煤礦三維地質(zhì)模型動(dòng)態(tài)修正關(guān)鍵技術(shù)

孫振明,毛善君,祁和剛,李仲學(xué),李 梅

(1.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院,北京 100083;2.北京大學(xué)遙感與地理信息系統(tǒng)研究所,北京 100871;3.中國(guó)中煤能源股份有限公司,北京 100120)

煤礦三維地質(zhì)模型動(dòng)態(tài)修正關(guān)鍵技術(shù)

孫振明1,毛善君2,祁和剛3,李仲學(xué)1,李 梅2

(1.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院,北京 100083;2.北京大學(xué)遙感與地理信息系統(tǒng)研究所,北京 100871;3.中國(guó)中煤能源股份有限公司,北京 100120)

煤礦生產(chǎn)數(shù)據(jù)具有動(dòng)態(tài)變化的特性,平面數(shù)據(jù)、剖面數(shù)據(jù)和三維地質(zhì)模型需要隨著礦山開(kāi)采不斷進(jìn)行動(dòng)態(tài)的修正和更新,使其對(duì)地下生產(chǎn)對(duì)象的表達(dá)越來(lái)越精確。但是,現(xiàn)階段研究三維地質(zhì)模型以靜態(tài)建模為主,對(duì)模型數(shù)據(jù)更新處理的操作復(fù)雜,需要進(jìn)一步深入研究三維模型的動(dòng)態(tài)修正問(wèn)題。研究提出利用最新的生產(chǎn)數(shù)據(jù)、修正的模型數(shù)據(jù)等對(duì)三維地質(zhì)模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)修正的流程及技術(shù)框架;對(duì)實(shí)現(xiàn)過(guò)程中所用的相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了研究,包括平面-剖面對(duì)應(yīng)算法、膨脹搜索算法、樣條曲面算法、平滑過(guò)渡算法等關(guān)鍵技術(shù),實(shí)現(xiàn)了三維模型的局部動(dòng)態(tài)修正;通過(guò)應(yīng)用模型動(dòng)態(tài)修正技術(shù),使煤礦三維地質(zhì)模型能夠及時(shí)更新各類(lèi)數(shù)據(jù),更加真實(shí)的反映煤礦當(dāng)前生產(chǎn)狀況,提高了三維地質(zhì)模型的動(dòng)態(tài)更新自動(dòng)化程度及實(shí)用性。相關(guān)成果在王家?guī)X煤礦進(jìn)行應(yīng)用實(shí)踐,證明了研究方法的有效性。

三維地質(zhì)模型;動(dòng)態(tài)修正;數(shù)據(jù)更新;地質(zhì)剖切;平面剖面對(duì)應(yīng)

地質(zhì)實(shí)體具有幾何形態(tài)多樣、信息源多類(lèi)、地質(zhì)條件多變等各種復(fù)雜性因素[1]。伴隨煤礦生產(chǎn)工作的不斷推進(jìn),地質(zhì)信息不斷被揭露,地測(cè)數(shù)據(jù)不斷增多與更新,這些條件共同決定了煤礦三維地質(zhì)模型必須有一個(gè)由灰色變白色[2]的動(dòng)態(tài)修正過(guò)程。

隨著三維技術(shù)的發(fā)展和數(shù)字礦山概念[3]的提出,國(guó)內(nèi)外對(duì)三維地質(zhì)建模及應(yīng)用進(jìn)行了大量研究,已有成熟商業(yè)軟件如Surpac,Micromine,DiMine等,主要研究與應(yīng)用內(nèi)容集中在地質(zhì)建模、采礦設(shè)計(jì)、境界規(guī)劃、經(jīng)濟(jì)效益評(píng)估等方面。其中地質(zhì)建模以采用鉆孔、剖面等數(shù)據(jù)構(gòu)建靜態(tài)地質(zhì)體模型[4-7]為主,地質(zhì)數(shù)據(jù)的屬性決定了地質(zhì)體模型需要?jiǎng)討B(tài)修正的特性,非煤礦領(lǐng)域已有針對(duì)地質(zhì)體模型動(dòng)態(tài)更新的相關(guān)研究[8-12],但煤礦行業(yè)僅有少量單獨(dú)針對(duì)斷層或者煤層動(dòng)態(tài)建模的討論[13-14]。

現(xiàn)階段相關(guān)研究仍存在的主要問(wèn)題有:① 在煤礦三維研究中,主要以實(shí)現(xiàn)三維地質(zhì)模型的靜態(tài)建模為主,數(shù)據(jù)的變動(dòng)往往需要重構(gòu)整個(gè)三維模型;②很少有人充分考慮數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)特性,提出煤礦三維地質(zhì)模型動(dòng)態(tài)修正的系統(tǒng)性框架;③ 現(xiàn)有軟件產(chǎn)品對(duì)三維模型的數(shù)據(jù)處理操作繁瑣,實(shí)用性差。

