平朔井工矿三维地质建模技术研究

平朔井工矿三维地质建模技术研究

郭君

中煤平朔集团地质测量公司  山西省朔州市 036000

摘   要：平朔公司为加快井工矿智能化建设，推动智慧矿山工程，积极研究井下巷道及工作面三维地质建模技术，具有十分重要的意义。目前，平朔井工矿地质测量及采掘设计大多是以Auto CAD为基础，采用平面图与剖面图相结合的方法，分析主要可采煤层的赋存情况；原有地质分析技术仅局限于二维平面图，可视性较差，无立体感，而且不能准确、直观的掌握煤层赋存情况，不能较快做出动态、精准的采掘设计。因此，利用计算机软件建立平朔井工矿三维地质模型，给矿井智能化建设提供必要的技术支持。以小回沟煤矿为例，建立了巷道及2202工作面三维地质模型。

关键词：3DMine；三维地质模型；巷道；2202工作面

山西小回沟煤矿巷道掘进及工作面回采主要受地质构造制约，地质条件复杂，存在地质信息化程度低，设计和计划编制效率低、科学性差等问题。为进一步实现矿井智能化开采，以全息数字化三维地质精准模型为依托，实现地质信息与采掘工艺装备的协同，现有技术缺少对已有钻探物探信息、掘进过程中的精准探测及工作面回采地质数据的集成和高精度全息建模，无法实现三维地质模型与采掘工艺的时空协同，严重制约了采掘面的安全高效生产。故通过3DMine矿业工程软件，自主建立平朔小回沟煤矿巷道及工作面三维地质模型，可以准确、直观的分析巷道掘进及煤层赋存状态，有效指导采矿设计与安全生产。

1 国内外研究现状

三维地质建模在国外已经非常普遍，在国内，龙软，蓝光，灵图，MapGIS等地理信息系统软件，也实现了矿床三维地质模型的可视化显示，上述软件均已在部分煤矿企业中得到推广和应用。这些软件本身更多侧重地理对象的管理和分析，在结合工作面精细化开采，与新型开采装备相结合，实现实时计算和渲染三维地理信息模型指导开采方面仍然是空白。

目前主流的三维地理信息系统主要采用交叉折剖面建模技术，通过引入剖面中空间要素之间的拓扑关系来生成基于边界表达的三维地质模型的方法，在用户少量干预下，可以建立比较复杂地质模型。然而这些实体模型是一种表面模型，主要对实体的边界表面进行建模，描述离散、匀质的实体对象，只能表现实体的边界，其内部为单一性质对象，不能对实体对象内部的变化精确描述，同时对象模型的拓扑关系需要进行大量人工处理，使模型的动态化处理效率极低，难以满足实时性的要求。目前的地质三维建模技术，只能根据简单的规则对已获得的地质信息进行直观的边界表示，无法利用地质规律进行高精度优化，难以满足实时计算、动态建模以及精准化开采的需要。

我国是世界采矿大国，矿山井下作业处于地表深处，地质条件复杂，灾害的影响因素很多，生产环境恶劣，许多矿井都不同程度地受到瓦斯、煤尘、水害、顶底板、火灾、机电等灾害的威胁，现有的安全管理工具、管理方法和管理手段不能有效地避免大型事故的发生，普遍存在矿山信息化程度低，矿业专用软件对外依存度高，矿山设计和计划编制效率低、科学性差等问题。这一系列的问题给我国采矿生产造成了重大损失，也严重地危及到了采矿工人的人身安全和采矿业的社会声誉。

要想从根本上解决矿山的安全生产和高效生产问题，除了吸收和总结国内外的有关技术成果、形成新的理论体系、提高人员素质外，更重要的是要把矿山打造成为基于空间和时间的四维地理信息、范在网、云计算、大数据、虚拟化、计算机软件及各种网络，集成应用各类传感感知、数据通信、自动控制、智能决策等技术，对矿山信息化、工业自动化深度融合，能够完成企业所有信息的精准适时采集、高可靠度网络化传输、规范化信息集成、实时可视化展现、生产环节自动化运行，能为各类决策提供智能化服务的数字化智慧体，并对人、机、环的隐患、故障和危险源提前预知和防治，使得整个矿山具有自我学习、分析和决策能力。

2 三维地质建模软件简介

本次建立的三维地质模型主要依托3DMine矿业工程软件，该软件是一款完全本土化创新设计，为国内用户量身打造的3D矿业软件。其主要特点：遵循AutoCAD操作风格，通过右键或设定转换键，在同一图形窗口环境下，将二维与三维技术完美结合，实现二维与三维自由切换。利用国外三维矿业软件的优点，中文开发全部功能，结合煤矿地质赋存及构造情况开发的矿业软件平台。重点解决地勘数据库建立与更新、地质建模方法、储量计算、炮孔数据库、采矿设计和短期进度计划、测量仪器与GPS数据等方面的应用和处理问题[2]。同时更加开放的与国内外图形软件的数据相兼容，可以互相运用数据。

