CN110599595B - 一种地质构造的三维表征方法 - Google Patents
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Abstract
一种地质构造的三维表征方法，包括以下步骤：收集矿山地质资料并进行数字化处理，其中地质剖面图包括经过勘探线的二维剖面；从地质资料提取建模所需的地质要素，并将各地质要素由二维状态转为三维状态，地质要素包括二维剖面断层轮廓线、二维剖面矿体轮廓线，形成三维剖面断层轮廓线、三维剖面矿体轮廓线；依次连接各三维剖面断层轮廓线对应侧的点形成三维断层模型；通过视角投影法来确定矿体向三维断层模型的断层面投影方向，依据投影方向将最邻近断层面的三维剖面矿体轮廓线投影至断层面，生成投影矿体轮廓线；建立断层两侧的矿体模型，完成三维矿体模型的构建。本发明将地质体与构造完整再现于真实三维空间中，可更加精确地估算地质资源储量。
Description
技术领域
本发明涉及地质构造模型技术领域，具体地说，涉及一种地质构造的三维表征方法。
背景技术
断层是地壳内部的岩层或岩体在应力作用下产生的面状破坏或面状流变带，其两侧的岩块发生明显位移的构造，断层的形成会引起地层的重复和缺失，从而导致局部的矿体也会随之发生偏斜。现有技术中的矿石资源储量估算方法没有考虑断层对矿体的影响，依然是将矿体视为一个整体，如图1所示，是通过估算断层面20两侧的矿体10在断层面20之间的体积来估算矿石资源储量，由于未考虑到断层的三维属性及对矿体的影响，经常会导致在断层出现的局部，出现多算或者少算的情形。其次，断层附近通常会出现应力集中区，如果断层的三维空间位置定位不准确，采矿工程布置穿过断层，会造成局部失稳、塌方甚至于彻底破坏，造成重大事故。再次，断层中间通常会产生岩石破碎带，形成导水通道，威胁到整个采矿系统以及井下人员、设备的安全。
发明内容
为了降低断层三维空间定位不准确带来的风险，更加精确地估算矿床矿石资源储量，本发明提出了一种地质构造的三维表征方法，通过开展矿体与断层三维空间位置关系的研究，总结出三维断层建模对资源量估算、矿体形态影响程度的规律，为矿山提供相应的技术指导。
本发明采用国际上通用的三维数字矿山软件进行三维断层及矿体模型的数字化建模工作。通过搜集矿山各历史时期地质资料，建立三维断层及矿体模型，开展断层与矿体位置关系的研究，重现真实三维状态下的断层地质特征，为矿山高效安全开采奠定坚实的地质基础。
为了实现上述目的，本发明提出一种地质构造的三维表征方法，包括以下步骤：
a、收集矿山的历史时期的地质资料，所述地质资料包括地质剖面图，并进行数字化处理，其中地质剖面图包括经过勘探线的二维剖面；
b、从所述地质资料中提取建模所需的地质要素，并将各地质要素由二维状态转为三维状态，其中，地质要素至少包括二维剖面断层轮廓线、二维剖面矿体轮廓线，从而形成三维剖面断层轮廓线、三维剖面矿体轮廓线；
c、依次连接各三维剖面断层轮廓线对应侧的点形成三维断层模型；
d、通过视角投影法来确定矿体向三维断层模型的断层面投影方向，依据投影方向将最邻近断层面的三维剖面矿体轮廓线投影至断层面，生成投影矿体轮廓线；
e、分别建立断层两侧的矿体模型，其中，任一侧的矿体模型都是通过将步骤b中建立的三维剖面矿体轮廓线及步骤d中做出的投影矿体轮廓线依次进行连接，并在矿体末端完成轮廓线外推，完成三维矿体模型的构建，
其中，矿体末端是指远离断层面的方向上最远的一个三维剖面矿体轮廓线，
其中，轮廓线外推的方向是将临近最末端的矿体轮廓线指向最末端的矿体轮廓线的直线方向。
优选地，在步骤b中，二维状态转为三维状态的方法是：
根据勘探线起止点的坐标及角度将各地质剖面图上的二维剖面断层轮廓线、二维剖面矿体轮廓线进行三维化处理。
优选地，三维断层模型的两端采用断层外推的方法确定断层边界，其中，断层外推的方向是临近最外端剖面的剖面上的三维剖面断层轮廓线指向对应的最外端剖面上的三维剖面断层轮廓线的直线方向。
