東周窯井田多尺度三維地質建模

郭釗吾，宋曉夏，2，任海青，李凱杰，鄧永鵬

（1.太原理工大學 礦業工程學院，山西 太原 030024；2.煤與煤系氣地質山西省重點實驗室，山西 太原 030024；3.晉能控股煤業集團東周窯煤炭大同有限公司，山西 大同 037006；4.北京網格天地軟件技術股份有限公司，北京 100191）

隨著我國煤炭工業的迅速發展，以及“智能礦山”、“數字礦山”等高新技術概念的興起，以優化煤炭資源開發建設、提高煤礦機械化程度、保證煤礦安全高效生產為目的的煤礦智能化建設，現已經成為我國未來煤炭工業發展的重要方向[1-2]。三維地質模型是實現地質透明化的基礎和前提，該模型基于三維立體成像技術，對井下煤層、構造、巷道布置等信息進行真實還原，極大地突破了傳統二維交互地質模型的局限性[3-7]。同時該模型通過與實際生產中的地質探測數據進行實時交互，實現了高精度地質模型的動態更新，提高了地質預測的準確性[7-11]。基于此，諸多學者對三維地質模型及可視化進行了深入研究。陳建平等[12]在三維地質建模和隱伏礦體三維成礦預測方面做了大量研究；王功文等[13-14]在三維多元地學信息綜合建模和成礦預測方面做了大量的研究工作；程建遠等[15]提出了智能開采工作面三維地質模型的梯級構建技術，并成功運用于實際生產；毛明倉等[16]在黃陵礦構建了高精度地質模型，在此基礎上實現了動態更新，成功運用于實際生產；Meng 等[17]、楊欽等[18-19]、張俊安[20]研發的DepthInsight三維建模軟件與GOCAD、PETREL 等建模軟件相比，領先的幾何算法及超強的多源數據耦合能力，使得建模過程簡潔而高效，而且其具有非凡的建模能力，可以構建蘑菇體、火山錐等復雜的地質模型。在油氣及煤炭勘探、評價等方面得到廣泛的應用。

目前，我國大多數礦井采用傳統二維圖件指導生產，難以準確判斷復雜構造區域的空間地質形態，對采掘接續區域的構造不能做出準確的預測。三模地質模型能夠將礦井內煤層、褶皺、斷層、巷道展布等信息以三維立體的形態真實的表現出來，更有利于煤礦的安全高效生產。為此，以東周窯井田為研究對象，結合該礦相關地質探測數據，利用DepthInsight 軟件進行高精度的三維地質建模，為三維地質模型指導生產提供一定的參考。

1 DepthInsight 建模原理

1.1 建模原理

三維地質建模的重點是斷層及地層的構建，在構建斷層和地層面的時候采用三角網格剖分算法進行建模。三角網格可以精確地展示出模型的邊界狀態，使其在邊界處沒有鋸齒狀現象的發生。

為便于對空間數據進行劃分，引入斷層空間關系二叉樹的概念。它是1 種斷層對空間的劃分方法，既反映了斷裂處的空間位置關系，又反映了斷裂處的順序時代關系[20]。斷層關系的二叉樹拓撲表達如圖1。

圖1 斷層關系的二叉樹拓撲表達Fig.1 Fault network and its topological representation as a binary tree

圖1（a）為一斷層TIN 曲面模型；圖1（b）為斷層拓撲關系示意圖，每條斷層將空間分為2 個區域；圖1（c）為斷層關系二叉樹。斷層F1為主斷層（二叉樹父節點）；F2、F3為輔斷層（二叉樹子節點）。根據建立好的二叉樹關系，將地層離散點分配到二叉樹的葉子節點（圖1（c）中Bi節點）上。

采用基于地層恢復的斷層構模技術—構造恢復法建模。將地層恢復到未發生斷層時的狀態，將原斷層兩側的地層層面看作1 個連續的整體進行統一處理，進行插值擬合。根據斷層的斷距對兩側地層層面的邊緣線進行調整，最終將地層復原至有斷層時的狀態[21]。構造恢復法建模原理圖如圖2。

