浅析地下巷道三维可视化模型——以洪剑铁矿为例_侯建斌.pdf

01901812*32侯建斌，杨峻懿，郝书清，冯志强（1.山西华冶勘测工程技术有限公司，山西 太原 030032；2.太原理工大学，山西 太原 030024；3.山西省第三地质工程勘察院有限公司，山西 晋中 030620）摘要：地下巷道三维可视化建模是实现数字矿山的一项重要内容。利用Surpac三维地质建模软件，分析研究了洪剑铁矿的地质概况和矿床地质特征，通过收集整理矿区的地质资料，建立对应的三维地表模型和巷道实体模型。将地下巷道三维可视化，一方面可以直观地展现巷道与地下矿体的空间位置分布关系，另一方面对矿区的实际采矿和管理工作具有指导意义。关键词：巷道；Surpac；三维建模；可视化；洪剑铁矿中图分类号：P624 文 献标识码：A文章编号：2096-7519（2023）02-18-4浅析地下巷道三维可视化模型以洪剑铁矿为例数字矿山的研究已经取得了飞速进展，井下巷道1的三维可视化操作一直是数字矿山的重要一环。巷道作为连接地面和地下建立的通道，需要考虑各种复杂的地质情况，采用传统的二维方式观察巷道不2能直观地表达巷道的空间位置和整体的路线分布。为满足数字矿山对巷道可视化的要求，利用Surpac三维地质建模软件对洪剑铁矿的井下巷道进行三维建模。前人做了许多研究，比如许军等以矿业可视化软件为手段建立了各中段平巷的三维模型、各类3井筒的三维模型以及斜坡道的三维模型。徐海等用Surpac、Dimine等数字化工具形成了两种有效的4巷道三维建模方法。杨文静等以陕西凤县银母寺铅锌矿为例，讨论了应用Surpac构建三维巷道模型5的方法。山西省洪剑铁矿资源丰富，适合开发。但井下坑道众多，情况复杂，因此本研究系统地完成坑道测量工作，与矿方提供的已有坑道资料相结合，涵盖矿区整体坑道分布情况。本次收集地形图2张并以此为依据利用Surpac软件构建洪剑铁矿三维地形模型。收集坑道中段平面图1份，整理56张坑道中段图，并建立井巷中线，然后根据井巷中线构建巷道实体，使洪剑铁矿地下巷道直观具体地展示其空间分布和路线变化。1 地质概况1.1 区域地质特征本区位于五台山脉北麓，即原平县善护山五台豆村南台东台大寨口一线以北地区，处于吕梁太行断块（级）五台山块隆（级），恒山五台山穹隆（级）南部的五台山隆断区之北部。区域出露的地层主要为新太古界五台超群石咀群、台怀群、古生界寒武系、奥陶系及新生界第四系。本区位于吕梁太行断块，五台山块隆，五台山穹状隆起的北东部。区内主体构造为轴向NE70向斜，北东端仰起，南西端倾没并撒开。按区域内构造运动规模及其反映的不整合面，可分为4个构造层，即阜平超群龙泉关群构造层、五台超群构造层、滹沱超群构造层、长城系以来的盖层构造层。前两个为地槽型建造，后者均为地台型建造，主要的硅铁质建造产于五台超群构造层中。本区岩浆活动主要分为3期，即五台期、吕梁期、燕山期。区域异常分布范围东起平型关以南，西至崞阳，北至滹沱河，南至豆村一线。区域磁场特征为：在大片-50100 nt的平缓磁场背景上，郭家庄山羊坪、滩上旋风口、下长乐八塔、铺上大明烟文溪等地叠加了多条走向北东、北北东及近东西向的高磁异常带，异常规模大，强度高，总体形态呈“之”字型展布，与五台群柏枝岩组、文溪组、金刚库组的分布范围相一致，为本区含铁岩系的反映。区内矿产资源丰富，主要矿种有铁、金银多金属、钼、钛磁铁矿及兰晶石硫铁矿、白云岩、石棉等，是山西省铁矿、金银多金属矿产资源的主要产地之一。1.2 矿区地质特征洪剑铁矿在区域上位于吕梁太行断块，五台山块隆，五台山穹状隆起的北东部。铁矿层赋存在上太古界五台超群台怀群柏枝岩组绿色片岩系的硅铁建造中，为鞍山式沉积变质铁矿床。矿区出露地层主要为新太古界五台超群台怀群柏枝岩组，岩性为绿泥云母片岩、磁铁石英岩、角闪片岩。在矿区外围见有花岗片麻岩、混合花岗岩以及规模不大的呈岩株、岩脉状产出的角闪岩体。矿区在区域上位于台怀复向斜的北翼。