矿山开采区三维动态可视化建模方法

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：

1、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。

2、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。

3、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。

4、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。

技术实现思路

1、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。

2、为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

3、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：

4、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；

5、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。

6、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。

7、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；

8、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。

9、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。

10、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。

11、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。

12、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。

13、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。

14、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。

15、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。

16、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。

17、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。

18、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。

19、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。

20、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。

21、上述本发明的实施例的有益效果如下：

22、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。