構造恢復法建模的主要步驟包括：解釋的斷層和地層數據通過斷層二叉樹建立關系，經網格化生成斷面[21-22]，根據二叉樹劃分地層離散點，根據地層離散點建立形變場，建立連續的地層曲面；根據形變場，斷層將連續的地層面切割為實際地層面。建立斷層關系二叉樹后，利用Delaunay 三角網格剖分算法和最小曲率插值法生成斷層模型（圖2（a））；在地層離散點數據的基礎上構建地層界面模型（圖2（b））；在斷層模型的限制下，根據約束三角形算法結合最小曲率插值法利用構造恢復法生成地層界面，檢驗斷層、地層模型，經過優化生成斷裂后的地層模型（圖2（d）），生成地層的頂底界面模型（圖2（e））；在頂底界面以及斷層模型的約束下生成三維構造體模型（圖2（f））。

圖2 構造恢復法建模原理圖Fig.2 Schematic diagrams of structural recovery method

2 三維地質建模基本流程及關鍵技術

2.1 建模流程

建模前需要將二維圖件中的鉆孔柱狀圖整理為鉆孔孔位表（記錄鉆孔空間位置）、鉆孔分層表（記錄鉆孔不同深度處的層位信息）、鉆孔屬性數據表（記錄各個分層內的屬性（巖性、孔隙度等））實現軟件對鉆孔資料的提取。鉆孔孔位（示例）見表1；鉆孔分層（示例）見表2；鉆孔屬性表（示例）見表3。

表1 鉆孔孔位（示例）Table 1 Drill hole position

表2 鉆孔分層（示例）Table 2 Drill hole layerings

表3 鉆孔屬性表（示例）Table 3 Drillhole lithology

利用ArcGIS 軟件將實測剖面以及平面地質圖處理為.shp 文件，將處理后的.shp 文件導入DepthInsight 建模軟件，提取斷層、地層以及侵入體信息，存入礦方獨立坐標系下的地質信息數據庫，為后期三維地質建模提供數據支撐。

在地質信息數據庫的基礎上，利用計算機算法進行斷層模型構建。在斷層模型的約束下構建地層分界面，檢驗地層形態，對不合理的部位進行局部的拓撲重建，然后在上、下分界面的約束下構建各個地層體。在結構模型的基礎上，對結構模型進行網格剖分，然后通過建立屬性數據與結構數據的對應關系，將屬性數據附加在結構模型的網格上，屬性值覆蓋整個模型進而反映屬性空間的變化特征；實現由點到線、由線到面、由面到體的空間立體綜合解釋。基于多源數據三維地質建模流程圖如圖3。

圖3 基于多源數據三維地質建模流程圖Fig.3 Flow chart of 3D geological modeling based on multi-source data

2.2 關鍵技術

2.2.1 地層尖滅處理

當地層出現尖滅情況時，地層尖滅處理如圖4。

圖4 地層尖滅處理Fig.4 Sketch of thinning out of strata

由圖4 分析可得地層尖滅處理如下：①提取二維圖件上尖滅線的信息，導入到地層集；②以邊界線為約束，手動解釋地層產狀數據，提取尖滅區域的數據點；③控制尖滅線以外的數據點在地層層面以下，定義地層的主輔關系，生成層面就可以使得地層在尖滅線處自動消失；④在上下地層界面的約束下生成形態正確的地層體。

2.2.2 小層建模

當部分地層控制數據較多、較為精準，其余地層控制數據較少時，個別地層建模精準度較低，因此需要依靠數據精確的地層，采用“小層建模”的方法構建地層模型，“小層”建模如圖5。

圖5 “小層”建模Fig.5 “Small layer”modeling

具體操作方法如下：

1）將控制數據較少層面的地層類型設置為“小層”，控制數據較為精確的層面為“大層”。

2）根據“小層”與“大層”（參考層面）距離的遠近，將“小層”細分層方式設置為“與上部地層平行”或“與下部地層平行”，小層層面在大層構造、斷層模型、自身數據點的約束下生成。

