摘 要：随着国家大力推进工业化与信息化融合,煤炭智能精准开采已经成为行业未来发展主要趋势。而矿井透明地质条件则是煤炭精准开采智慧化的重要基础。基于多源数据的高精度三维地质模型可以让地质体如玻璃一样透明，能够重现地下三维地质体的几何展布、构造展布及其之间的联系，对采煤工作面周围三维空间内的地质要素如煤层各类地质要素、地质构造形态、顶底板岩性分布、含水层的空间位置及其连通性与煤层的通道等做到清晰的掌握，从而为矿山设计、生产作业、安全管理等提供基础平台和决策支持。本文首先对三维地质建模的方法做了总体表述，并利用专业的数字化建模软件，以某矿某智能化工作面三维地质模型项目为例，对三维地质模型中巷道模型、地层模型的建立方法和流程做了详细的阐述，最后就三维地质模型的一些地质应用做了一定的展示。
关键词：煤炭开采；多源数据；透明地质；三维地质模型
0 前言
目前，构建数字化智慧矿山是煤炭开采未来的趋势和方向，而矿井透明地质条件是煤炭精准开采智慧化的重要基础，地质信息的准确把握是煤矿安全精准开采的前提保障，是无人或少人开采的前提条件，地质信息来源广泛，但又具有稀缺性和不确定性，并且无法重采样，采用合理的三维随机模拟方法可以重建地质三维信息场，利用三维模型能够淋漓尽致地重现地下三维地质体的几何展布、构造展布及其之间的联系，为采矿人员提供地下采矿环境的虚拟环境，能够精确计算预测采煤工作面的顶底板标高变化和煤层厚度变化，是采矿安全生产的必备数据。为智能化采煤工作面提供导航。
本文首先介绍了三维地质建模的方法，并利用专业的数字化建模软件就某矿某智能开采工作面三维地质模型的建立方法、流程以及三维地质模型的地质应用做了一定的阐述。
1 三维地质建模方法概述
三维地质模型[1]的建立包含巷道模型建立和含煤地层建立俩个部分，本文分别对巷道建模和含煤地层的三维模型建立方法作一定的阐述。
1.1 巷道三维建模方法概述
巷道作为煤矿井下各种人工要素的主要空间载体，分析巷道自身特点不难发现那些数据对巷道模型建立有用，巷道相对来说其空间区域并不大，简单的理解，他就是一个由长、宽、高组成的体域，其长度和延申方向由布置在巷道内的导线点控制，其几何形态由巷道断面数据决定。
每一条巷道都布置有巷道导线点，巷道导线点的三维坐标控制着巷道的空间分布和延申，因此巷道导线点三维坐标信息是巷道建模的重要基础，但若将这些巷道导线点连接，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或者巷道两帮线横向对应点的数据。
对于煤矿巷道断面，其实际上是由巷底宽轮廓线，巷帮轮廓线和巷顶宽轮廓线组成，其中巷道中心点位于巷底宽轮廓线上，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。因此，利用几何关系便可将巷道断面几何图元化，再利用巷道中心线或巷道帮线的三维坐标信息和方位便可以控制巷道断面几何图元的空间位置和朝向。
 图1 巷道断面示意图
1.2 煤系地层三维建模方法概述
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。
地质勘探钻孔和井巷采掘揭露的地层数据是地层面模型[2]建立的数据基础，其数据的多少和准确性直接影响着地层模型的精确性。此外，由于钻孔地层数据等都是一些离散的数据点，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。
但是直接利用钻孔地层数据和井巷揭露的地层数据建立[3]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，应对构造分布区进行特殊的处理，如采用断层建模法、分区建模法等对地层进行分区域建模，再辅助构造模型，利用布尔运算等将构造带地层进行局部精细化[4]。
