摘 要：为了实现某矿25031采煤工作面数字化建设提高生产规划精准度，以三维实体地质建模原理为依据，利用专业数字化建模软件，依照某矿25031采煤工作面各煤、岩层层位信息，利用钻探、物探、测量等多源地学数据，建立了该工作面各煤层顶、底板、标志地层、地表地形以及井巷工程的表面模型及三维实体地质模型。
关键词：采煤工作面；地质建模；三维可视化
0 引言
矿山三维地质建模是指运用计算机可视化技术将矿床真实地理层位信息形象地展现出来的过程，是实现矿山数字化的核心，是进行矿山生产规划、模拟开采、工程报量的基础。随着矿山数字化快速发展及矿山技术人员认可度的提高，各种三维地质建模方法相继成熟起来。如今，国内许多科学家都在从事煤矿三维地质建模的工作和研究。汪洋等[1]使用ArcGIS软件对煤矿进行三维地质建模；王海军[2]建立了煤矿采空区综合勘探信息三维模型；殷大发[3]提出基于熵权法的三维地质模型精度评价方法，建立了高精度、易修正的三维地质模型。上述方法的核心都是相同的，即尽可能地提高三维地质模型的保真度，切实达到仿真效果，为后期矿山生产设计提供依据，将二维感官制图升级到三维可视化。
以某矿25031工作面地质数据为基础，依据各煤岩层层位信息，利用钻探、物探、测量等多源学地数据[4]，建立了该工作面各煤层顶底板、标志地层、地表地形以及井巷工程的表面模型及三维实体地质模型，并用实际工程数据对三维属性地质模型进行校对。
1 25031工作面地质概况
工作面布置在中侏罗统延安组第一段(Jy1)煤层中，为上分层回采工作面。井下标高在+1114.926～+1168.287m之间，地面标高在+1548.6～+1657.8m之间。位于井田东翼，南部为井田边界，东部为25021工作面采空区，西部暂无采掘活动，北部为11051工作面采空区。工作面倾向长188m，走向长1150m，工作面拐点坐标如下表所示： 地面相对位置位于花儿山东南侧的沟谷地带，地形地貌复杂，有山脊梁、缓坡、冲沟等。巷道距地面相对高差在480m以上，华-田公路从其上部经过，随着工作面的回采，预计会对地面及公路造成影响。
工作面开采煤层为煤5层，属长焰煤，煤层结构简单，倾向在SW39°～84°之间，倾角在8°～15°之间，煤层厚度23.0～29.5m之间，平均厚度约为26.1m，上分层平均煤层厚度11.9m。含夹矸2～12层，其中上分层含夹矸2～8层，厚度在0.02～0.39m左右，岩性以泥岩、炭质泥岩、泥质粉砂岩为主。煤5层抗压强度2.68～19.28Mpa之间，平均为10.77Mpa；抗拉强度为0.26～1.53Mpa，平均0.62Mpa，煤层硬度f为2～3，层理发育，节理发育，煤质疏松，易垮落。根据1707#地质钻孔及25031两顺槽掘进揭露情况看，煤层伪顶以浅灰黑—灰色薄层状砂质泥岩及炭质泥岩为主，厚度在3.2m左右，松软易垮落，机械强度及坚固性都很差，易风化破碎、遇水变软膨胀。直接顶板多以灰白色砂质页岩为主，致密，厚度约为7.9m。老顶为灰白色石英质砂岩、粗砂岩为主，致密、坚硬，厚度在4.2m左右。工作面地层综合柱状图如下：
工作面开采范围内地质构造较为简单，为一单斜构造，无褶皱、断层等地质构造，无岩浆岩、陷落柱等地质体。
工作面上覆为第三含水层，为一复合含水层，由煤5层顶板以上的细砂岩-粗砂岩组成，层位位于中侏罗统延安组第二段至第三段，地层厚度约为152.57m，其中粗砂岩、砂岩层厚度约为28.75m，水头标高1451m左右，单孔涌水量1.90-13.91m³/d，单位涌水量0.00047-0.00373L/s.m，渗透系数0.0017-0.00653m/d；含水的砂岩层约占该地层厚度的18.8%，含水层较薄，裂隙发育程度差，为一极弱的直接充水含水层。
2 25031工作面三维地质模型的构建
依据该矿25031采煤工作面地质数据，以三维实体地质建模原理为依据，利用专业数字化建模软件，实现了25031采煤工作面井巷工程以及地质体三维可视化实体建模。
2.1 25031工作面原始地学数据处理
地质数据是建立矿体三维地质模型、进行开采方案确定及相关采矿设计的基础，是矿山生产管理的重点。原始地质数据是建立矿体地质模型的基础数据，数据的准确性将直接影响到地质模型的精度，所以必须保证原始地质数据录入结果的可靠性、准确性，从原始数据到地质模型，要经过一系列的数据处理，在这一过程中原始数据中的误差会被传播和放大，减少数据的误差引入是保证地质模型精度的根本。因此，必须对25031采煤工作面原始地学地质数据进行粗查，消除重复的数据，进一步降低三维地质模型严重失真的可能性，尽可能保证25031工作面三维地质模型的精度。
原始地质数据处理包括数据初查、数据结构处理、数据逻辑关系梳理，即：