该区域在五台运动中曾经历多次强烈挤压重皱和较大规模的基性、中基性岩浆的侵入活动和变质作用，从而形成一个规模较大、轴迹近于东西向展布的复式向斜褶皱系。区域断裂构造不甚发育，且多以正断层为主，规模均较小。区内褶皱构造十分发育，而且比较复杂，多期构造叠加是本矿区的显著特征，褶皱构造主体呈马蹄形，走向近东西。矿区整体位于楼羊爬向斜、山羊坪背斜、山羊坪向斜、老脊尖背斜构造中。本区岩浆岩主要分为3期，即五台期、吕梁期、燕山期。变质作用强烈，在元古代、古生代均发育强烈的变质作用。变质岩相属绿片岩相角闪岩相的变质岩系。1.3 矿床地质特征洪剑铁矿矿体赋存于新太古界五台超群台怀群柏枝岩组，绿色片岩系的硅铁建造中，为沉积变质铁矿床，其形态、产状受楼羊爬向斜、山羊坪背斜、山羊坪向斜、老脊梁背斜构造所控制。洪剑铁矿现有5条矿体，各矿体情况如下：号矿体位于矿区北部，走向控制750 m，赋存标高13341998 m。号矿体位于矿区中部，走向控制750 m，赋存标高16652146 m。号矿体位于矿区中北部，、号矿体之间，走向控制700 m，赋存标高14041532 m。号矿体位于矿区中北部，、号矿体之间，走向控制500 m，赋存标高14101639 m。号矿体位于矿区东南部，走向控制600 m，赋存标高17162278 m。2 三维地表模型在三维地质建模过程中，地表模型的建立是其中的一个重要环节。地表概况不但对地面工程的施工有影响，而且对矿区建址、孔口等位置的最佳布6置有较大的指导意义。建立洪剑铁矿的三维地表模型可以清晰、直观地了解整个矿区形状，便于人们进行观察研究。基于洪剑铁矿的地形图，经过MAPGIS处理，再将其导入AutoCAD提取等高线，最7后导入Surpac软件中，再一次赋给等高线新的值。利用Surpac软件中DTM生成工具生成地表模型。洪剑铁矿的三维地表模型如图1所示。3 巷道实体模型本研究根据洪剑铁矿的地质条件以及构建巷道相关技术要求设计巷道的实体模型。通过建立井巷中线对整个矿区的巷道进行三维建模以实现可视化操作，展示巷道的空间分布特征，为今后矿区开采铁矿资源奠定基础。基金项目：山西省地质勘查基金项目（2014-31，2020-00164-G155-C54）山西省自然科学基金（2019L0126，2019L0054）作者简介：侯建斌（1968），男，高级工程师，本科，毕业于长春地质学院（现吉林大学），主要从事矿产普查与勘探工作。侯建斌，等：浅析地下巷道三维可视化模型 总第113期022023年华北自然资源地质勘探2023.201901812*32侯建斌，杨峻懿，郝书清，冯志强（1.山西华冶勘测工程技术有限公司，山西 太原 030032；2.太原理工大学，山西 太原 030024；3.山西省第三地质工程勘察院有限公司，山西 晋中 030620）摘要：地下巷道三维可视化建模是实现数字矿山的一项重要内容。利用Surpac三维地质建模软件，分析研究了洪剑铁矿的地质概况和矿床地质特征，通过收集整理矿区的地质资料，建立对应的三维地表模型和巷道实体模型。将地下巷道三维可视化，一方面可以直观地展现巷道与地下矿体的空间位置分布关系，另一方面对矿区的实际采矿和管理工作具有指导意义。关键词：巷道；Surpac；三维建模；可视化；洪剑铁矿中图分类号：P624 文 献标识码：A文章编号：2096-7519（2023）02-18-4浅析地下巷道三维可视化模型以洪剑铁矿为例数字矿山的研究已经取得了飞速进展，井下巷道1的三维可视化操作一直是数字矿山的重要一环。巷道作为连接地面和地下建立的通道，需要考虑各种复杂的地质情况，采用传统的二维方式观察巷道不2能直观地表达巷道的空间位置和整体的路线分布。为满足数字矿山对巷道可视化的要求，利用Surpac三维地质建模软件对洪剑铁矿的井下巷道进行三维建模。前人做了许多研究，比如许军等以矿业可视化软件为手段建立了各中段平巷的三维模型、各类3井筒的三维模型以及斜坡道的三维模型。徐海等用Surpac、Dimine等数字化工具形成了两种有效的4巷道三维建模方法。