煤矿三维地质建模及应用研究

关键词:三维地质模型;三维可视化; OpenGL

3-D Geological Modeling for and Its Application in Coal Mines

Abstract:In order to express the complex geological structural shape and the spatial relation-ship between various elements, we study the 3D geological modeling of the mining area and thevisualization techniques. For our modeling method, the 3D geologic body is divided into blocksaccording to faults and the models of each block and each fault are established. And then, theboundaries of blocks are modified with the fault models. By doing so, the complete model ofthe multilayer 3D geologic body based on surface model is finally built. On this basis, a visual-ized application system is built up using the OpenGL technology. The application results indi-cate that the system can effectively increase the degree of visualization and accuracy of the geo-logical analysis and can play an important role in accurately determining the accident locationand rescue route.

Keywords:3-D geological model; 3-D Visualization; 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基本一致或两者交角20°~30°的逆断层,其落差较大,是确定井田边界及采区边界的地质依据.井田内断层落差大于20 m的断层14条,落差10~20 m的断层19条.建模的主要地层对象是井田范围内的煤系地层.

表面模型可以反映三维地质中地层结构分布情况.表面构模技术是基于表面模型,采用实际采样点构造TIN,来反映三维地层结构分布情况的一种技术.TIN方法则是将无重复点的散乱数据点集按某种规则(如Delaunay规则)进行三角剖分,使这些散乱点形成连续但不重叠的不规则三角面片网,并以此来描述3D物体的表面[10].这种方法的建模过程如下:

1)地层划分确定地层的划分.依据钻孔资料或对钻孔遇到的岩层分解点进行综合分析,相同的岩性并且垂直方向位置相似的看作同一层[11].研究区内地质数据包括165个钻孔和300多个井下观察点所揭露的地层信息,以及断层的位置、产状等数据和勘探成果的CAD图件.通过综合分析,抽取其中18条　主要断层作为本次研究的建模块段分界断层.通过分析提取钻孔的位置(坐标)、地层的层序、岩石组成、深度、厚度等资料,考虑到建模实际需要,对建模区的煤系地层进行适当归并,并提取其中24套地层(包括12个主采煤层)作为应用研究对象.

2)地层块段构建TIN对研究区按照局部建模的方法,首先按断层边界划分若干个块段,然后对各个块段分别构建Delaunay三角网.这里的约束条件是断层的边界,用边界线约束建模方法实现约束TIN的构建.为其中一块段的地层层面的约束三角网,约束线段处为断层错开.　　

3)多层TIN生成由基础层面根据钻孔数据及层位的划分,采用反距离插值方法,构建其余地层.在块段中各地层层面生成后,采用最短对角线算法实现层间边界轮廓线的三角形化[12],并对上下层面三角网进行缝合,即可生成单层的地层体模型,.对块段内所有分层进行缝合,就得到了单个块段的体模型,　　

4)断层面两侧的块段的合成依据断层号提取块块边界断层的断面TIN数据,再把两盘的TIN面数据重新缝合成断层的双TIN结构模型,就完成了断层面两侧的块段的合成,建立了整个建模区域的地质体三维模型。

2　煤矿三维地质模型应用实例

2.1　三维地质模型的可视化

OpenGL(Open Graphics Library)是开放式图形工业标准,是绘制高真实感三维图形、实现交互式视景仿真和虚拟现实的高性能开发软件包.由于OpenGL在三维几何建模、模型变换、纹理映射以及双缓存动画等方面具有独特的优势,再加上其具有性能优越的图形应用程序设计界面(API),广泛的可移植性和独立于硬件系统、操作系统.本文采用OpenGL作为煤矿地质体模型的可视化处理工具.地质体的线框模型根据各分层层位的岩性特征,附上不同的的显示属性(颜色、光照、不透明度等),就可以达到期望的显示效果,同时,在系统中还可以进行平移、旋转和缩放以及揭层显示等操作为线框模型在贴上不同的岩性纹理后的块段集成的地质体的三维可视化效果图.

2.2　三维地质模型的剖切

在三维地质体模型的基础上,通过各种剖切生成指定位置的地质剖面,可以清楚的了解地质模型内部的各个细节.剖切面的建立分为以下2个步骤:

1)剖切平面与各地层层面及其断面求交,生成层面剖面线;

2)利用最短对角线方法对相邻地层剖面线进行缝合处理生成剖面三角网(如果剖面线呈上下分布),或利用多边形三角化的方法对剖切面内的剖面线之间进行三角化.

剖面线的生成方法是:依地层网格区域生成剖切平面,将其分成两个三角形;根据三角网格求交线的算法,分别求出剖平面与层面三角网格、断面三角网格的交线,将层面和断面交线线段重连得到剖平面在该地层的剖线.

2.3　断层与煤层变化查询

地质工作者在研究区域地质规律时涉及断层的常用操作包括断层空间分布及相互关系显示、空间查询、空间分析以及断层两侧的地层跟踪等.

1)空间查询如果没有独立的三维断层模型,就不可能表达独立的三维断层对象,这样就难以实现对与断层相关的空间查询.基于本文提出的断层模型,可以实现断层的空间定位查询、断层的空间关系(邻接、包含、穿越、缓冲区)查询、SQL查询等功能.

2)三维空间分析①缓冲区分析:以双TIN面断层模型为中央面,向断层上盘TIN面、下盘TIN面方向一定距离范围确定一个空间区域作为缓冲区,以确定缓冲区内地质对象的功能.如对于导水性断层,可以通过缓冲区设计防水措施,落在缓冲区的煤层可作为防水煤柱,以保证煤矿生产安全.②断层走向、倾向、倾角计算.可以根据断层面上的每个三角形子面计算出断层走向、倾向、倾角,以反映子面的产状.所有子面的产状变化反映了断层面的形态变化,同时可以获得断层面的平均产状.

3)断层两侧的地层查找与跟踪断层的存在破坏了地层的连续性,对于集成了断块地层模型的断层模型,可以方便的实现含断层地层的空间追踪.当由一盘某一地层体模型跟踪到断层TIN面时,通过该层在当前断层面上的单层TIN指针可以迅速检索到相当层在另一TIN面上的相应单层TIN,由此可以追踪本层在另一盘上地层体模型,这样就实现了断层两侧的地层跟踪和显示.4)煤层空间形态和变化情况煤层厚度变化直接影响到矿井生产,通过模型可以跟踪煤层的厚度变化情况,主要通过对地质模型的单层揭层显示来完成,单层揭层显示后通过缩放、旋转等操作首先在直观上可以观察煤层形态、厚度的变化以及断层对煤层的破坏情况。

3　结　论

1)分析讨论了现有三维地层模型和断层模型的建模方法,提出“按断层分块建模,用断层模型修正块段边界、集成煤矿地质体模型”的煤矿地质体建模思路.

2)以建模区域内主要断层作为建模块段的边界断层,针对断层数据、地层模型边界缝合数据以及复杂矿体的采样数据等表现为在垂直方向出现重叠压盖等特征,采用基于最短对角线方法表面建模算法,来缝合地层层面,建立块段地层模型.

3)以淮南某井田实际地质资料为例,实现了该研究区域地质模型的三维可视化、模型的剖切、揭层显示等操作;断层与煤层的空间分析查询;以及地质模型的部分实际应用分析.

 

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