3）生成“小層”后對層面數據進行等距重新采樣（數據點加密），利用重采樣數據進行建模，重新生成符合實際的層面模型。

2.2.3 斷層接觸關系處理

在斷層建模的過程中最重要的就是處理主輔斷層之間的接觸關系：斷面削截、斷面延展。斷面交切處理如圖6。

圖6 斷面交切處理Fig.6 Sketch of section cut and extension treatment

根據圖6 分析得斷層接觸關系處理如下：

1）斷面削截。圖6（a）為斷層的接觸關系，斷層DF22切割前期形成的斷層DF13。建模時將DF13分為DF13-1、DF13-2分別建模，定義DF22為主斷層，DF13-1、DF13-2為輔斷層。DF22通過算法去截斷DF13-1、DF13-2，得到斷層形態（圖6（b））；斷層面是由TIN 網格表示，先對相交兩斷層三角網格進行求交處理[23]。找到交線，沿著交線對兩側的斷層網格進行重新剖分，最后沿著交線對三角網格進行拓撲分離，裁剪掉輔斷層穿過主斷層多余的部分，始終保持接觸關系的拓撲一致性。

2）斷面延展。圖6（c）為斷層的接觸關系，斷層DF7、DF9靠得很近但沒有連接或者沒有切透現象，為了使其滿足地質界線一致性原理，需要對其進行連接處理。首先通過手動調節DF9的邊界，使DF9沿其延伸方向與DF7完全相交，重新生成TIN 網格，再對其進行削截處理，得到斷層形態（圖6（d））。

3 東周窯井田多尺度三維地質建模

此次建模的原始資料均由東周窯煤礦提供，包括山4#、5#煤層采掘工程平面圖以及224 個鉆孔資料、實測剖面203 組以及10 km2的三維地震勘探資料；在建模前對上述資料利用ArcGIS、Excel 等軟件進行數字化處理，經重新解釋，存入在同一坐標系下建立的地質數據庫。

3.1 東周窯井田地質概況

東周窯井田位于大同向斜西北翼，地層總體為一緩傾斜的單斜構造。地層走向近SN，傾向E，傾角2°～10°。井田地層由新到老依次為新生界第四系，中生界白堊系、侏羅系，古生界二疊系、石炭系、奧陶系、寒武系，中下太古界集寧群。地表出露第四系、左云組和永定莊組地層。區內含煤地層為上石炭統太原組和下二疊統山西組。太原組可采煤層為5#和8#煤層，山西組可采煤層為山4#煤層。

井田內目前揭露落差大于3 m 的斷層150 條，其中落差大于20 m 的斷層48 條，落差10～20 m 的斷層61 條，落差3～10 m 斷層41 條，考慮建模的精度要求，落差小于3 m 的斷層未參與本次建模。

3.2 井田尺度三維地質建模

1）建模步驟。首先進行網格大小設置，在考慮東周窯井田模型精度及建模效率2 個因素的基礎上，設置斷層網格邊長為50 m，地層網格邊長為50 m；根據采掘工程平面圖上的斷煤交線，確定斷層走向，沿垂直斷層走向方向建立空白剖面，根據斷層傾角重新解釋斷層；構建初始斷層模型、地層模型；對山4#、5#煤層進行尖滅處理以及構造檢驗，進行拓撲重建；重新生成三維地質體模型；利用截斷網格剖分技術對地質體模型進行網格剖分；利用鉆孔數據采用指示克里金算法對煤層中的火成巖進行插值建模。

2）鉆孔及DTM 模型。對224 個鉆孔進行數字化處理，存入地質信息數據庫。在鉆孔管理節點下導入構造建模模塊，生成三維鉆孔模型；對井田地形圖進行數字化處理，利用ArcGIS 軟件將其轉換為帶有x、y、z 坐標的點數據共計15.2 萬個，生成文本文件，在構造建模模塊生成“地表”層面，在此基礎上將地表影像附加在層面模型上，構建數字地面模型（DTM），井田地表起伏較大，最大高程1 610 m，最小高程1 232 m，相對高差378 m，總體地勢為東南高，西北低。東周窯井田鉆孔及數字地面模型如圖7。

圖7 東周窯井田鉆孔及數字地面模型Fig.7 Drillhole and digital terrain model of Dongzhouyao Coal Mine