杨文静等以陕西凤县银母寺铅锌矿为例，讨论了应用Surpac构建三维巷道模型5的方法。山西省洪剑铁矿资源丰富，适合开发。但井下坑道众多，情况复杂，因此本研究系统地完成坑道测量工作，与矿方提供的已有坑道资料相结合，涵盖矿区整体坑道分布情况。本次收集地形图2张并以此为依据利用Surpac软件构建洪剑铁矿三维地形模型。收集坑道中段平面图1份，整理56张坑道中段图，并建立井巷中线，然后根据井巷中线构建巷道实体，使洪剑铁矿地下巷道直观具体地展示其空间分布和路线变化。1 地质概况1.1 区域地质特征本区位于五台山脉北麓，即原平县善护山五台豆村南台东台大寨口一线以北地区，处于吕梁太行断块（级）五台山块隆（级），恒山五台山穹隆（级）南部的五台山隆断区之北部。区域出露的地层主要为新太古界五台超群石咀群、台怀群、古生界寒武系、奥陶系及新生界第四系。本区位于吕梁太行断块，五台山块隆，五台山穹状隆起的北东部。区内主体构造为轴向NE70向斜，北东端仰起，南西端倾没并撒开。按区域内构造运动规模及其反映的不整合面，可分为4个构造层，即阜平超群龙泉关群构造层、五台超群构造层、滹沱超群构造层、长城系以来的盖层构造层。前两个为地槽型建造，后者均为地台型建造，主要的硅铁质建造产于五台超群构造层中。本区岩浆活动主要分为3期，即五台期、吕梁期、燕山期。区域异常分布范围东起平型关以南，西至崞阳，北至滹沱河，南至豆村一线。区域磁场特征为：在大片-50100 nt的平缓磁场背景上，郭家庄山羊坪、滩上旋风口、下长乐八塔、铺上大明烟文溪等地叠加了多条走向北东、北北东及近东西向的高磁异常带，异常规模大，强度高，总体形态呈“之”字型展布，与五台群柏枝岩组、文溪组、金刚库组的分布范围相一致，为本区含铁岩系的反映。区内矿产资源丰富，主要矿种有铁、金银多金属、钼、钛磁铁矿及兰晶石硫铁矿、白云岩、石棉等，是山西省铁矿、金银多金属矿产资源的主要产地之一。1.2 矿区地质特征洪剑铁矿在区域上位于吕梁太行断块，五台山块隆，五台山穹状隆起的北东部。铁矿层赋存在上太古界五台超群台怀群柏枝岩组绿色片岩系的硅铁建造中，为鞍山式沉积变质铁矿床。矿区出露地层主要为新太古界五台超群台怀群柏枝岩组，岩性为绿泥云母片岩、磁铁石英岩、角闪片岩。在矿区外围见有花岗片麻岩、混合花岗岩以及规模不大的呈岩株、岩脉状产出的角闪岩体。矿区在区域上位于台怀复向斜的北翼。该区域在五台运动中曾经历多次强烈挤压重皱和较大规模的基性、中基性岩浆的侵入活动和变质作用，从而形成一个规模较大、轴迹近于东西向展布的复式向斜褶皱系。区域断裂构造不甚发育，且多以正断层为主，规模均较小。区内褶皱构造十分发育，而且比较复杂，多期构造叠加是本矿区的显著特征，褶皱构造主体呈马蹄形，走向近东西。矿区整体位于楼羊爬向斜、山羊坪背斜、山羊坪向斜、老脊尖背斜构造中。本区岩浆岩主要分为3期，即五台期、吕梁期、燕山期。变质作用强烈，在元古代、古生代均发育强烈的变质作用。变质岩相属绿片岩相角闪岩相的变质岩系。1.3 矿床地质特征洪剑铁矿矿体赋存于新太古界五台超群台怀群柏枝岩组，绿色片岩系的硅铁建造中，为沉积变质铁矿床，其形态、产状受楼羊爬向斜、山羊坪背斜、山羊坪向斜、老脊梁背斜构造所控制。洪剑铁矿现有5条矿体，各矿体情况如下：号矿体位于矿区北部，走向控制750 m，赋存标高13341998 m。号矿体位于矿区中部，走向控制750 m，赋存标高16652146 m。号矿体位于矿区中北部，、号矿体之间，走向控制700 m，赋存标高14041532 m。号矿体位于矿区中北部，、号矿体之间，走向控制500 m，赋存标高14101639 m。号矿体位于矿区东南部，走向控制600 m，赋存标高17162278 m。2 三维地表模型在三维地质建模过程中，地表模型的建立是其中的一个重要环节。地表概况不但对地面工程的施工有影响，而且对矿区建址、孔口等位置的最佳布6置有较大的指导意义。建立洪剑铁矿的三维地表模型可以清晰、直观地了解整个矿区形状，便于人们进行观察研究。