优选地，步骤c中所述断层包括两种情况：
1)一个断层的轮廓线在其中的随意一个剖面上仅显示为一条单线条，则该单线条即为剖面断层轮廓线；
2)一个断层的轮廓线在其中的随意一个所述剖面上呈现为两条不闭合的单线条，在这种情况下，则将两条不闭合的单线条首尾相接形成闭合的单线条，作为剖面断层轮廓线。
优选地，步骤d中的视角投影法包括：
1)在俯视状态下，沿着离断层面最近的一个三维剖面矿体轮廓线的后向矿体轮廓线指向所述离断层面最近的一个三维剖面矿体轮廓线的方向，确定投影矿体的走向，
其中，后向矿体轮廓线是指任一三维剖面矿体轮廓线靠向远离断层面一侧的三维剖面矿体轮廓线，
其中，投影矿体是指离断层面最近的三维剖面矿体轮廓线向断层面延伸至相交的矿体；
2)沿着离断层面最近的一个三维剖面矿体轮廓线的后向矿体轮廓线指向所述离断层面最近的一个三维剖面矿体轮廓线的方向，确定投影矿体的倾向；
3)在自由三维状态下，参照一系列后向矿体轮廓线及相邻矿体的延伸趋势，确定投影矿体的倾伏向；
4)将离断层最近的三维剖面矿体轮廓线投影至断层，在三维断层模型表面上形成一个闭合的投影矿体轮廓线。
优选地，在步骤e中，
将离断层面最近的一个三维剖面矿体轮廓线与对应的投影矿体轮廓线利用三角网相连接，而后封闭投影矿体轮廓线。
优选地，在步骤e中，三维矿体模型的构建中综合考虑边界品位、可采厚度、夹石剔除厚度，按照勘探线顺序依次连接各三维剖面矿体轮廓线，从而生成三维矿体模型。
优选地，在步骤e中，
对生成的三维矿体模型还进行相互穿插验证和修正工作。
优选地，断层外推的距离为勘探线间距的一半。
优选地，所述穿插验证是指检查临近的两个矿体是否是交叉延伸的，如果是交叉延伸的，则采取修正措施，
所述修正措施是对交叉延伸的两个矿体采用布尔运算，切除其中一个矿体交叉的部分。
本发明的有益效果是：本发明所提出的一种地质构造的三维表征方法是指通过三维建模的方式，将地质体与构造完整再现于真实三维空间中，从而可以更加精确地估算地质资源储量，可以更加直观地对整个矿床进行分析研究。
本发明对于采矿工程设计而言，首要考虑的因素便是各地质体的三维空间位置及形态。对地质情况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系统的布置。本发明对于采矿生产而言，能够减小由于地质情况认识不到位而造成的风险，减少事故，最大程度保障企业和职工人身财产安全。
附图说明
通过结合下面附图对其实施例进行描述，本发明的上述特征和技术优点将会变得更加清楚和容易理解。
图1是表示现有技术的矿体和断层模型的平面图；
图2是表示本发明实施例的矿体和断层模型的平面图；
图3是表示本发明实施例的视角投影法的俯视图；
图4是表示本发明实施例的视角投影法的立体示意图；
图5是表示本发明实施例的地质构造的三维表征方法的步骤示意图；
图6是表示走向、倾向的示意图；
图7是表示倾伏向的示意图。
具体实施方式
下面将参考附图来描述本发明所述的地质构造的三维表征方法的实施例。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。
如图5所示，本发明实施例的地质构造的三维表征方法包括以下步骤：
a、收集矿山的各个历史时期的地质资料，所述地质资料包括地质剖面图、水平分层图、矿体投影图，并进行数字化处理。其中，如图2中所示的30是坐标网，两个矿体10沿断层的方向产生滑移。其中，地质剖面图是指沿铅垂方向，将大地切开片，反映切开断面上岩层及构造形态的图件。地质剖面图是指经过勘探线的竖向剖面图，即地质剖面图包括经过勘探线的二维剖面，下文中所述的二维剖面均意为经过勘探线的二维剖面。水平分层平面图是指水平方向地质切面图。矿体投影图是指用一定的投影方法(一般是正投影方法)，将矿体界线及其他有关内容，投影到某一理想平面上而构成的图件。