3 三维地质模型的建立

3.1 井田的地质条件

山西小回沟煤矿位于吕梁山脉中段的东翼，地势高峻，山峦叠嶂，沟谷纵横，属于中山地貌。总体呈西北高东南低，最高点位于井田北部麦地掌西，海拔1701.87m；最低点位于东南部沙园沟，海拔1104.10m，区内基岩大面积裸露，仅梁、峁有黄土残存。井田位于西山煤田的东南部，地层由老至新为：下古生界奥陶系；上古生界石炭系、二叠系；中生界三叠系以及新生界新近系和第四系。井田内断层、陷落柱较发育，各煤层开采过程中若有断层或陷落柱构成导水通道，其充水水源可能涉及到奥陶系灰岩含水层、太原组灰岩含水层、上部砂岩含水层，甚至地表水，容易造成水害。

3.2 资料收集

在基本了解井田地质及水文地质条件的基础上，根据本次巷道及工作面三维地质矿床建模的需要，收集并整理了相关地质资料，包括小回沟煤矿2#煤层采掘工程平面图、2202工作面抽采钻孔分析图、钻孔剖面图、掘进巷道地质素描图、巷道断面图及其他与建模有关的地质资料。

3.3 建立模型研究内容

基于3DMine矿业工程软件，研究内容如下：

1）收集整理小回沟煤矿巷道及2202工作面三维地质模型建立的原始数据资料。

2）将2#煤层采掘工程平面图中的巷道导线点连线，导入3DMine软件中，线条赋以高程值。

3）通过对3DMine软件功能进行深入分析与研究，以巷道中线为依托，中线生成腰线，建立以腰线来生成巷道三维模型。

4）小回沟煤矿2202工作面抽采钻孔分析图中的剖面图提取工作面煤层顶底板数据，运用3DMine软件要求的钻孔数据库格式，手工录入钻孔数据到Excel表，定义数据库样式，建立钻孔数据库。

5）依据3DMine软件的地层建模功能，建立煤层的顶底板面模型[4]。

4 运用3DMine软件进行地质建模

4.1 巷道地质建模

4.1.1 巷道模型建立方法

巷道及井筒是井工矿生产系统的主体工程，生成巷道三维地质模型可采用巷道中线或腰线建模，生成斜井、斜巷时，需要对起点与终点精准定位，生成平巷时可对导入的二维CAD图件修改赋高程值生成即可[5]。

利用小回沟煤矿2#煤层采掘工程平面图中巷道导线点数据，建立巷道三维地质模型。首先，在采掘工程平面图上，按照巷道分布连接巷道导线点，保留导线点、巷道及导线点连线图层，关闭其他图层，要确保巷道导线点数据及断面数据的准确；其次，将连好的导线点线条图，导入3DMine软件，给线条赋巷道底板高程值；最后，选择巷道的中线生成腰线模型，再选择腰线进行巷道三维地质建模。

4.1.2 关键技术难点

建立的巷道三维模型存在巷道高度不一致的衔接问题，为解决这一难点，将不同巷宽、巷高的巷道分别建模，在巷道断口处生成断面线，利用三角网连接巷道断面，如图1、图2。

图 1  断面生成边界线图                      图 2  断面连接三角网图

4.1.3 建立巷道三维地质模型

根据小回沟煤矿提供的《2#煤层采掘工程平面图》，整理资料数据，在采掘工程平面图上连接巷道导线点，按照巷道的分布将导线点连成线条后，导入3DMine软件，仅保留连接导线点的线条，给线条赋巷道底板高程值，共赋值825条，根据不同的巷道宽度，将中线生成腰线，点击地下-巷道模型-由中线生成腰线，根据不同的巷道高度，由腰线巷道建模，点击地下-巷道模型-腰线巷道建模，在断口处使用三角网连接，点击地下-地下测量-断面连接三角网，处理完巷道断口连接问题后，巷道模型初步建立，最后给巷道命名，建成巷道三维地质模型，如图3。

图 3  小回沟煤矿巷道三维地质模型

4.2 2202工作面三维地质建模

4.2.1 工作面模型建立方法

通过整理井工矿地面三维地震、补充勘探数据资料，井下开展的超前物探、工作面槽波、瓦斯抽采孔和钻探工程数据资料，将基础资料进行数字化、信息化管理，录入井工矿地质数据库，依托3Dmine矿业工程软件，建立工作面三维地质模型。