3）斷層模型。東周窯井田內斷裂的組合方式復雜。采用三角網格剖分技術根據斷層解釋數據生成初始斷層面，結合軟件特有的斷面交切處理技術進行斷層交切處理，構建正確的斷層模型。井田斷層模型如圖8。

圖8 井田斷層模型Fig.8 Fault model of Dongzhouyao Coal Mine

4）地層模型。鉆孔數據作為地層的主要控制依據，結合底板等高線在斷層模型的約束下采用最小曲率插值方法精細的構建了山4#、5#煤層的構造模型。由于第四系、左云組、大同組、永定莊組、山西組、太原組、8#煤、本溪組等地層解釋數據較少，因此這些地層均采用小層建模的方法構建。

5）構造檢驗。地層建模結束后，需要對解釋的成果數據、建模方法以及建模精度進行檢驗。利用軟件中三維可視化的功能，檢驗模型內部構造形態是否合理，對出現的問題及時回歸到模型，修正問題數據或者解釋方案，以得到正確的構造形態。斷層、地層異常處理如圖9。本次建模出現的問題是地層錯斷不合理（圖9（a））和斷層斷距不合理（圖9（c））問題。出現地層斷裂不合理現象的原因是斷層邊界異常，DF16-5斷層邊界未延展出工區（圖9（a））。通過手動調整斷層邊界，在地層邊界處形成有效的斷距（圖9（b））；出現斷層斷距不合理現象的原因是因為地層沿斷層DF16-9、DF16-10異常延伸（圖9（c）），通過刪除過界控制點即可解決（圖9（d））。

圖9 斷層、地層異常處理Fig.9 Fault and formation anomaly processing

6）東周窯井田屬性模型。對于在沒有實測和三維地震揭露，只有鉆孔揭露的區域，無法人為的對火成巖的輪廓進行刻畫。根據鉆孔數據，采用屬性插值的方法靈活的加入約束條件（幾何約束與屬性約束）對火成巖侵入范圍進行模擬，預測火成巖的侵入范圍。在井田結構模型的基礎上對地質體模型進行截斷網格剖分，對井田鉆孔進行數據處理時發現火成巖主要侵入山4#、5#煤層，且最小厚度為0.5 m，因此山4#、5#煤層設置網格大小為50 m×50 m×0.5 m，其余層網格高度為對應層厚，進行網格剖分，共計剖分網格2 200 萬個。為預測火成巖的分布，依托各個地層將火成巖設置為地層屬性，根據鉆孔數據利用指示克里金算法對山4#、5#煤層進行插值計算，構建了山4#、5#煤中的火成巖模型。井田內山西組山4#煤層中火成巖主要侵入井田北部，最大厚度超過21 m；在東部、西南存在少量侵入，太原組5#煤層中火成巖主要侵入井田中部及東北部，最大厚度超過31 m，厚度較大。井田地層三維模型如圖10；煤層屬性模型如圖11。

圖10 井田地層三維模型Fig.10 Three-dimensional model of mine field

圖11 煤層屬性模型Fig.11 Attribute models of coal seam

3.3 地震勘探區三維地質建模

此區域尚未開采，勘探區面積為10 km2，共布置鉆孔23 個，且在2016 進行了地震勘探。為揭示此區域煤層形態和構造特征以及后期工作面的規劃及開采提供參考。

東周窯井田三維地質模型中，圈定出地震勘探范圍，進行精細的三維地質建模及應用研究。構建此模型使用的煤層底板等高線與剖面均由地震解釋所得，包括山4#、5#、8#煤層底板等高線以及14 幅地震剖面，與構建井田尺度模型的資料相比更為精細。

1）建模步驟。在綜合考慮地震勘探區建模精度以及效率后，設置斷層網格邊長為10 m，地層網格邊長為10 m；利用解釋剖面以及地震數據體對構造進行逐一解釋，構建初始斷層模型、地層模型；對山4#煤層進行尖滅處理以及構造檢驗，進行拓撲重建，生成三維地質體模型。

