CN117197377A - 矿山开采区三维动态可视化建模方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种矿山开采区三维动态可视化建模方法，本发明建立了开采区多元探测大数据信息数据库，并提出探测大数据处理与综合分析方法，构建矿山开采区三维地质模型，以实现所述矿山开采区三维动态可视化建模。建立的开采区三维地质模型，能明确地层自重应力和上覆载荷叠加作用下开采区覆岩空间结构失稳规律、开采区覆岩结构变化与地面变形区域分布规律，并可结合监测数据分析不同条件下开采区，可为进一步建立考虑时间效应的采空区地质结构三维模型四维评价方法提供基础数据支撑，为不同地质条件下的采空区治理及开采区工程建设规划提供依据。
Description
技术领域
本发明属于采煤领域，尤其涉及一种矿山开采区三维动态可视化建模方法。
背景技术
浅部煤炭资源随着开采需求的不断增大而逐渐枯竭，地下开采的范围和深度、采矿沉陷区面积均在不断扩张，且建筑物下压煤量和开采区开采后新建或者重建建筑需求巨大，因此采矿沉陷地建设利用成为解决城市建设用地瓶颈的重要举措。然而，开采地采空区在新建建筑载荷的作用下，上覆地层会被“活化”，再次产生移动、变形和破坏，进而引发建（构）筑物沉降、开裂、倾斜甚至倒塌，相关民用标准规范不再适用，开采区三维动态可视化建模和采空区治理工程极具重要性和挑战性。
为了仿真显示开采区地质模型，可借助人机交互系统构建三维可视化地质模型，以完成开采区直观展示、数据提取、切割显示等操作。三维可视化建模技术将给平面模型带来质的飞跃，打破了二维模型的局限性，并有效降低阅读二维图件的难度，而且具有具象、简单便捷、定制化信息显示、远程访问、数据共享等优点。具体而言，三维可视化建模技术可以通过数据持续的录入和动态的存储更新，对开采区地质模型进行动态构建和现象表达，实现三维模型和数据的动态展示和提取、开采区监测分布动态可视化的高效管理以及相关资源的高效合理利用。但是现有公开的技术及方法表明：现有建模技术无法充分利用多元探测大数据信息数据库和三维地质建模系统的数据动态更新与调度机制，实现矿山开采区三维实体渲染可视化以及高阶的三维动态可视化建模。
例如：在申请号为CN201811541361.1的专利申请中公开了一种矿山采空区的建模分析方法，采用三维激光扫描仪获得采空区的点云数据；处理点云数据得到整个采空区的点云三维模型；生成采空区的CAD面轮廓线；将CAD面轮廓线转换并导入成MIDAS软件中的面轮廓线；利用MIDAS软件处理生成与实际情况相符合的三维采空区实体模型；利用MIDAS软件生成包含采空区的三维矿山实体模型；将得到的采空区-围岩实体模型进行网格划分，得到包含采空区的矿山三维网格模型；将MIDAS软件中的三维网格模型转换成FPN文件导入到FLAC软件中，赋予模型相关参数，建立研究所需的分析工况，对采空区进行各种情况的分析；但是该专利公开的方法无法结合地层信息对三维实体进行渲染以实现三维实体渲染的可视化进程，从而完成矿山开采区三维地质可视化模型，尤其是不能结合多元探测大数据信息数据库和三维地质建模系统的数据动态更新与调度机制，实现矿山开采区三维动态可视化建模。
在申请号为CN201710150624.5的专利申请中公开了一种矿集区尺度区域三维地质建模方法及系统，该方法包括：获取地质调查数据，所述地质调查数据包括地层区特征数据、构造线特征数据、产状点特征数据、钻孔特征数据、勘探线特征数据、槽探特征和坑道特征数据；定义地层与地层之间的时空关系、断层之间的时空关系以及地层与断层之间的时空关系；采用协同克里格算法对所述地质调查数据和所述时空关系进行隐式空间插值；根据插值结果构建虚拟地质剖面；对所述虚拟地质剖面进行编辑；根据所述虚拟地质剖面确定矿集区三维地质模型。本发明提供的矿集区尺度区域三维地质建模方法及系统能够在保障低成本的基础上，对矿集区尺度区域的地质进行准确的建模；但是该专利公开的方法也无法结合地层信息对三维实体进行渲染以实现三维实体渲染的可视化进程，从而完成矿山开采区三维地质可视化模型，尤其是不能结合多元探测大数据信息数据库和三维地质建模系统的数据动态更新与调度机制，实现矿山开采区三维动态可视化建模。
发明内容