b、提取建模所需的地质要素，并将各地质要素由二维状态转为三维状态，其中，地质要素至少包括二维剖面断层轮廓线、二维剖面矿体轮廓线，从而形成三维剖面断层轮廓线、三维剖面矿体轮廓线。此处所说的三维是指通过坐标转换的方式，将二维状态的剖面图转换到真实三维空间中。二维状态转换为三维状态可以通过多种途径实现，可以利用CAD或者3DMine软件实现此过程。
c、依次连接各三维剖面断层轮廓线对应侧的点形成三维断层模型。
d、通过视角投影法来确定矿体向断层面投影的方向，依据投影方向将最邻近断层面的三维剖面矿体轮廓线投影至断层面，生成投影矿体轮廓线。
e、分别建立断层两侧的矿体模型10，其中，任一侧的矿体模型10都是通过将步骤b中建立的三维剖面矿体轮廓线及d步骤中做出的投影矿体轮廓线依次进行连接。如图4所示，两个三维剖面矿体轮廓线101、102通过对应的连接点相连接，然后三维剖面矿体轮廓线101再与其在断层面20上投影产生的投影矿体轮廓线1051连接。再根据矿体尖灭趋势，在矿体末端完成轮廓线外推，完成三维矿体模型的构建，其中，轮廓线外推的方向是将临近最末端的三维剖面矿体轮廓线指向最末端(最远离断层的)的三维剖面矿体轮廓线的直线方向。
在一个可选实施例中，在步骤b中，二维状态转为三维状态的方法是：
根据勘探线起止点坐标及角度构建勘探线数据库，将各地质剖面图上的二维剖面断层轮廓线、二维剖面矿体轮廓线按照勘探线数据库进行三维化处理。其中，构建数据库仅是为了便于数据管理，也可以不构建数据库，直接应用勘探线起止点坐标及角度进行三维化处理。
在一个可选实施例中，三维断层模型的两端采用断层外推的方法确定断层边界，优选地，外推的距离为勘探线间距的一半，其中，断层外推的方向是临近最外端剖面的剖面上的三维剖面断层轮廓线指向对应的最外端剖面上的三维剖面断层轮廓线的直线方向。
在一个可选实施例中，步骤c中所述断层包括两种情况：
1)一个断层的轮廓线在其中的随意一个剖面上仅显示为一条单线条，则该单线条即为剖面断层轮廓线。
2)一个断层的轮廓线在其中的随意一个剖面上呈现为两条不闭合的单线条，在这种情况下，则将剖面内的两条不闭合的单线条首尾相接形成闭合的单线条作为剖面断层轮廓线。所述断层的轮廓线是指断层的厚度方向的两侧的轮廓线。在一个可选实施例中，步骤d中的视角投影法包括：
1)在俯视状态下，如图3所示，沿着离断层面最近的一个三维剖面矿体轮廓线101的后向矿体轮廓线102指向所述离断层面最近的一个三维剖面矿体轮廓线101的方向，确定投影矿体105的走向。其中，投影矿体105是指离断层面20最近的三维剖面矿体轮廓线101向断层面20延伸至相交的矿体。图3中是以一个俯视图的形式来说明，黑色圆点即为三维剖面矿体轮廓线上的点。如图4所示，通过后向的三维剖面矿体轮廓线102向离断层面20最近的一个三维剖面矿体轮廓线101的直线方向确定投影矿体105的走向。后向是指任一个三维剖面矿体轮廓线靠向远离断层面一侧的临近的三维剖面矿体轮廓线。
2)同样地，沿着离断层面最近的一个三维剖面矿体轮廓线101的后向矿体轮廓线102指向所述离断层面最近的一个三维剖面矿体轮廓线101的方向，确定投影矿体105的倾向。
3)在自由三维状态下，参照一系列后向三维剖面矿体轮廓线及相邻矿体的延伸趋势，确定投影矿体的倾伏向。一系列后向三维剖面矿体轮廓线是指离断层面最近的三维剖面矿体轮廓线101靠向远离断层面一侧的临近的多个三维剖面矿体轮廓线，相邻矿体是指该矿区的其他的临近的矿体。参照是指按照一系列后向三维剖面矿体轮廓线及相邻矿体的延伸趋势来将离断层面最近的三维剖面矿体轮廓线101向断层面延伸。延伸趋势是指一系列后向三维剖面矿体轮廓线的延伸特征。例如一上一下的起伏，一直以固定角度向下延伸，一直以固定角度向上延伸等。
4)将离断层面最近的三维剖面矿体轮廓线101投影至断层，在三维断层模型表面上形成一个闭合的投影矿体轮廓线1051。