1)数据粗查是指采用粗差检测技术对冗余数据进行处理等操作。
2)数据结构处理就是对数据文件结构进行条理归类，以便建模时核对数据保证其精度；并将其按各自类别录入数据库，以便于后期管理。
3)数据逻辑关系梳理就是保证录入数据真实三维空间的层位关系，以至于不会出现上下煤层交叉、同一煤层底板标高却大于其煤层顶板标高等与实际相背的情形。
通过收集25031工作面的地学资料，在整理分析以及处理后，建立了以下地质数据库，为25031工作面的三维建模提供了数据来源，具体数据库包含如下：
1)25031巷道断面参数及巷道导线点三维坐标数据库；
2)25031工作面内部地质勘探钻孔数据库，包括钻孔开口信息、测斜轨迹、钻孔地质岩性柱状图等；
3)25031工作面巷道揭露的煤层及顶底板地层数据库；
4)25031工作面地质构造数据库；
5)25031工作面煤层顶底板等高线图；
6)25031工作面地表地形高程三维坐标信息数据库。
2.2 25031工作面三维地质模型的构建
25031采煤工作面三维地质模型主要包括井巷模型、煤层及其上下覆地层实体模型、地表模型以及地质钻孔轨迹模型。其三维地质模型构建的关键技术如下：
2.2.1巷道模型的构建
巷道作为煤矿井下各种人工要素的主要空间载体，其三维几何形态就是一条在三维空间内具有一定外部轮廓的几何体不断延伸后产生的形体。其外部轮廓形状就是巷道的断面形状，其延伸方向由巷道中心线控制。因此，利用巷道中心控制线加载巷道其断面形状可以较好的实现巷道三维模型的建立[7]。在实际的建模过程中其关键的建模技术如下：
（1）中心线的逼近
在实际的井巷开拓中，实际控制巷道延伸的是巷道导线测量点，但若将这些巷道测量导线点连接，会发现其往往会是一条折线，而且很多时候，巷道导线点并不是巷道中心点，因此若直接利用巷道导线点进行建模会造成巷道的弯曲和偏移，因此，在巷道建模的时候需要先对巷道导线点数据进行处理，将之转化成巷道中心点的三维坐标数据，由于煤矿井巷工程巷道断面空间极小，可以认为在极小空间范围内，巷道测量导线点和与其对应的巷道中心点的高程信息一致，在该前提下，就可以利用中心线逼近的原则将巷道测量导线点三维坐标信息快速的转化为巷道中心点三维坐标信息数据。
（2）巷道断面几何图元化
不同性质和用途的巷道，巷道断面形态也不一样，例如煤巷常用矩形和梯形断面，而岩巷常用直臂拱形断面，如图2-1。一般来说，考虑到巷道对围岩的受力平衡，这些巷道断面在设计上基本都是对称的，断面形态图形一般都是规则的几何图形，其巷高、巷宽、拱高已知，因此，利用几何关系便可计算出巷道断面关键控制点的三维坐标信息。
（3）巷道中心线加载巷道断面
在巷道建模的时候，在每个巷道变坡点对应的巷道中心线上都添加一个巷道中心节点，所有巷道中心节点与巷道中心线首尾结点便组成了巷道中心线的拓扑组成结构，因此在巷道建模的时候，只需在这些巷道中心结点和节点上加载巷道断面即可，再利用Delaunay三角网格化方法，依次将巷道断面上的巷道细化点按顺序连接成三角网格面，通过对这些三角网格面进行实体填充，便可实现巷道的三维建模。该矿25031采煤工作面井巷工程三维模型如下：
2.2.2钻孔轨迹模型的构建
通过将1805、S2201、1707、S2003地面钻孔的开口坐标信息、孔深、测斜信息导入和分析，利用空间投影技术，实现了上述钻孔的空间轨迹模型建立，如下图：
2.2.3地层模型的构建
含煤地层属于沉积岩系，其具有层次分明的层级序列，岩体层位稳定，其地层沉积规律性较强，地层之间的相互关系也较稳定，若从俯视的角度看，发现地层实际上就是一个面，不过这个面它有一定的厚度，且厚度是变化的，因此，可以假设地层是由上下俩个面和中间的实体组成，通过建立地层上下面面模型，再通过面模型合并和实体填充的技术便可以实现地层模型的建立。其建模关键技术如下：
(1)提取地层数据
根据地质钻孔柱状图或者钻孔勘探剖面图以及井巷工程揭露地层剖面图，将25031工作面各煤、岩层层位信息以离散数据点的形式提取出来。将各个数据点信息转换为三维点坐标信息，经清理重复离散点等初步处理后将其录入地质数据库。
(2)空间插值。
从钻孔以及井巷实测剖面提取的离散地层数据，其具有数据量有限、分布不均匀、形态突变等特点，为了地层面模型精细化建模，多数数学插值方法被应用到地层数据的拟合和估计中，比如克里格插值法、距离幂反比插值法、离散点插值法等。该矿25031工作面地质构造简单，地层为单斜构造，无褶曲、断层等地质构造，地层赋存形态较好，本次地层建模采用了距离幂反比法对地层离散数据进行了加密。
(3)圈定建模边界