本发明的目的在于提供一种矿山开采区三维动态可视化建模方法，其中包括：建立多元探测大数据信息数据库，构建矿山开采区三维地质结构模型，实现所述矿山开采区三维动态可视化建模，进一步为建立采空区地质结构三维模型四维的评价方法提供基础数据支撑。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
本发明提供一种矿山开采区三维动态可视化建模方法，包括如下步骤：
步骤1：基于开采地区调查及测绘、地球物理勘探与钻探测试大数据建立所述矿山开采区多元探测大数据信息数据库；
步骤2：根据所述地球物理勘探与钻探测试大数据，结合水文地质条件、断层褶皱分布情况以及相关采掘工程概况，建立相关地质剖面，并对所述地质剖面进行重磁联合反演，使其符合地下地质规律。
步骤3：根据所述地质剖面，将剖面二维数据转换为三维数据，并结合所述矿山开采区多元探测大数据信息数据库，获取各地层空间点数据。将所述各地层空间点数据导入三维地质建模系统，基于插值法将杂乱无章的所述各地层空间点数据转化为有序的面数据，并利用所述面数据构造所述各地层网格模型。
步骤4：根据所述各地层网格模型，基于拓扑学对所述网格模型运用三角剖分法进行剖分，形成三角形网格的TIN三维地质表面，完成各地层分层构造面；
步骤5：基于所述钻探测试大数据中煤层分界线和采掘工程平面图，结合所述地层分层构造面，绘制采空区。再结合所述地球物理勘探与钻探测试大数据，绘制采空区垮落情况。各地层分层构造面结合所述采空区，按照自上而下的层序在空间上叠加，以形成三维实体。
步骤6：基于所述三维实体，结合地层信息对所述三维实体进行渲染，实现所述三维实体渲染的可视化进程，完成矿山开采区三维地质可视化模型。
步骤7：基于所述三维地质可视化模型，结合所述多元探测大数据信息数据库和所述三维地质建模系统的数据动态更新与调度机制，实现所述矿山开采区三维动态可视化建模。为后续地层上覆建筑的开发和安全，提供治理依据和建设指导。
本发明建立的开采区三维地质可视化模型，能明确地层自重应力和上覆载荷叠加作用下开采区覆岩空间结构失稳规律、开采区覆岩结构变化与地面变形区域分布规律，并可结合监测数据分析不同条件下开采区，可为进一步建立考虑时间效应的采空区地质结构三维模型四维评价方法提供基础数据支撑，为不同地质条件下的采空区治理及开采区工程建设规划提供依据。
作为进一步的技术方案， 所述步骤1中建立矿山开采区多元探测大数据信息数据库，要开展矿山开采区实地调研，分析闭坑报告、采掘平面图、生产地质报告、地表沉陷监测报告、资源储量核实报告，明确研究区内开采区类型、采空区形成时间、粗略位置、采煤体积及地表沉陷特征。
作为进一步的技术方案，所述步骤2中的建立相关地质剖面所用的钻探测试大数据，对相关钻孔数据进行校正和预处理，保证各钻孔数据所属地层或断层信息一致；所述地质剖面的建立还需要结合相应区域的地质资料，用以推断真实地下结构；对地质剖面进行重磁联合反演，将地球物理观测所得的重力数据和磁法数据进行反演，求取满足真实地球物理观测值的地质模型。
作为进一步的技术方案，所述步骤3中采用Kriging插值法来创建网格模型，将杂乱无章的点数据转化为可供建模的面数据，同时对区域内可能残缺的数据进行补全或加密。
作为进一步的技术方案，所述步骤4中采用Delaunay三角剖分法，在构成网格模型的平面点集中形成三角形的连接方式。
作为进一步的技术方案，步骤5中的生成三维实体中，较小断层及褶皱直接以三维曲面的形式插入在三维地质模型中，规模较大的断层或者褶皱，分多个面来分别构造三角形网格，同时结合钻探数据、物探数据和采掘工程平面图绘制采空区以及采空区垮落情况，保证三维地质模型的真实性。
作为进一步的技术方案，步骤6中实现开采区三维地质可视化建模，需要根据地层信息不同，利用颜色贴片、材质质感附加、光影纹理映射来完成地层渲染。
作为进一步的技术方案，所述步骤7中动态可视化建模包括模型三维动态交互和动态建模。
作为进一步的技术方案，所述三维动态交互借助鼠标键盘完成对模型相应的交互操作。
作为进一步的技术方案，所述动态建模则依靠具有数据动态更新机制的多元数据库来实现随着时间变化和数据更新，模型组建的动态进程。
上述本发明的实施例的有益效果如下：