工作面三维地质矿床模型的建立分三步进行。首先，根据《2202工作面抽采钻孔分析图》中的钻孔施工地质剖面图及圈通工作面巷道素描图提取工作面煤层顶底板数据，使用Excel表格记录；其次，将Excel表格转换成3Dmine的数据库格式，导入数据库，分别生成顶底板点数据模型；最后，使用断层约束，分别生成煤层顶、底板面模型，导入陷落柱线数据，生成最终的受断层及陷落柱约束的2202工作面顶底板面模型，与巷道模型合并处理，生成最终的小回沟煤矿巷道及2202工作面三维地质模型。

4.2.2 关键技术难点

2202工作面三维地质模型的建立，对基础数据的准确性要求很高，需要确切的井下钻孔见煤层顶底板数据，基础数据精度越高，建立的模型精确性就越好；要求钻孔测斜，进行数据对比，来确定所有煤层顶底板数据的准确性。对于断层、陷落柱及角砾岩冲刷带等地质构造定位数据要求较高，需要确切的构造位置数据，生成线型图，以便加入工作面三维地质模型中进行约束，建立集精准构造一体化工作面三维地质模型。

4.2.3 建立2202工作面三维地质模型

根据小回沟煤矿提供的《2202工作面抽采钻孔分析图》中的剖面图提取工作面煤层顶底板数据；使用Excel表格记录，共记录2202工作面顶板点数据612条，底板点数据605条；将2202工作面煤层顶、底板数据按照3DMine软件数据库录入的格式，分别导入定位表、化验表，录入2202工作面煤层顶板数据612条，底板数据605条，点击钻孔-钻孔数据库-新建钻孔数据库，如下图4；点击钻孔-地层建模-地层顶底板点，选取顶、底板地层参数，点确定，形成煤层顶底板点数据模型，如下图5。

图 4  2202工作面煤层顶底板数据库

图5  2202工作面煤层顶底板点数据模型

在点模型的基础上，点击表面-网络估值-搜索参数-使用断层线约束，导入断层文件，点确定，得出顶、底板面模型，如下图6；断层图需提前做成闭合圈的线性图；将2202工作面内的陷落柱闭合圈做成3ds线性图，导入3DMine软件中，抠除陷落柱圈内的煤层即可，如下图7。

图6  2202工作面煤层顶板面数据模型  图7 受断层及陷落柱约束的煤层顶板数据模型

最终将小回沟煤矿巷道三维地质模型与2202工作面煤层顶底板三维地质模型合并处理，得到最终的小回沟煤矿巷道及2202工作面三维地质模型，如下图8。

图 8  小回沟煤矿巷道及2202工作面三维地质模型

5 剖切地质模型

根据3DMine软件中的切割剖面模块功能，在2202工作面煤层顶底板面数据模型上，任意切割剖面，如下图9，直观、可靠的查看工作面煤层顶底板、断层落差及陷落柱情况，并对地质模型进行空间旋转，从不同角度观察巷道及工作面的结构。

图 9  小回沟煤矿2202工作面任意面剖切显示

6 结论

提出建立平朔井工矿三维地质矿床模型的思路，在3DMine矿业工程软件平台上，将二维的原始地质资料分析整理，建立巷道及工作面的三维地质可视化模型。

通过对小回沟煤矿巷道及2202工作面三维地质模型的建立，在三维环境下，将巷道、煤层赋存及地质构造信息和图形可视化工具结合起来，能够进行三维数值模拟与分析，任意的切割剖面，可有效指导巷道掘进与工作面的安全回采，对资源储量估算、提高井下钻探质量及指导采掘设计都具有重要的意义。为平朔井工矿实现工作面无人化智能开采，市场前景广阔，经济效益和社会效益巨大。

参考文献：

[1]谭正华.三维可视化环境下采矿设计与生产规划关键技术研究[D].中南大学，2010.

[2]吴光玲,李守杰.3DMine在建立空区和残矿模型中的应用[J].现代矿业,2010,26(09):15-17.

[3]王哲,胡洪涛.三维地震勘探在小回沟矿井首采区的应用研究[J].煤矿现代  化,2015,06(02):1-2.

[4] 张太宝.基于3DMine黑岱沟一采区部分矿体三维可视化模拟研究[D].内蒙古科技大学,2014.

[5] 金晓峰,安泰龙.3DMine矿业工程软件在矿井三维模型中的应用研究[J].内蒙古煤炭经济,2012.

作者简介：郭君（1990—），男，山西朔州人，工程师，毕业于中国地质大学（武汉）、地球化学专业，现在中煤平朔集团地质测量公司工作。