基于洪剑铁矿的地形图，经过MAPGIS处理，再将其导入AutoCAD提取等高线，最7后导入Surpac软件中，再一次赋给等高线新的值。利用Surpac软件中DTM生成工具生成地表模型。洪剑铁矿的三维地表模型如图1所示。3 巷道实体模型本研究根据洪剑铁矿的地质条件以及构建巷道相关技术要求设计巷道的实体模型。通过建立井巷中线对整个矿区的巷道进行三维建模以实现可视化操作，展示巷道的空间分布特征，为今后矿区开采铁矿资源奠定基础。基金项目：山西省地质勘查基金项目（2014-31，2020-00164-G155-C54）山西省自然科学基金（2019L0126，2019L0054）作者简介：侯建斌（1968），男，高级工程师，本科，毕业于长春地质学院（现吉林大学），主要从事矿产普查与勘探工作。侯建斌，等：浅析地下巷道三维可视化模型 总第113期022023年华北自然资源地质勘探2023.20210203.1 建立井巷中线建立井巷中线主要是建立沿脉巷道中线和穿脉巷道中线。Surpac软件对线文件的要求极高，因此在建立巷道中线前要对不同的线段查询线号和点的属性，保证线号和Z值保持一致。使用两点间画中点方式，分别选择两矿脉北部和南部的2个点来创建2个选定点的中间点，并连接南北2个点，然后沿中线从第一点（掘进巷道北部端点）开始，每50 m创建1个点，直至第2点（掘进巷道南部端点）。生成的点作为穿脉巷道的起始点，然后左右延伸到矿脉。对于一些斜坡道，按照下斜起始点到下斜结束点之间的坡度不大于15%的要求创建曲面。3.2 巷道中线建立巷道实体模型创建巷道实体模型的方法很多，可以用轮廓线8法生成巷道实体，也可以根据建立的巷道中线建立巷道实体模型。本研究根据洪剑铁矿的实际情况以及本身所做的工作认为采用巷道中线生成实体的方法较合适。利用Surpac软件中实体模型中使用中线与剖面创建三角网的方法，选中封团首断面和末断9面使生成的巷道成为一个封闭的实体。根据矿区具体情况，将矿区分为东区和西区，分别对其进行建立巷道实体模型。东区、西区巷道实体模型见图2、图3，整个矿区的巷道实体模型见图4。在巷道实体模型建立之后，可以利用实体工具中报告实体体积工具得到巷道实体的体积和表面积，大体了解完成巷道建设的工作量，为矿山的规模化、规范化开采提供地质依据。4 结论巷道是地下矿井生产的“血管”，也是连通地上地下各个方面的通道。通过收集整理洪剑铁矿的地形图、坑道平面图等资料，建立洪剑铁矿的三维地表模型和地下巷道实体模型。通过三维地表模型不仅可以直观形象地表现露天地面挖掘工作和矿区地表的空间位置关系，而且通过地下巷道实体模型可以展现巷道和地下矿体的分布形态关系，对今后矿区管理工作和安全开采具有一定的指导意义。煤炭科学技术,2010,38(01):48-52.2 苏成哲,朱建新,袁海平,等.马坑铁矿采矿工程三 维巷道建模研究J.江西有色金属,2010,24(02):3-6.3 许军,罗鸷,刘晓明.三维井巷工程建模及可视化 技术研究J.采矿技术,2010,10(02):77-78+96.4 徐海,罗周全,刘晓明.复杂巷道工程三维可视化 建模方法研究及应用J.矿冶工程,2011,31(01):19-23.5 杨文静,侯恩科,郝珠成,等.基于Surpac的三维 巷道模型构建方法C.全国金属矿山采矿新技 术学术研讨与技术交流会论文集,2007:290-293.6 王中民.基于Surpac的钨矿床三维建模及储量可 视化计算D.长沙:中南大学,2010.7 宋宇辰,刘占宁,孟海东.基于SURPAC的罕达盖铁 铜矿三维可视化建模J.现代矿业,2013(10):71-73.8 厉金龙.基于Surpac的三维地质建模及可视化研 究D.重庆大学,2011.9 翟志鹏.SURPAC软件在矿山测量中的应用J.科 技与企业,2014(17):221-222.10 冯志强,刘永江,王权,等.华北板块中部晚二叠 早三叠世砂岩碎屑锆石U-Pb定年及物源判别 J/OL.地球科学,2022:1-40.11 卫彦升,冯志强,闫涛,等.