本发明结合地层信息对三维实体进行渲染以实现三维实体渲染的可视化进程，从而完成矿山开采区三维地质可视化模型，尤其是结合多元探测大数据信息数据库和三维地质建模系统的数据动态更新与调度机制，实现矿山开采区三维动态可视化建模。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明矿山开采区三维动态可视化建模设计方法图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非本发明另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；
正如背景技术所介绍的，现有技术中存在的不足，为了解决如上的技术问题，本发明提出了一种矿山开采区三维动态可视化建模方法。
本申请提供了一种矿山开采区三维动态可视化建模方法，通过建立多元探测大数据信息数据库，构建矿山开采区三维地质模型，最终实现所述矿山开采区三维动态可视化建模，具体步骤为：
步骤1：基于开采地区调查及测绘、地球物理勘探与钻探测试大数据等建立所述矿山开采区多元探测大数据信息数据库；
其中数据来源，需要开展开采地区实地调研，分析闭坑报告、采掘平面图、生产地质报告、地表沉陷监测报告、资源储量核实报告等资料，明确研究区内开采区类型、采空区形成时间、粗略位置、采煤体积及地表沉陷特征。该类数据主要为实测数据，是其他数据内容的基础组成，经过处理之后，可以反演或者用于约束地质体相关形态，可为地质建模提供验证和动态更新支持，最终用以三维地质模型的建立，且保证所述三维地质模型更加可靠。
特别指出，此处的多元信息数据库具备数据动态更新机制，可对数据模型给予动态更新支持。且该多元信息数据库不仅可以存储数值、文本等普通格式数据，对各种矢量形式存在的地形图和剖面图，遥感影像等图片格式数据也可支持存储和更新。
（1）闭坑报告内容包括采区概况、矿山地质简介、矿山开采和资源利用情况、探采对比、环境影响评估等，其中：采区概况指位置交通及自然地理概况（地形地貌、地表水系）、地质勘查概况、矿山开采简况、周边矿井情况、闭坑停办原因；矿山地质简介指区域地质概况、矿区地质、煤岩煤质、矿山开采技术条件、矿山开采技术条件、矿山地质测量工作及质量；矿山开采和资源利用情况指矿山开采和资源利用情况、工业指标实际运用情况及合理性评述、资源储量注销情况、剩余资源储量、共伴生矿产利用情况、影响矿山开采的主要地质问题；探采对比指资源储量对比、开采技术条件对比、勘查方法评述、资源储量估算方法评述；环境影响评估指地下水疏干范围、水位及其恢复程度、采区地质环境变化、水体污染及其自净情况的评述、废弃物堆放情况与处理。
闭坑报告还包括与之对应的图纸，如矿井地形地质图、地区水文地质图、水文地质剖面图、煤层底板等高线及资源储量估算水平投影、矿井上下对照等。
分析闭坑报告的目的主要是：在调查井田地质勘查、生产勘探、资源储量核实等工作程度的基础上查明累计查明资源储量及变化情况、原因；查明矿山开采情况，以评述工业指标的运用及合理性，并估算剩余的资源储量，查明剩余原因、共伴生矿产利用情况，最后指出影响矿山开采的主要地质问题；在探采对比的基础上，评述以往地质勘查工作、资源储量估算方法的合理性；在现状评价的基础上，预测矿山关闭后存在的地质环境问题，提出针对性的治理方案或应对措施；确定矿山关闭的合理性等。
（2）采掘平面图主要包括立井位置、钻孔位置、岩巷和煤巷信息、断层位置、勘探线位置、井田边界、勘查区范围、项目区位置、水源孔信息、采空区位置等。
（3）生产地质报告包含矿井采掘概况、采空塌陷概况、区域地质和水文地质、区域及场地稳定性、矿区地质、矿区水文地质、区域地理位置、井田边界、主要地质构造情况及地层情况、区域煤层层位及厚度变化、煤层的连续性等。
（4）地表沉陷监测报告包括开采区位置、交通、地形地貌、区域和井田构造、水文地质情况、工作面情况、地表移动变形分布规律、地表移动稳定后的角量参数、松散层和基岩层移动角的确定、工作面的下沉量、水平位移量、各开采工作面对各区域的影响情况等。
（5）资源储量核实报告包括地层层序、地质情况，矿区地质特征，煤层、煤质特征，开采后的地质变化，区内构造特征，圈定煤层底板等高线，采空区和风化带，矿产赋存情况，矿区位置及矿区范围，采区自然地理情况，区域地质和构造，矿区地层和构造、矿区煤层煤质等。