直接利用钻孔地层数据和井巷揭露的地层数据建立的地层面，其必定是连续的，而实际的地层由于地质构造的存在，其在局部地区往往会存在断裂不连续带，因此，在地层建模的时候还要考虑地质构造对地层的局部修正，基于此，在进行地层面建模的时候，应基于区域内的地质构造形态对地层进行分区建模，确定不同区域的建模边界，再辅助断层等构造模型[5]，利用布尔运算[6]等将构造带地层进行局部精细化。
（4）地层面模型的建立
依据各地层顶底板的建模边界线、地层离散数据、插值点数据，以建模边界线作为约束条件，采用带约束条件的Delaunay三角网(CD-TIN)构建顶面模型以及底面模型建立地表及各煤层顶底板CD-TIN，进而逼真模拟各个地层界面。
依据上述方法，构建了25031采煤工作面各地层以及地表的顶、底面模型，25031采煤工作面开采5#煤层顶、底面模型及建模要素图如图2-4所示。
（5）地层实体模型的建立
25031采煤工作面三维地质建模的核心就是地质属性实体模型的构建，三维实体模型可以直观地将地层形态以及空间位置形象地展示出来，能够满足三维旋转对其进行任意方向无死角观测，此外，实体地层模型可以实现任意角度切割剖面。
对于地层实体模型，实体构模的基本原理是利用各煤层顶面边界线与底面边界线，在这两条闭合线之间连接带约束条件的Delaunay三角网(CD-TIN)构建侧面模型；采用各煤层顶板面模型、底板面模型以及侧面模型共同组合成封闭空间，然后通过布尔并集运算技术形成煤层实体模型。下图2-5为25031工作面上下覆主要标志地层三维地质模型空间关系图，图2-6为任意勘探线垂直地面切割煤层及其顶底板地层地质剖面示意图。
（6）地层表面岩性花纹材质渲染
由于不同地层的岩性不一样，其颜色以及岩性花纹也不一样，为了直观的将地质体在三维空间内表达出来，就需要对地质实体模型表面根据其对应的岩性花纹图案进行材质渲染，再通过慢反射、材质透明等光学处理技术，就可以实现地层内部可视化。5#煤层直接底为灰白色粗砂岩，其按岩性花纹进行材质渲染后效果图以及5#煤层实体模型进行材质透明度设置后其可视化效果图分别如下：
2.2.4地表模型的构建
依据地表高程数据点、地形建模边界线，采用带约束条件的Delaunay三角网(CD-TIN)构建了地表面模型，如下图：
2.2.5 25031工作面三维地质集成模型
25031采煤工作面三维地质集成实体模型综合考虑了各煤、岩层层位信息与地质构造、与井巷工程的空间位置关系，按照空间方位信息把工作面上下覆地质实体与其它信息直观的显示出来。并在专业数字化建模软件中实现了地质实体模型任意角度的剖面切割生成。25031采煤工作面三维地质集成模型如图2-10。
3 三维地质模型精度评价
三维地质模型精度是对模型保真度的真实评价，是建模成功与否的直接凭据。为了确保25031采煤工作面三维实体模型的精度，对其实体模型采取以下方式进行精度评价：
以25031采煤工作面切眼为勘探线对三维地质模型进行剖面切割，并将切割剖面与25031采煤工作面切眼实测剖面进行层位对比。保证同一层位标高相同、同一层位厚度相同、同一层位岩性煤号相同。将25031工作面切眼实测剖面与实体切割剖面进行层位对比，可知剖面煤岩层层位信息基本相同，剖面层位对比图如图3-1、3-2。
通过对25031采煤工作面三维地质实体模型精度评价可知：切眼剖面煤、岩层层位信息属一致，因此，依照25031采煤工作面各煤、岩层层位信息，利用钻探、物探、测量等多源地学数据，建立工作面各煤层顶、底板、标志地层、地表地形以及井巷工程的三维实体地质模型切实能够达到仿真效果，能为后期25031采煤工作面的生产规划提供有效依据。
4结论
利用专业数字化建模软件，依据三维地质建模方法，通过处理原始地形等高线、剖面数据、钻孔等数据，建立了该矿25031采煤工作面三维地质模型，为后续25031采煤工作面回采方案的制定奠定了基础。并通过对地层模型进行岩性填充以及表层岩性花纹材质渲染，再加慢反射、材质透明化等光学处理手段，较好的实现了三维地质实体仿真效果。满足任意方向无死角观测煤岩层层位信息，以及任意方位切割剖面功能，切实达到三维可视化效果。
参考文献：
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[3]殷大发．煤矿三维地质模型精度评价及动态更新技术探讨[J]．煤矿开采，2018，23(4)：2024。
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[5]汪淑平，王伟，孙黎明，等．基于地质剖面数据的含断层地质体三维建模方法[J]．测绘地理信息，2016，41(3)：5963。
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