如图6、图7所示，断层面或矿体的斜面沿水平方向的延伸方向称为走向，即断层面或矿体的斜面与水平面的交线是走向线，走向线两端所指方向是走向。与走向线垂直并沿矿体的斜面向下所引的直线叫倾向线，倾向线在水平面投影的方向即倾向。倾伏向是指该矿体的斜面上任一下倾线在平面上投影的方位。斜面上的下倾线与斜面上的走向线之间的夹角为侧伏角α，下倾线与其水平投影线之间的夹角称为该直线的倾伏角β，斜面上的斜向线与其在水平面上的投影线之间的夹角为倾角γ。
在一个可选实施例中，在步骤e中，在投影矿体与断层面接触的端部，将三维剖面矿体轮廓线101与对应的投影矿体轮廓线1051利用三角网相连接，而后封闭投影矿体轮廓线1051。
在一个可选实施例中，在步骤e中，三维矿体模型的构建中综合考虑边界品位、可采厚度、夹石剔除厚度，并结合地质资料中所采用的矿体圈连原则，按照勘探线顺序依次圈连三维矿体轮廓线生成三维矿体模型。利用b步骤中做出的三维剖面矿体轮廓线，依据地质资料、矿体赋存条件及成矿规律，综合考虑矿体整体形状、多边形、构成多边形的顶点及三角形的稳定性等，来构造轮廓线之间的最佳三角形网，以达到模拟实体表面的目的。三角形网是指两条闭合的线在空间中相连变为体的最基本单元。两条线上各有无数个点，A剖面矿体线上的两个点和B剖面矿体线上的一个点相连即为一个三角面，B剖面矿体线上的两个点和A剖面矿体线上的一个点相连即为一个三角面，以此类推形成无数个三角面，这就构成了体。在三维状态下对各三维剖面矿体线相圈连，最终形成各个矿体的三维模型。
在一个可选实施例中，在步骤e中，对生成的三维矿体模型还进行相互穿插验证和修正工作。所述穿插验证是指检查临近的两个矿体是否是交叉延伸的，如果是交叉延伸的，则采取修正措施，所述修正措施是对交叉延伸的两个矿体采用布尔运算，切除其中一个矿体交叉的部分。
下面通过本实施例开展本发明与现有技术中建模结果的对比分析，以说明本发明的先进性。
一、矿石资源储量估算结果对比
现有技术中利用垂直或平行断面法来估算矿床矿石资源储量，矿体被一系列勘探面分为若干个矿段，先计算各断面上矿体面积，然后根据下列情况计算各矿段的体积和储量，并把各矿段的储量相加得到总储量，估算公式如下：
①体积估算公式，分下面四种情况：
1)、 ((S1－S2)/S1＜40％，S1＞S2)
2)、 ((S1－S2)/S1＞40％，S1＞S2)
3)、 (楔形体)
4)、 (锥形体)
式中：v——矿体体积(m3)；
s——剖面矿体面积(m2)，S1、S2是指两个相对应剖面矿体的面积；
l——勘探线间距(m)
②资源储量估算公式
公式：
式中：Q——矿石资源储量(t)
v——矿体体积(m3)
——矿石平均体重(t/m3)
本发明利用垂直平行断面法和本实施例的三维矿体模型分别对矿体体积和矿石资源储量进行了估算，结果见表1。可以看出，相比于现有技术，通过本实施例构建的三维矿体模型估算出的矿石资源储量减少了11.97％，更接近实际。本实施例仅论述垂直平行断面法与本实施例的三维矿体模型产生的体积差异，对于本实施例的三维矿体模型的体积计算不做详述。
表1
| 对比项目 | 垂直平行断面法 | 本实施例 | 绝对差值 | 差值百分比(％) |
| 体积(m3) | 6128943 | 5395018 | -733925 | -11.97 |
| 矿量(吨) | 21451300.5 | 18882563 | -2568737.5 | -11.97 |
二、现有技术的模型与本实施例的三维矿体模型的对比分析
由前述现有技术的方法所采用的公式可以看出，现有技术实际上就是采用两个相对应矿体截面面积直接对算的方式来估算矿石资源储量，并未考虑到断层错断矿体造成的局部矿体形态及矿量变化。反映到三维空间中可以看出，利用现有技术所建立的模型横穿断层，并未体现出矿体被断层错断的情形。