2）斷層模型。此次建模共構建斷層62 條，斷層走向以北西向為主，北東向為輔，而且北西走向斷層切割北東走向斷層。地震勘探區斷層模型如圖12。

圖12 地震勘探區斷層模型Fig.12 Fault model of seismic exploration area

3）地層模型。地震勘探區地層三維模型如圖13。此次建模構建了山西組、山4#煤、太原組、5#煤、8#煤、本溪組6 個地層層面模型（圖13（a））。建模結合8#煤層、5#煤層、山4#煤層的底板等高線以及鉆孔資料采用最小曲率的插值方法，構建了8#煤層、5#煤層、山4#煤層的精細構造模型，其余層面均采用小層建模的方法構建。

圖13 地震勘探區地層三維模型Fig.13 Three-dimensional model of strata in seismic exploration area

4）規劃工作面模擬。在三維地質模型的基礎上模擬8409、8408、8407 等8 個規劃工作面，實現了地下構造可視化，為后期煤礦生產提供地質保障。規劃工作面如圖14。

圖14 規劃工作面Fig.14 Planned working faces

3.4 回采工作面三維地質建模

以山4#煤層一采區8100 工作面為例，探索了基于詳實地質勘探資料進行高精度工作面三維地質建模及動態更新的方法。構建此模型的原始資料以實測剖面為主，包括在2100 巷、5100 巷以及切巷掘進過程中繪制的剖面和在回采過程中繪制的200 幅實測剖面；與構建井田和地震勘探區模型的資料相比更為密集、精確。此區域在前期的勘察中并未發現斷層和火成巖的侵入，但是在采掘的過程中，2100巷揭露13 條斷層，5100 巷揭露4 條斷層，切巷揭露2 條斷層，且局部有火成巖的侵入。

1）建模步驟。從實測剖面文件中提取各套地層和侵入體的輪廓線以及斷層軌跡，根據空間位置確定他們在空間上的對應關系；將地層、斷層、侵入體分別進行數字化處理，制作成不同的數字剖面置于同一文件夾下；將剖面導入軟件進行對應的解釋，將解釋數據提取到構造建模模塊進行斷層及地層建模；根據所有剖面揭露的火成巖信息，建立火成巖邊界線；設置火成巖體網格大小，經試驗最佳網格邊長為2 m，生成火成巖體包絡面；設置火成巖與地層、斷層的接觸關系，重新生成火成巖體包絡面；進行構造檢驗，得到準確的三維地質模型。

2）初始8100 工作面煤層模型。根據BK35、B1516、J47 鉆孔和山4#煤層底板等高線資料構建初始的煤層三維模型。8100 工作面初始模型如圖15。

圖15 8100 工作面初始模型Fig.15 Initial model of 8100 working face

3）模型動態更新。根據2100 巷、5100 巷以及切巷在掘進過程中揭露的實測信息，對8100 工作面模型進行局部更新。然后根據200 幅實測剖面對8100工作面模型進行動態更新。8100 工作面更新如圖16。

圖16 8100 工作面更新以及柵格剖面展示Fig.16 Update and grid section display of 8100 working face

4）8100 工作面巷道模型。根據工作面的實測剖面測點坐標進行巷道建模。基本步驟為：統計各個巷道測點數據，錄入表格；將表格數據保存為.prn 格式，將文件導入建模軟件，生成初始的巷道模型，對其進行檢驗，對巷道進行屬性設置。東周窯井田8100 工作面巷道模型如圖17。

圖17 東周窯井田8100 工作面巷道模型Fig.17 Tunnel model of 8100 working face in Dongzhouyao Mine Field

4 結 語

以東周窯井田為研究對象，在東周窯煤礦提供的二維地質資料的基礎上，對其進行數字化處理，建立地質信息數據庫，采用DepthInsight 三維建模軟件，構建了不同尺度的三維地質模型。

1）山4#、5#煤層的屬性模型預測了火成巖的侵入范圍，山4#煤北部和5#煤中部、東北部火成巖侵入較為嚴重，在設計開采工作面的時候應該避開這些區域。

2）在地震勘探區模型的基礎上，模擬了8402、8403 等8 個規劃工作面模型，清晰地展示了工作面內構造情況，為后期此區域開采提供地質保障。

3）在初始工作面模型的基礎上可以融入巷道掘進和回采過程中揭露的地質信息，構建出山4#煤層中火成巖體的三維模型，實現了地質模型的動態更新，為工作面的開采提供了地質保障。