华北板块中部中生代 构造演化:以山西为例J.吉林大学学报(地球 科学版),2022,52(04):1127-1152.参考文献：1 卢 新明,尹红.数字矿山的定义、内涵与进展J.图1 三维地表模型图2 东区巷道实体模型图图3 西区巷道模型图图4 全部巷道实体模型图华北自然资源地质勘探2023.2 侯建斌，等：浅析地下巷道三维可视化模型 总第113期022023年0210203.1 建立井巷中线建立井巷中线主要是建立沿脉巷道中线和穿脉巷道中线。Surpac软件对线文件的要求极高，因此在建立巷道中线前要对不同的线段查询线号和点的属性，保证线号和Z值保持一致。使用两点间画中点方式，分别选择两矿脉北部和南部的2个点来创建2个选定点的中间点，并连接南北2个点，然后沿中线从第一点（掘进巷道北部端点）开始，每50 m创建1个点，直至第2点（掘进巷道南部端点）。生成的点作为穿脉巷道的起始点，然后左右延伸到矿脉。对于一些斜坡道，按照下斜起始点到下斜结束点之间的坡度不大于15%的要求创建曲面。3.2 巷道中线建立巷道实体模型创建巷道实体模型的方法很多，可以用轮廓线8法生成巷道实体，也可以根据建立的巷道中线建立巷道实体模型。本研究根据洪剑铁矿的实际情况以及本身所做的工作认为采用巷道中线生成实体的方法较合适。利用Surpac软件中实体模型中使用中线与剖面创建三角网的方法，选中封团首断面和末断9面使生成的巷道成为一个封闭的实体。根据矿区具体情况，将矿区分为东区和西区，分别对其进行建立巷道实体模型。东区、西区巷道实体模型见图2、图3，整个矿区的巷道实体模型见图4。在巷道实体模型建立之后，可以利用实体工具中报告实体体积工具得到巷道实体的体积和表面积，大体了解完成巷道建设的工作量，为矿山的规模化、规范化开采提供地质依据。4 结论巷道是地下矿井生产的“血管”，也是连通地上地下各个方面的通道。通过收集整理洪剑铁矿的地形图、坑道平面图等资料，建立洪剑铁矿的三维地表模型和地下巷道实体模型。通过三维地表模型不仅可以直观形象地表现露天地面挖掘工作和矿区地表的空间位置关系，而且通过地下巷道实体模型可以展现巷道和地下矿体的分布形态关系，对今后矿区管理工作和安全开采具有一定的指导意义。煤炭科学技术,2010,38(01):48-52.2 苏成哲,朱建新,袁海平,等.马坑铁矿采矿工程三 维巷道建模研究J.江西有色金属,2010,24(02):3-6.3 许军,罗鸷,刘晓明.三维井巷工程建模及可视化 技术研究J.采矿技术,2010,10(02):77-78+96.4 徐海,罗周全,刘晓明.复杂巷道工程三维可视化 建模方法研究及应用J.矿冶工程,2011,31(01):19-23.5 杨文静,侯恩科,郝珠成,等.基于Surpac的三维 巷道模型构建方法C.全国金属矿山采矿新技 术学术研讨与技术交流会论文集,2007:290-293.6 王中民.基于Surpac的钨矿床三维建模及储量可 视化计算D.长沙:中南大学,2010.7 宋宇辰,刘占宁,孟海东.基于SURPAC的罕达盖铁 铜矿三维可视化建模J.现代矿业,2013(10):71-73.8 厉金龙.基于Surpac的三维地质建模及可视化研 究D.重庆大学,2011.9 翟志鹏.SURPAC软件在矿山测量中的应用J.科 技与企业,2014(17):221-222.10 冯志强,刘永江,王权,等.华北板块中部晚二叠 早三叠世砂岩碎屑锆石U-Pb定年及物源判别 J/OL.地球科学,2022:1-40.11 卫彦升,冯志强,闫涛,等.华北板块中部中生代 构造演化:以山西为例J.吉林大学学报(地球 科学版),2022,52(04):1127-1152.参考文献：1 卢 新明,尹红.数字矿山的定义、内涵与进展J.图1 三维地表模型图2 东区巷道实体模型图图3 西区巷道模型图图4 全部巷道实体模型图华北自然资源地质勘探2023.2 侯建斌，等：浅析地下巷道三维可视化模型 总第113期022023年