件导入/出，6大基本模块。

支持脚本语言及二次开发（TCL）,同时支持VC二次开发。

在测量和采矿设计方面，充分考虑了矿山一线工程师的实际要求，有针对性的开发，具有许多优化和自动功能，使其在日常工作中能成为技术人员的有力工具，被称为矿业office工具系统。

系统建设达到了实用性、精确性、方便性和扩充性的完美结合。

在3DMine平台下，利用老厂矿区的原始数据图形中的资料，绘制老厂的三维巷道迎风系统图和三维通风网络图，解决了实际工作中绘制通风立体图及网络图的困难，还原老厂矿区一个形象的三维巷道模型[18]。

近年来，3DMine在国内不断得到业内人士的认可，在矿山方面也做了一些探讨性的研究。

张寿诗[19]介绍了国内外矿业软件的发展情况，并利用3DMine软件系统在神华北电胜利露天煤矿做了露天采矿设计；胡注明[20]介绍了3DMine软件在地勘工作的应用中取得了一些成果，并认为地勘工作中应积极推广3DMine软件：

霍根虎、刘景玉[21]用马兰庄铁矿的实例阐述了3DMine软件在测量、炮孔数据库、地质模型、采掘条带的计算及短期计划的编排方面的应用，指出3DMine软件所建立的模型可靠、结果准确，可以完善辅助采矿设计和计划编制等工作；吴光玲、李守杰[22]利用3DMine软件建立了矿山地表矿体、巷道、采空区和残矿模型，实现了这些模型的动态显示和三维分析，并认为三维模型有助于弄清采空区的状态，察明采空区中残矿的位置和赋存状态，确定相邻空区的贯通情况，分析在采空区中残采区的地压类型；叶海旺、王荣等[23]利用3DMine软件建立了鄂西高磷赤铁矿凉水井矿区的地表、断层、地质界线、断层和品位块体模型，认为三维模型为开采设计、矿产资源评估和生产计划编排提供了必要的基础。

柳波、陈广平[24]在贾家堡矿区中，利用3DMine软件进行样品组合，并对其进行地质统计学分析，根据分析后的矿体品位空间情况，应用距离平方反比法及普通克立格法对块体模型进行品位的估值，分别生成矿体资料简直报告，比较两者的储量计算结果。

柳波、陈广平[25]运用3DMine矿业工程软件对露天开采境界进行了优化，并分析了不同矿石价格和不同边坡角对露天境界的影响，及不同条件下剥采比的变化情况。

孙璐、戴晓江[26]在某矿建模中的实践，总结建立了三维建模过程中所遇到的问题和解决的方案：

刘云、孟俊鹏[27]利用3DMine软件实现了大孤山铁矿的地质模型的动态显示与基本的三维分析功能，认为该模型可广泛应用于测量、地质和采矿作中。

随着3DMine矿业工程软件在国内矿山的不断普及和3DMine软件的不断改善，可以大大简化采矿设计者、地质工作者以及测量工作者的工作，对我国的数字矿山的发展必将起到有利的推动作用。

三、数据库及模型的建立、储量的计算

1、数据的建立

数据是GIS处理的主要对象，原始数据采集是三维地质体模型建立的工作量最大的且成本最高的部分。

三维地质体模型数据收集主要分为三大类：

第一类是控制地面基本走势和起伏的地形，一般通过数字高程模型（DEM）来描述地形。

第二类是控制地下岩层走势的钻孔数据。

第三类就是描述地表的纹理信息。

这三种数据通过有效地组织便形成了一个简单的三维矿山模型。

地质数据的完整和可靠直接影响地质模型的准确性，从而影响矿山的生产经营与决策。

由于地质数据的不断更新，为了能及时、准确的获取新的地质数据信息，体现地质模型的灵活性，我们需要一种有效的数据管理工具，能快速存储、编辅、检索数据，这样地质数据库就应运而生了。

地质数据主要通过工程钻探的形式获得，通过钻孔获取基本岩性信息和取样分析数据。

一般包括以下内容：

表1：

钻孔信息

●钻孔代号（用来区分钻孔的）；

●钻孔坐标（记录的是钻孔的空间位置信息）；

●侧斜数据描述（工程的轨迹信息）；

●品位描述（每一个钻孔各个段的品位值，岩性）；

●描述（各个钻孔中每一段的岩石类型）；

●日期（钻孔施工的日期）；

●工程类型（一般分为坑道、钻孔和探槽）。

进而可以得到钻孔表、侧斜表、分析表和岩性表。

（1）钻孔表：

表2：

钻孔表数据结构

钻孔号：

孔号，用来确定工程的代号，原则上使用钻孔的实际名称。

开孔坐标N、开孔坐标E、开孔坐标R:

