三維地質建模在煤礦地面塌陷范圍預測中的應用研究

摘" 要：利用鉆孔、測井、地震、測繪以及煤礦開采等多源數據，構建羊場灣礦區初始三維地質模型。利用寧東礦區覆巖“三帶”高度及平面分布范圍，構建煤礦開采后地表沉陷的模型。通過前后2個模型的對比可以展示煤礦采煤后的地層沉降程度和地表塌陷范圍，分析地面塌陷的發展趨勢，實現對寧東地區采空區預防治理工作的預警。

關鍵詞：煤礦塌陷范圍預測；三維地質建模；地表沉陷模型；剖面對比；煤礦采空區；模型應用

中圖分類號：P618.11" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）12-0110-04

Abstract： The initial 3D geological model of Yangchangwan mining area is constructed by using multi-source data such as drilling， logging， seismic， mapping and coal mining. Based on the \"three zones\" height and plane distribution range of overburden in Ningdong mining area， a model of surface subsidence after coal mining is constructed. The comparison between the two models can show the degree of strata subsidence and the range of surface subsidence after coal mining， analyze the development trend of surface subsidence， and realize the early warning of goaf prevention and control in Ningdong area.

Keywords： Prediction of coal mine collapse range; 3D geological modeling; surface subsidence model; profile comparison; coal mine goaf; model application

三維地質建模是指利用各種勘探手段，綜合多種探測數據，建立研究區的三維地質模型的過程[1-3]。三維地質建模已經成為工程技術研究中一個非常重要的內容，可以輔助地質工作者在虛擬場景中進行思考和推理[4-8]。三維地質模型的優勢在于能夠直觀地展示非常復雜的地質信息，人們利用其來展現真實世界的需求變得越來越強烈。隨著地質信息化的發展，三維地質建模逐步進入成熟階段。

寧東地區已成為銀川乃至寧夏經濟增長的重要“引擎”，寧東地區的煤炭采空區覆巖損害綜合探測技術與地表沉陷預測研究及災害預警，直接關系著現代能源化工基地后期規劃建設合理性，為寧東現代化能源化工基地生活、地質安全、可持續發展提供地質服務保障。

1" 研究區地質特征

研究區地層區劃屬華北地層大區、晉冀魯豫地層區、華北西緣地層分區、桌子山-青龍山地層小區。

1.1" 地層

羊場灣井田范圍內第四系廣泛發育，各系地層大部被其掩蓋，僅零星出露。井田內揭露的地層有三疊系、侏羅系及第四系。現由老至新依次為三疊系（T）、侏羅系中統延安組（J2y）、侏羅系中統直羅組（J2z）、侏羅系上統安定組（J3a）和第四系（Q）。

1.2" 構造

根據區域地質資料，桌子山-青龍山地層小區為中生代拗陷區，以中生代地層最為發育。古生代地層被廣泛發育的中、新生代地層所掩蓋，埋藏較深。西北的橫城和西南的韋州煤田有零星出露，三疊-侏羅系地層在地表出露零星，僅在個別溝谷中見跡，新生界普遍發育。研究區大地構造位置位于華北板塊鄂爾多斯地塊西緣拗陷帶韋州坳陷。寧夏以青銅峽-固原斷裂為界將境內劃分2個一級大地構造單元，其東北側為華北地臺，西南側屬秦祁褶皺帶。根據《寧夏回族自治區煤炭資源預測與評價報告》（1994年第三次煤田預測）構造劃分成果，鴛鴦湖礦區屬華北地臺、南北向逆沖構造帶、桌子山-橫山堡逆沖帶。本區東臨鄂爾多斯臺拗，西接六盤山弧形構造帶，呈一南北向之狹長地帶，其南北方向均延至區外。本區由一系列走向NNW或近SN向的褶皺群及與之相伴的斷層組成。北部以褶皺為主，斷層稀少，向南斷層發育破壞了褶曲的完整性。

1.3" 煤層

井田內主要含煤巖系為早、中侏羅系延安組，共含煤20～39層，平均總厚度為32.44 m，含煤系數11.3%。編號煤層共18層，自上而下為一、二、二下、三、四、五、六、七、八、九、十、十一、十二、十三、十四、十五、十六、十七煤。除四煤和十七煤為不可采煤層外，井田內二、十四、十五煤層為主要可采煤層，一、九、十二煤層為大部可采煤層，其余煤層均為局部可采煤層。可采煤層平均總厚28.04 m，可采含煤系數9.7%。煤層傾角一般8～15°。