在煤矿地层的模型[5]建立中，还常引入煤层顶底板等高线图，由于煤层顶底板等高线图的绘制原理是基于煤矿井上下地质钻孔和井巷采掘实际揭露的地层数据，再与矿井内揭露的实际地质构造结合，利用数值内插法[6]绘制得出，其能很好的反映出地层的赋存形态，因此，在实际的地层面模型建立过程中，可以直接利用含煤地层的顶底板等高线进行绘制。
2 某矿某智能化工作面三维地质模型的建立
本案例通过实际收集某矿某智能化工作面的井巷和地层实测地学数据，通过对原始数据的整理和分析，最后建立了该工作面三维建模地质数据库，最后利用专业的数字化建模软件实现了该智能化工作面的三维地质建模，并就地质模型的一些地质应用作一些展示。
2.1 三维建模地质数据库的建立
通过收集某矿某智能化工作面的地学资料，通过整理分析后，建立了以下地质数据库，为该智能化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)巷道断面参数及巷道导线点三维坐标数据库；(2)地面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)井下地质探测孔数据库，包括钻孔开口信息、测斜轨迹以及钻孔揭露岩性表等；(4)井巷揭露的煤层及顶底板地质数据库；(5)地质构造信息数据库；(6)根据已有地质资料修订后的含煤地层顶底板等高线。
2.2 巷道模型的建立
在数字化建模软件中，通过将某矿某智能化工作面各巷道导线点三维坐标数据库的数据和巷道平面图导入，利用高程赋值等方法实现了对某智能化工作面巷道帮线的高程赋值，再通过巷道帮线加载巷道断面的方法实现了该工作面巷道模型的建立，其建模流程和成果如下：
1）导线点数据
在EXCEL表中建立导线点三维坐标信息库，其格式如图2，在数字化建模软件中可直接将EXCE L表中的信息复制到软件界面中，利用相应的数据处理功能实现展点和自动连线功能，如图3。
 图2 巷道导线点数据库格式  图3 巷道导线点导入
数字化软件可以直接将CAD巷道平面图按照其平面坐标导入，如下图4。
 图4 巷道平面图导入
利用导线点三维坐标对巷道帮线进行高程赋值，结果如图5。
 图5 利用巷道导线点给巷道帮线赋高程
利用参数录入，进行巷道断面的建立，结果如图6。
 图6 巷道断面的设计建立
利用高程赋值后的巷道帮线加载巷道断面实现巷道模型的建立，其成果如图7。
 图7 某矿某智能化工作面的巷道三维模型
通过对某矿某智能化工作面井上下钻孔揭露的地层信息分析整理，结合该工作面井巷实际揭露的地层、构造信息，完成对该工作面的煤层底板等高线的修订，最后利用煤层底板等高线完成了该工作面煤层的建模，并利用煤层与顶底板的相互关系和钻孔揭露的顶底板地层数据，实现了煤层顶底板地层的模型建立，其建模流程如下：
1)地面钻孔模型和轨迹的建立
通过将地面钻孔开口信息表、岩性表、测斜信息表导入，可以在数字化软件中直接生成地面钻孔数据库，该数据库包含钻孔岩性柱状和钻孔轨迹投影，成果如图8。
 图8 某矿某智能化工作面地面勘探钻孔地质数据库
通过将井下钻孔的钻孔测斜表信息导入，可以在软件中直接生成井下千米钻机的轨迹路线图，如图9。
 图9 某矿某智能化工作面千米钻孔钻探轨迹图
通过对某矿某智能化工作面井上上钻孔和巷道采掘揭露的地层数据整理，对该工作面煤层顶底板数据点进行了提取，其结果如图10～11。
 图10 煤层底板数据点  图11 煤层顶板数据点
通过对某矿某智能化工作面已经揭露的地质构造分析，在已有的地质探测基础上，实现了对该工作面构造模型的建立，如图12。
 图12 某矿某智能化工作面构造模型 5)煤层顶底板数据点的修订
通过对地质构造属性的分析，对煤层进行分区，并对构造区的顶底板数据点进行局部精细化修订。其结果如图13～14。
 图13 分区和修订后的煤层底板数据  图14 分区和修订后的煤层顶板数据 6)煤层模型的建立
