三維地質建模技術及其在煤田地質構造中的應用

王艷華

山東省煤田地質局第二勘探隊 山東 濟寧 272000

隨著人類社會的不斷發展，資源短缺以及環境污染問題正在不斷加重，越來越多的國家對能源利用、地球空間等方面研究給予了高度的重視，這使得地球空間信息科學獲得了快速的發展，三維地質建模是該領域的熱點技術之一，它將地質理論知識和計算機三維可視化有機結合在一起，為地質空間建模提供更加高效精確的方法。煤田地質構造是三維建模技術在我國的一個重要應用領域。

一、三維地質建模技術的發展概述

三維地質建模技術存在廣義和狹義兩種概念，從廣義上來看，三維地質建模是指采用各類勘探技術，基于綜合性探測數據構建三維地質模型的過程。通常情況下，地質勘探工作的研究對象在空間分布上多呈現出三維特點，因此需要采用各類勘探手段對研究區域的三維地質條件進行了解掌握。從狹義的角度來看，三維地質建模則是指單純的計算機三維地質建模，也就是利用計算機對地質勘探資料進行整合處理，轉化為三維地質模型。

在上世紀八十年代就已經出現了三維地質建模的雛形，在一些針對大中型機環境的油氣地震勘探資料處理軟件中就具備對地震勘探資料處理結果構建“三維數據體”的相關功能。進入到九十年代之后，由澳大利亞Mincom公司所研發的一款采礦設計軟件Minescape中就已經形成了三維地質建模功能。1994年，三維地質建模的概念正式被加拿大學者提出。在此之后，計算機技術在采礦設計、油氣勘探中的應用變得越來越深入和廣泛，對三維建模功能持續提出了新的要求加之三維幾何造型理論的不斷完善，三維地質建模技術獲得了快速的發展。

我國針對三維地質建模的研究開始于上世紀九十年代，在經過二十多年的實踐研究之后，已經形成了功能齊全且穩定的產品，雖然整體上來看，和國際上先進水平產品之間仍舊存在一定的差距，但也有效的改善了我國對國外三維地質建模產品的過度依賴。由中國地質調查局組織、中國地質調查局發展研究中心牽頭，集合多個專業單位編寫的《三維地質模型數據交換格式》標準的實施進一步推動了我國三維地質建模技術的應用。

二、三維地質建模技術在煤田地質構造中的應用

(一)煤田勘探中三維地質建模的數據源分析。在煤田勘探過程中涉及的數據主要包括航天/航空遙感資料、采樣資料、鉆孔資料、物探資料、化驗分析資料等，其種類十分復雜，且結構類型各異，采用具有三維地質建模功能的三維地理信息系統進行管理更加高效。

通過鉆孔勘探對區域煤、巖層進行對比是煤田構造研究的基礎內容，重點內容則是對各個地質曲面進行確定，掌握地質界面所圈定地層的空間幾何形態以及分布規律。因此鉆孔數據是三維地質建模過程中的重要部分，在具體操作中，是通過取芯以及測井，獲得鉆孔軌跡經過巖層和煤層的實物樣本，這樣就可以掌握具體采樣位置的巖層和煤層產狀。一般情況下，鉆孔柱狀圖所記錄的詳細分層對于三維地質建模過于細致，這需要技術人員對巖層和煤層分層進行適當的綜合和概括。

地震勘探數據同樣是煤田三維地質建模不可缺少的一項數據，在地震剖面上，同相軸連線可以作為勘探區域巖層或煤層物性界面和剖面的交線，其波形和振幅則可以用于界面兩側物性的判斷。

(二)煤田勘探三維地質建模的功能需求分析。煤礦屬于典型的層狀礦藏，其礦層通常具有層厚偏小且橫向相對穩定的特征，在煤炭勘探中，三維地質建模的進行時機可以分為兩類，一是用于勘探，即使用三維地質建模軟件基于地形和鉆孔數據構建是三維地質模型的原型系統。基于該系統，可以進行勘探線剖面圖的制作。二是用于勘探后，基于已經完成的地形地質圖、儲量計算圖、勘探線剖面圖等，進行更加精細的三維地質建模，用于礦井設計、數字礦山建設等領域。

(三)煤田勘探中三維地質建模的工作流程。在三維地質建模實際應用中涉及到的關鍵技術由兩種，其一是不規則三角網結構的建立。利用特征線、特征點，通過三角網連接算法形成一系列的三角面。不規則的三角網模型由不規則三角形網構成，三角形的結點主要從等高線或離散高程測量點中獲得。如圖1所示，為某勘探區煤層底板鉆孔樣點進行三角剖分練成不規則的三角網。在實體模型建立中主要使用的三種方法為剖面法、合并法以及相連段法。剖面法是將煤層傾向勘探線的剖面線放入到三維空間中，相鄰勘探線按照礦體的趨勢連成三角網，最后在煤層控制剖面線的兩端封閉起來。合并法是將煤層上、下表面做成面模型，之后配合上下面的邊界連成三角網，最后將三個文件合并形成實體。相連段法則是利用礦體的輪廓線、輔助線以及邊界線，在線之間連成三角網，最后建立礦體模型。

圖1 某勘探區煤層底板鉆孔樣點進行三角剖分練成不規則的三角網

工作流程如下：首先，在勘探工作的過程中，利用三維地質建模軟件構建原型系統。由于鉆孔資料過于細致，因此需要進行適當的合并，形成幾個可以進行對比的區域界面，之后基于界面上的鉆孔樣點，構建三維曲面。同時，對鉆孔中確定的地質界面樣點進行三角剖分，構建地質界面三角網，在此基礎上進行進一步加密和細分，形成地質界面高次曲面三角網，在借由三角網插值追蹤生成曲面的高等線。采用分層設色的方法使曲面呈現出高低起伏的狀態，這即實現了曲面的三維可視化。基于同樣的方法完成地面、松散層底面等構建工作，在三維地質模型的原型系統上指定勘探線上的鉆孔號構建勘探線鉆孔剖面圖，最后通過一定的加工和修改獲得儲量計算圖和勘探線剖面圖。

其次，在煤田勘探之后，利用三維地質建模軟件進行精細化建模。在勘探階段，已經獲得了的儲量計算圖、煤層底板等高線圖以及勘探線剖面圖等圖件資料。在勘探完成后，則需要對這些圖件進行深加工，以滿足三維地質建模的要求。以煤層底板等高線圖等為例，首先，應將需要連接但未連接的等高線和斷面交線進行連接，因為在勘探中，制圖工作人員為了方便標注通常會將等高線打斷。其次，對底板等高線和斷面交線進行重采樣，這樣是為了調整等高線的間距，避免其過密或是稀疏不利于三維曲面的構建。其三，為各條等高線賦予高程值。其四，以等高線和斷面交線為限定線對限定三角進行剖分，完成限定三角網的構建。其五，提取限定三角網中的地性線，將其添加到曲面構建的限定線中，對三角網進行重構。最后，基于上下煤層底板的斷面交線構建斷層面。

結束語

綜上，三維地質建模技術具有多源、多類型數據集成同化、構造要素表達直觀立體以及平面和剖面構造形態空間一致等多項優勢，可以幫助地質工程師更好的理解、分析以及表達各種復雜的地質現象。