步骤2：根据所述地球物理勘探与钻探测试大数据，结合水文地质条件、断层褶皱分布情况以及相关采掘工程概况，建立相关地质剖面，并对所述地质剖面进行重磁联合反演，使其符合地下地质规律。
进一步的，地质剖面的绘制需要对相关钻孔数据进行校正和预处理，结合相关工程经验对各个钻孔数据进行统一编号，尽量保证同一地层或断层在各个钻孔中的编号相互对应。
更进一步的，为了保证三维地质模型的真实性，所述地质剖面的绘制还需要结合相应区域的产状、地层等地质资料，用以推断真实地下结构，提高地质体三维地质模型的建模精度。
最后，需要对所述地质剖面进行重磁联合反演，求取可以满足真实地球物理观测值的地质模型，保证所述地质模型的真实性和可靠性。
步骤3：根据所述地质剖面，将剖面二维数据转换为三维数据，并结合所述矿山开采区多元探测大数据信息数据库，获取各地层空间点数据。将所述各地层空间点数据导入三维地质建模系统，基于插值法将杂乱无章的所述各地层空间点数据转化为有序的面数据，并利用所述面数据构造所述各地层网格模型。
进一步的，因为原始数据由于测量或者其它原因会有一些缺陷，当这些数据被使用时，必须要在一定的准则下进行预处理或者是加工。而将点数据转化为可构建表面的面数据，插值法采用Kriging插值法。
更进一步的，利用Kriging插值法，将从原始数据中获取的杂乱的空间离散数据点进行一定次序的排列，同时对区域内可能残缺的数据进行补全或加密，提高建模精度和可视化效果。
步骤4：根据所述各地层网格模型，基于拓扑学对所述网格模型运用三角剖分法进行剖分，形成三角形网格的TIN三维地质表面，完成各地层分层构造面；
进一步的，剖分网格时所用的剖分法采用Delaunay三角剖分法。其中Delaunay三角网具备两个重要特性，空外接圆性质——在由点集P构造的Delaunay三角网中，各三角形的外接圆均不包含点集P中其他任意点；和最大最小角性质——在由相邻三角形形成的四边形中，当变换四边形的对角线时，6个内角的最小角不再增大，并且各边尽量相等。
更进一步的，Delaunay三角剖分法的实现选用逐点插入法，不断插入点并重构三角形网格，以形成精度更好的三角网格模型。
三角型网络即TIN生成之后，其实也就相当于面数据已经生成，但是实际地层结构却普遍存在着侵蚀、尖 灭、透镜体，以及断层的切割等复杂的地质结构，进一步的，为了精确地表达这些复杂的地层结构，需要进行地层面TIN模型的裁剪
步骤5：基于所述钻探测试大数据中煤层分界线和采掘工程平面图，结合所述地层分层构造面，绘制采空区。再结合所述地球物理勘探与钻探测试大数据，绘制采空区垮落情况。各地层分层构造面结合所述采空区，按照自上而下的层序在空间上叠加，以形成三维实体。
进一步的，三维实体中需要考虑断层，褶皱等特殊地质构造对三维建模的影响。较小断层或者褶皱可以直接以三维曲面的形式插入在三维地质模型中，规模较大的断层或者褶皱，需要分多个面，如断层两端或者褶皱面来分别构造三角形网格。 其中，本实施例中将长度或规模小于等于100m以内的断层或者褶皱界定为较小断层或者褶皱，将长度或规模大于100m以上的断层或者褶皱界定为较大断层或者褶皱。
更进一步的，要结合钻探数据、物探数据和采掘工程平面图绘制采空区以及采空区垮落情况，保证三维地质模型的真实性。
步骤6：基于所述三维实体，结合地层信息对所述三维实体进行渲染，实现所述三维实体渲染的可视化进程，完成矿山开采区三维地质可视化模型。
进一步的，渲染模型的时候需要利用颜色贴片、材质质感附加、光影纹理映射等方法来完成地层渲染，或者借助贴图来完成信息表达，使其直观明了。
步骤7：基于所述三维地质可视化模型，结合所述多元探测大数据信息数据库和所述三维地质建模系统的数据动态更新与调度机制，实现所述矿山开采区三维动态可视化建模。为后续地层上覆建筑的开发和安全，提供治理依据和建设指导。
进一步的，三维地质模型可以通过切片的方式看纵/剖面图。
再进一步的，可以模拟工程钻探在模型中提取所需的钻孔数据，为实际工程建设提供数据参考。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，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.矿山开采区三维动态可视化建模方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：基于开采地区调查及测绘、地球物理勘探与钻探测试大数据建立矿山开采区多元探测大数据信息数据库；