代表孔口坐标即东坐标（通常用X表示）、北坐标（Y）、标高（Z）。

最大孔深：

钻孔的最大深度。

轨迹类型：

钻孔的孔迹类型，表明钻孔的轨迹性质。

通常分为：

垂直钻孔（Vertical）、分段侧斜钻孔（Linear）、曲线形（Curved）。

（2）侧斜表：

表3:

侧斜表数据结构

侧斜深度：

每次侧斜时的深度。

方位角：

轨迹线到水准面的投影线逆时针转到北坐标的角度。

倾角：

钻探方向到水准面的角度，仰角为正俯角为负，通常情况下取负值。

（3）分析表：

表4分析表数据结构:

从-高度、到-高度：

每次侧斜时的位置。

元素品位：

各个金属元素的金属含量值，可能有多种金属元素。

比重：

重量与体积的比值。

（4）岩性表：

表5岩性表数据结构:

设计好钻孔数据库后，根据钻孔数据库定位表和测斜表的数据推算每一个特征点的三维坐标，然后用三维图形库提供我们的多段线接口绘制出各个钻孔的轨迹线并建立模型。

2、模型的建立

块体模型就是将矿体划分成一系列的小单元块，其目的在于通过模型中己知的样品点品位，通过特定的方法对其进行空间插值，使每一个单元块都具有品位信息，生成品位模型，最终对矿体进行储量估算和评价。

首先计算该矿体表面模型的OBB盒子，将其顶点坐标作为构造八叉树数据结构的参数，创建八叉树结构；然后根据用户提出的单元块尺寸细分空间，一般规则是单元块在水平方向上的边长不应小于钻孔平均问距的1/4或1/5，垂直方向上的边长一般按矿钵赋存的长度和深度比例推算出来：

之后将单元块与矿体表面模型做相交测试[28]，在边界相交处继续细分结点为八个子结点，将子结点继续与表面模型作相交测试，直到边界单元块的大小达到用户需求，足以很好的表达矿体边界，最后对于不与矿体表面模型相交的单元块判断其位置在表面模型的内外，在表面模型外面的单元块直接删除，对于在内部的单元块进一步判断该块是否达到用户提出的单元块细分要求，没有达到要求则进一步细分该单元块，否则保存该单元块，遍历下一单元块。

3、储量的计算

块体模型建立完后实际上完成了空的块体模型即只有位置信息，没有属性信息与之相联系，块体模型加上属性信息之后才能成为品位模型，只有对于品位模型才能进行储量计算。

（1）实验变异函数的求取:

1）将数据组合成角度组，设

方向的角度容许误差是仇，也就是说在

[

]内的数据都可以看成沿

方向分布的数据。

一般取

为两相邻方向夹角的1/4，最大不能超过两相邻方向夹角的1/2。

2）将数据点按距离[

]（h为常数，

为容许误差）组合成距离组。

这样，一对样品对所在位置所组成的向量方向落于[

]内，距离落于[

]之间的数据对就认为是这对数据对在方向

上距离相距h。

（2）变异函数的拟合及结构分析：

拟合的主要任务就是通过一组实验变异函数值确定出该模型的

、C和a。

令

，

此时,块金球模型就转化为

多元线性回归问题，即根据实验变异函数的数据对（

）确定

、C和a。

具体做法就是用计算该实验变异函数的数据对个数N；乘以相应的

（等于

）和

（等于

）。

（3）克里格估值

克里格是地质统计学的主要内容之一，从统计的意义来讲，是从变量相关性和变异性出发，在有限区域内对区域化变量的取值进行无偏、最优估计的方法。

从插值的意义来讲，是对空间分布的数据求线性最优、无偏估计的方法。

它的核心就是用变异函数模型代表空间中随距离变化的函数，在无偏估计与最小估计的条件下，决定各个采样点的权系数，最后通过将采样点与求得的权系数线性组合，求得空间任意点或块的估计值。

（4）可视化处理

（5）储量计算

品位值、比重等信息计算出来后只需要根据储量计算公式Q=V·D和金属量计算公式P=V·C·D计算出矿体资源的储量。

其中V是矿体体积，计算V就是将所有的单元块的体积加和就是矿体体积，D是比重，C是平均品位。

四、结语：

矿产资源储量是矿山的生命线，所以储量计算是矿山生产设计的一项重要工作内容，显然建立合适的储量计算模型又是工作的重中之重。

基于块体模型的三维可视化储量计算系统是在研究很多国内外储量计算系统的基础上。

运用3DMine矿业软件对矿体进行的三维地质建模，更直观更全面地反映出了相关的地质信息。

3DMine的建模工具，数据提取、地质统计分析、块体模型功能和估值方法以及逻辑分区报告等具有完整的模块和实用功能，而且操作简单，也很容易理解。

对今后资源的合理利用和采掘设计均起到了一定的指导作用。

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