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煤矿三维地质建模及应用研究

摘要:论文为表达复杂的煤矿地质构造形态,更准确地反映地质构造要素之间的空间关系,论文对煤矿三维地质建模及可视化应用进行了研究.按断层分块建模,用断层模型修正块段边界并合成完整的煤矿地质体模型,最终建立基于面模型的多层三维地质模型.在此基础上,应用OpenGL技术建立了实际应用的系统.应用结果表明,该系统可以有效地提高地质分析工作的直观性与准确性,对瓦斯灾害的预测及定位事故发生点具有较大的指导意义.

关键词:三维地质模型;三维可视化;OpenGL

能源是一个国家赖以生存的物质基础,与社会和经济发展息息相关,涉及到国家安全.我国的能源消费结构长期以来以煤炭为主,对煤炭能源的需求量越来越大,浅层煤炭资源已远远不

能满足国民经济迅速发展的需要.对于隐藏在地下深处的地层、煤层等地质对象,长期的地质作用使得它们发生了不同程度的变形、断裂和位移,情况异常复杂.在褶皱构造的同一褶曲中,由于褶曲转折端的向斜轴部的残存应力比背斜轴部大,导致应力集中引发煤(岩)与瓦斯突出;断层构造中断层破碎带是瓦斯的良好通道,常于此聚集更多的瓦斯,当掘进工作面通过断层

时,易发生瓦斯灾害.因此,建立复杂地质体的三维地质模型并构建逼真的三维动态显示效果,不仅能够完整地表达复杂的地质现象的几何外形,同时也能表达地质体内部的各种地质构造特性,从而提高地质分析工作的直观性与准确性,对瓦斯灾害的预测及定位事故发生点具有一定的指导意义.过去十余年中,三维地层模型研究共发展了20多种空间建模理论,这些理论可分为表面模型、体元模型和混合模型[1-4].基于体元的三维地层模型主要有基于三棱柱体体元的三维地层建模[5]、基于钻孔信息的地层数据模型[6]等.这些方法具有同时对地质体外形和内部属性进行建模的能力,便于矿产储量计算,但建模过程比较复杂.基于表面建模的三维地层模型,例如基于多层TIN表示的DEM的地层模型[7-9],主要应用于均质层状矿床(如煤层)和地层建模方面,在地质体的外部形态建模与可视化方面具有优势,并且建模过程相对简单.在考虑各种建模方法的优缺点和煤矿地质体特点的基础上,本文的建模思路是:在对建模区域进行地质构造和地层岩性综合分析的基础上,抽取主要的断层作为边界在横向上进行构模块段划分;再对各块段分别进行块段地层建模、块段的边界断层建模,最后用断层模型对块段地层模型进行修正、集成,形成整个区域完整的地质体模型.

1三维地质建模

三维地质建模作为瓦斯灾害救援系统的底层支撑部分,它要求模型尽可能准确.在数据体方面涉及多源数据的整合、地层离散数据插值拟合、建立复杂地质体模型等关键技术.

1.1地质建模的关键技术

1)多源数据的整合由于地质体数据的不确定性和难于精确获取,系统可结合多种数据源进行三维模型的构建.数据包括钻孔数据、三维地震解析数据、顶底板等高线数据,需要对这些数

据进行综合运用及有效融合以使地质模型尽可能精确构建.

2)地层数据插值空间插值分为几何方法、统计方法、空间统计方法、函数方法和随机模拟法等其中空间统计方法以空间统计学作为坚实的理论基础,可以克服内插中误差难以分析的问题,空间统计方法以Krig-ing为代表.本文采用Kriging,在各地层中以底板已知DEM数据通过Kriging方法内插顶板的DEM表面数值.

3)复杂地质体模型复杂地质构造三维建模即断层、褶皱地质模型构建.断层作为最常见的地质构造现象,它破坏了地层的连续性,改变了地层数据的原始分布格局.其难点在于断层建模数据获取的困难性以及断层空间形态的复杂性.目前处理断层的方法有:切割-位移法、断层两侧地层局部法、平面拟合断层面等方法.三维地质模型由于地层空间分布的不连续性、复杂性及不确定性,如何准确表达、数字化地质体是建模的关键技术.系统采用混合3D构模,即运用TIN与TEN进行模型构建,从而兼顾了TIN模型的简单和TEN模型的拓扑关系有效表达的各自优点.利用R2Delauny和R3Delauny可以完成TIN和TEN的有效剖分.

1.2煤矿井田三维建模过程

研究区井田为一宽缓背斜构造的一翼,地层走向自东向西为N30°E至N60°W,倾向SE~SW,地层倾角较平缓(20°~7°).井田内以斜切张扭性断层为主,按走向可分为二组:一组为NEE及EW向,倾向SE及S,倾角50°~75°.落差大小不一,为本井田主要断层,是影响矿井开拓、生产的主要地质因素.另一组走向为NW及NWW向,倾向SW及NE,倾角50°~75°,落差较小;主要压扭性断层为走向和背斜轴轴向