2" 軟件介紹

深探地學建模軟件由北京航空航天大學計算機學院楊欽教授團隊開發，在構造建模、網格化、屬性建模等建模領域擁有領先的技術，軟件基于整體模型管理應用平臺，對數據和模型統一管理，并建立符合地質數據和地質認識的地質構造模型，可基于強大的網格剖分模塊，進行各類屬性的分析計算。軟件由3大模塊組成：構造地質建模模塊、網格剖分模塊和屬性建模模塊。

3" 建模思路

寧東礦區屬于多煤層開采，第一層煤已逐漸采完，后續向第二層煤及深部開采，地表沉陷逐漸表現出多煤層重復采動特性，本次研究通過地表建立觀測站監測地表沉陷，獲得重復采動地表沉陷數據，分析多煤層重復采動地表沉陷過程和特性，研究地表沉陷機理；利用收集的礦區地質資料、物探資料、水文資料和首采面覆巖應力監測資料等，結合覆巖“三帶”破壞高度探測結果，采用數值模擬、物理模擬和理論分析等方法，建立深部多煤層重復采動下的地表沉陷預測模型，研究模型參數的選取及物理意義，建立一套完整的適合寧東礦區深部多煤層重復采動的沉陷預測方法。本次研究通過新建塌陷后地層的方式，構建了示范區域因煤層開采導致的地表沉陷模型。直觀地展示了煤層開采導致的地表塌陷問題。

4" 模型實現步驟

本次研究主要基于深探三維地學建模軟件的構造建模模塊構建羊場灣礦區三維地質模型。深探軟件的核心算法和先進技術，使得建模過程簡潔而高效，能方便地處理斷層與斷層，斷層與地層以及地層與地層之間復雜的地質接觸關系，從而建立更真實合理的構造模型。

模型實現步驟如下，首先整理已有的數據（地震解釋數據、鉆孔數據和成果圖件數據），其次將以上數據導入到深探三維軟件中，接下來建立斷層模型、地層模型和初始構造模型，然后進行模型檢查，對于不合理的地方進行調整，直到合理為止。具體建模步驟如圖1所示。

5" 模型應用

我們選定研究區第十三采區開展塌陷后地表三維地質建模構造，塌陷高度由本課題的另外2個子課題的研究提供。

從原模型中截取第十三采區范圍內的地質模型，如圖2所示。

另2個子課題給出的塌陷高度為點數據，對原模型的地表進行采樣，用同一位置的采樣值減去塌陷高度，可以計算出塌陷后的地表離散點數據，將點數據導入深探建模軟件，生成塌陷后的地表。如圖3所示。

在塌陷前（圖2）、塌陷后的模型（圖3）同一位置新建剖面進行對比。

圖4—圖5剖面最上層部分為塌陷掉的地表，下部分為塌陷后的新地表。由于塌陷高度最大僅為6 m，而模型縱向上深達數千米，在垂向上難以很好地展現塌陷地層。

對剖面進行局部放大（如圖6所示），可以清晰地查看地表塌陷情況。

利用suffer繪制了地表塌陷值等值線，覆于模型表面，如圖7所示，沉降量逐漸變大，可以查看塌陷范圍在模型中的平面展布。隨著煤層開采，第十三采區將形成5個塌陷中心，最大沉降值為6 m。

6" 結論

本次研究收集了地表高程DEM數據、煤礦生產開采數據、煤礦平面布置圖、歷次煤礦生產勘探形成的地質剖面、鉆孔數據。并對諸多數據進行了清洗，對數據進行可信度評定，完成坐標歸一化，并進行分類儲存。利用構造解釋的方法建立了羊場灣礦區三維地質模型，并利用鉆孔約束和煤田生產數據對模型進行了質量檢查和修正。最終模型與鉆孔數據吻合程度較高，建模質量較好，相對準確地還原了礦區地下構造。結合本課題前期計算插值得到了第十三采區最終塌陷后的地表高程，并建立了塌陷后的三維模型，在模型頂覆蓋塌陷厚度等值圖，直觀顯示地表塌陷情況。

通過此次三維建模，成功構建了礦區塌陷模型，但是因煤層埋藏較深，建模縱向長達2 025 m，而地表塌陷最大值僅為6 m，相當于模型的千分之二，僅在剖面圖放大后可以觀察到塌陷區域，整體展示效果比較一般。

第四系地層以漸變色顯示，較好地展示了地形起伏的情況，但是隱去了地面構筑物、地貌等細節。建議后期補充傾斜攝影圖像，能夠更好地展示地面形態，評估地表塌陷對人類構筑物的影響。

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