本实施例中所采用的视角投影法所建立的三维矿体模型更加符合矿体和断层在三维空间中的真实赋存状态。
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 (6)
1.一种地质构造的三维表征方法，其特征在于，包括以下步骤：
a、收集矿山的历史时期的地质资料，所述地质资料包括地质剖面图，并进行数字化处理，其中地质剖面图包括经过勘探线的二维剖面；
b、从所述地质资料中提取建模所需的地质要素，并将各地质要素由二维状态转为三维状态，其中，地质要素至少包括二维剖面断层轮廓线、二维剖面矿体轮廓线，从而形成三维剖面断层轮廓线、三维剖面矿体轮廓线；
c、依次连接各三维剖面断层轮廓线对应侧的点形成三维断层模型；
d、通过视角投影法来确定矿体向三维断层模型的断层面投影方向，依据投影方向将最邻近断层面的三维剖面矿体轮廓线投影至断层面，生成投影矿体轮廓线；
e、分别建立断层两侧的矿体模型，其中，任一侧的矿体模型都是通过将步骤b中建立的三维剖面矿体轮廓线及步骤d中做出的投影矿体轮廓线依次进行连接，并在矿体末端完成轮廓线外推，完成三维矿体模型的构建，
其中，矿体末端是指远离断层面的方向上最远的一个三维剖面矿体轮廓线，
其中，轮廓线外推的方向是将临近最末端的矿体轮廓线指向最末端的矿体轮廓线的直线方向，
在步骤b中，二维状态转为三维状态的方法是：
根据勘探线起止点的坐标及角度将各地质剖面图上的二维剖面断层轮廓线、二维剖面矿体轮廓线进行三维化处理；
三维断层模型的两端采用断层外推的方法确定断层边界，其中，断层外推的方向是临近最外端剖面的剖面上的三维剖面断层轮廓线指向对应的最外端剖面上的三维剖面断层轮廓线的直线方向，
步骤c中所述断层包括两种情况：
1)一个断层的轮廓线在其中的随意一个剖面上仅显示为一条单线条，则该单线条即为剖面断层轮廓线；
2)一个断层的轮廓线在其中的随意一个所述剖面上呈现为两条不闭合的单线条，在这种情况下，则将两条不闭合的单线条首尾相接形成闭合的单线条，作为剖面断层轮廓线，
步骤d中的视角投影法包括：
1)在俯视状态下，沿着离断层面最近的一个三维剖面矿体轮廓线的后向矿体轮廓线指向所述离断层面最近的一个三维剖面矿体轮廓线的方向，确定投影矿体的走向，
其中，后向矿体轮廓线是指任一三维剖面矿体轮廓线靠向远离断层面一侧的三维剖面矿体轮廓线，
其中，投影矿体是指离断层面最近的三维剖面矿体轮廓线向断层面延伸至相交的矿体；
2)沿着离断层面最近的一个三维剖面矿体轮廓线的后向矿体轮廓线指向所述离断层面最近的一个三维剖面矿体轮廓线的方向，确定投影矿体的倾向；
3)在自由三维状态下，参照一系列后向矿体轮廓线及相邻矿体的延伸趋势，确定投影矿体的倾伏向；
4)将离断层最近的三维剖面矿体轮廓线投影至断层，在三维断层模型表面上形成一个闭合的投影矿体轮廓线。
2.如权利要求1所述的地质构造的三维表征方法，其特征在于，在步骤e中，
将离断层面最近的一个三维剖面矿体轮廓线与对应的投影矿体轮廓线利用三角网相连接，而后封闭投影矿体轮廓线。
3.如权利要求1所述的地质构造的三维表征方法，其特征在于，在步骤e中，三维矿体模型的构建中综合考虑边界品位、可采厚度、夹石剔除厚度，按照勘探线顺序依次连接各三维剖面矿体轮廓线，从而生成三维矿体模型。
4.如权利要求1所述的地质构造的三维表征方法，其特征在于，在步骤e中，
对生成的三维矿体模型还进行相互穿插验证和修正工作。
5.如权利要求1所述的地质构造的三维表征方法，其特征在于，断层外推的距离为勘探线间距的一半。
6.如权利要求4所述的地质构造的三维表征方法，其特征在于，
所述穿插验证是指检查临近的两个矿体是否是交叉延伸的，如果是交叉延伸的，则采取修正措施，
所述修正措施是对交叉延伸的两个矿体采用布尔运算，切除其中一个矿体交叉的部分。
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