步骤2：根据所述地球物理勘探与钻探测试大数据，结合水文地质条件、断层褶皱分布情况以及相关采掘工程概况，建立相关地质剖面，要求所述地质剖面贯通主要地质体，并对所述地质剖面进行重磁联合反演，使其符合地下地质规律；
步骤3：根据所述地质剖面，将剖面二维数据转换为三维数据，并结合所述矿山开采区多元探测大数据信息数据库，获取各地层空间点数据；将所述各地层空间点数据导入三维地质建模系统，基于插值法将杂乱无章的所述各地层空间点数据转化为有序的面数据，并利用所述面数据构造各地层网格模型；
步骤4：根据所述各地层网格模型，基于拓扑学对所述各地层网格模型运用三角剖分法进行剖分，形成三角形网格的TIN三维地质表面，完成各地层分层构造面；
步骤5：基于所述钻探测试大数据中煤层分界线和采掘工程平面图，结合所述各地层分层构造面，绘制采空区；再结合所述地球物理勘探与钻探测试大数据，绘制采空区垮落情况，各地层分层构造面结合所述采空区，按照自上而下的层序在空间上叠加，以形成三维实体，并用可靠数据进行模型验证；
步骤6：基于所述三维实体，结合地层信息对所述三维实体进行渲染，实现所述三维实体渲染的可视化进程，完成矿山开采区三维地质可视化模型；
步骤7：基于所述三维地质可视化模型，结合所述矿山开采区多元探测大数据信息数据库和所述三维地质建模系统的数据动态更新与调度机制，实现矿山开采区三维动态可视化建模。
2.如权利要求1所述的矿山开采区三维动态可视化建模方法，其特征在于，所述步骤1中建立矿山开采区多元探测大数据信息数据库，要开展矿山开采区实地调研，分析闭坑报告、采掘平面图、生产地质报告、地表沉陷监测报告、资源储量核实报告，明确研究区内开采区类型、采空区形成时间、粗略位置、采煤体积及地表沉陷特征。
3.如权利要求1所述的矿山开采区三维动态可视化建模方法，其特征在于，所述步骤2中的建立相关地质剖面所用的钻探测试大数据，对相关钻孔数据进行校正和预处理，保证各钻孔数据所属地层或断层信息一致；所述地质剖面的建立还需要结合相应区域的地质资料，用以推断真实地下结构；对地质剖面进行重磁联合反演，将地球物理观测所得的重力数据和磁法数据进行反演，求取满足真实地球物理观测值的地质模型。
4.如权利要求1所述的矿山开采区三维动态可视化建模方法，其特征在于，所述步骤3中采用Kriging插值法来创建各地层网格模型，将杂乱无章的点数据转化为可供建模的面数据，同时对区域内残缺的数据进行补全或加密。
5.如权利要求1所述的矿山开采区三维动态可视化建模方法，其特征在于，所述步骤4中采用Delaunay三角剖分法，在构成网格模型的平面点集中形成三角形的连接方式。
6.如权利要求1所述的矿山开采区三维动态可视化建模方法，其特征在于，步骤5中的生成三维实体中，较小断层及褶皱直接以三维曲面的形式插入在三维地质模型中，规模较大的断层或者褶皱，分多个面来分别构造三角形网格，同时结合钻探数据、物探数据和采掘工程平面图绘制采空区，保证三维地质模型的真实性。
7.如权利要求1所述的矿山开采区三维动态可视化建模方法，其特征在于，步骤6中实现开采区三维地质可视化建模，需要根据地层信息不同，利用颜色贴片、材质质感附加、光影纹理映射来完成地层渲染。
8.如权利要求1所述的矿山开采区三维动态可视化建模方法，其特征在于，步骤7中动态可视化建模包括模型三维动态交互和动态建模。
9.如权利要求8所述的矿山开采区三维动态可视化建模方法，其特征在于，所述三维动态交互借助鼠标键盘完成对模型相应的交互操作。
10.如权利要求8所述的矿山开采区三维动态可视化建模方法，其特征在于，所述动态建模则依靠具有数据动态更新机制的多元数据库来实现随着时间变化和数据更新，模型组建的动态进程。
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| CN117743620B (zh) * | 2024-02-21 | 2024-05-03 | 中国有色金属工业昆明勘察设计研究院有限公司 | 一种大岩土数智系统 |
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