利用克里格插值法，对离散数据点进行自动插值，对煤层顶底板面进行自动建模，再通过面模型合并等面处理功能实现煤层的实体建模，在构造区，由于对煤层进行了分区建模，所以往往会有模型相互覆盖交叉的现象，因此常会将煤体模型结合断层模型利用布尔运算进行切割优化，从而解决复杂地层的模型建立。通过以上方法，对某矿某智能化工作面的煤体模型建模如图15。
 图15 某矿某智能化工作面煤层模型 7)煤层顶地板地层的模型建立
煤层顶底板地层的模型建立本质上与煤层模型的建立方法一样，通过分析某矿某智能化工作面煤层顶底板地层的数据信息，对其模型建立如图16。
 图16 某矿某智能化工作面煤层及其顶底板地层模型 2.4 某矿某智能化工作面三维建模总体成果
通过对某矿某智能化工作面地学资料的收集，利用专业的数字化建模软件，实现了该工作面的三维地质模型建模，其成果展示如图17。
 图17 某矿某智能化工作面三维地质模型成果 3 三维地质模型的地质应用
在建立好的三维地质模型中，通过建立要素属性库，地质工作人员可利用透明三维地质模型实现对地质体、井巷工程等类别要素的管理、查询和编辑功能，也可实现对地质体任意角度的地质剖面切割，此外，结合电法监测、微震监测和物探、钻探手段可以实现对煤层顶底板含水层等水体富水性、顶底板三带、瓦斯富集变化、冲击地压变化形成动态监测和模型演变。
1)实体属性查询
通过对巷道导线点、巷道、钻孔、构造等地质要素建立要素属性库，可以实现对其属性的查询、编辑和管理功能，如图18～21。
 图18 测量导线点属性的查询  图19 巷道属性的查询  图20 钻孔属性的查询  图21 构造属性的查询 2)任意角度的地质剖面切割
在建好的三维地质模型上可实现任意角度和方位的剖面切割和自动成图，如图22～23。
 图22 地质切割剖面线展示  图23 地质剖面切割成果 3)地球物理勘探成果展示
通过将地球物理勘探成果导入，通过高程赋值，可将地球物理勘探成果在三维地质模型中呈现展示出来，由于某矿某智能化工作面只作了无线电波坑透和瞬变电磁以探测，故在此只展示这俩个成果，如图24～25。
 图24 瞬变电磁仪探测成果展示  图25 无线电波透视探测成果展示 4 结束语
本文针对煤矿三维地质模型可视化的需求，首先对三维地质建模中巷道模型建立和地层模型建立的总体方法做了一定的阐述，又以某矿某智能化工作面三维建模项目为例，就三维地质建模中巷道建模和地质建模中的一些具体方法和流程作了简单的介绍，最后就三维地质模型的一些地质应用做出了展示。
参考文献：
[1]黄超,郎兴海,娄渝明,邓煜霖,王旭辉,张赫,李亮,李宸,曾方侣,何青,张忠,姜楷.西藏雄村1号矿体三维地质建模与深部可视化应用.地质通报2020.
[2]仝岩,王黎栋,邵景力,崔亚莉,李牧阳,赵宇,李露露.甘肃北山新场——旧井地区三维地质结构模型构建[A].中国老教授协会土木建筑专业委员会、北京交通大学土木建筑工程学院.第十三届建筑物建设改造与病害处理学术会议暨土木建筑专业委员会三十周年纪念活动论文集[C].中国老教授协会土木建筑专业委员会、北京交通大学土木建筑工程学院:施工技术编辑部,2021.
[3]刘安强,王子童.煤矿三维地质建模相关技术综述[J].能源与环保,2020.
[4]蓝优.三维地质建模技术在地质测绘中的应用探讨[J].低碳世界,2020.
[5]李梅,姜展,姜龙飞,孙振明.三维可视化技术在智慧矿山领域的研究进展[J/OL].煤炭科学技术2020.
[6]黄超,姜楷,李亮,李宸,曾方侣,何青.矿山三维地质建模研究进展[J].四川地质学报,2020.
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| 添加日期：2020-12-22
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