因此,結(jié)合煤礦地質(zhì)數(shù)據(jù)特征,研究煤礦三維地質(zhì)模型的動(dòng)態(tài)修正技術(shù)及相關(guān)應(yīng)用,是煤礦生產(chǎn)信息化建設(shè)過(guò)程中面臨的新挑戰(zhàn)和新課題。本文在前人對(duì)煤礦三維地質(zhì)模型的研究基礎(chǔ)之上,對(duì)三維地質(zhì)模型動(dòng)態(tài)修正的技術(shù)框架、相關(guān)核心技術(shù)等內(nèi)容做了進(jìn)一步的探索與實(shí)踐。

1 三維模型動(dòng)態(tài)修正技術(shù)構(gòu)架

煤礦三維地質(zhì)模型動(dòng)態(tài)修正,是指利用煤礦原始數(shù)據(jù)資料構(gòu)建三維地質(zhì)模型之后,隨著煤礦生產(chǎn)工作的不斷推進(jìn),依據(jù)煤礦生產(chǎn)的實(shí)際情況,利用各類(lèi)更新數(shù)據(jù),對(duì)已經(jīng)構(gòu)建的三維模型進(jìn)行局部動(dòng)態(tài)更新修正。

1.1 模型動(dòng)態(tài)修正數(shù)據(jù)來(lái)源

隨著煤礦生產(chǎn)工作的開(kāi)展,各類(lèi)數(shù)據(jù)不斷變化更新,根據(jù)獲得更新數(shù)據(jù)的來(lái)源途徑不同,將三維模型動(dòng)態(tài)更新的數(shù)據(jù)分為兩類(lèi):最新的生產(chǎn)數(shù)據(jù)、修正的模型數(shù)據(jù)。

最新的生產(chǎn)數(shù)據(jù)是指伴隨煤礦生產(chǎn)工作的不斷推進(jìn),補(bǔ)充勘探、物探、巷道掘進(jìn)、煤層回采等工作的開(kāi)展,不斷增多和更新的煤礦地質(zhì)數(shù)據(jù)。在三維地質(zhì)模型修正過(guò)程中,常用的生產(chǎn)數(shù)據(jù)包括:① 巷道數(shù)據(jù);②地質(zhì)鉆孔柱狀圖;③地質(zhì)勘探線剖面圖;④煤層底板等值線圖;⑤地震地質(zhì)剖面圖;⑥ 陷落柱、采空區(qū)、異常區(qū)數(shù)據(jù);⑦其他不斷更新的地質(zhì)成果等。

修正的模型數(shù)據(jù)是對(duì)已有數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)修正的結(jié)果。地質(zhì)模型數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性直接影響到基于其數(shù)據(jù)的決策判斷,但是,由于礦山地質(zhì)數(shù)據(jù)信息來(lái)源多樣且具有灰色狀態(tài),以及地震勘探解釋結(jié)果的概率性問(wèn)題等原因,導(dǎo)致數(shù)據(jù)資料中難以避免錯(cuò)誤數(shù)據(jù)的出現(xiàn)。如果直接從圖紙或者單一數(shù)據(jù)中查詢(xún),并不容易發(fā)現(xiàn)其中的問(wèn)題。通過(guò)在任意位置繪制預(yù)想剖面,利用平面和剖面的數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)關(guān)系,用戶(hù)可以容易的查找到多數(shù)據(jù)源之間矛盾的情況,或是數(shù)據(jù)不符合一般地質(zhì)規(guī)律的問(wèn)題,從而進(jìn)行數(shù)據(jù)的修正,這就是獲取修正的模型數(shù)據(jù)的核心。

1.2 模型動(dòng)態(tài)修正技術(shù)框架

煤礦三維地質(zhì)模型的修正流程主要為:

(1)利用原始數(shù)據(jù)建立基礎(chǔ)三維地質(zhì)模型,對(duì)應(yīng)技術(shù)方法詳見(jiàn)文獻(xiàn)[2,7]。

(2)在模型的任意位置繪制預(yù)想剖面圖,通過(guò)平面-剖面對(duì)應(yīng)等校驗(yàn)數(shù)據(jù)是否符合地質(zhì)規(guī)律,對(duì)不符合地質(zhì)規(guī)律的位置加以調(diào)整,獲取修正的模型數(shù)據(jù)。

(3)前面獲取的修正數(shù)據(jù)與隨著煤礦生產(chǎn)獲取的最新數(shù)據(jù),通過(guò)包含分析、膨脹搜索算法、樣條曲面算法、平滑過(guò)渡算法等一系列操作,完成對(duì)三維地質(zhì)模型的動(dòng)態(tài)修正。

(4)可以利用修正完成的三維地質(zhì)模型補(bǔ)充與修正各類(lèi)專(zhuān)題圖形。

煤礦三維地質(zhì)模型動(dòng)態(tài)修正技術(shù)框架如圖1所示。

2 模型動(dòng)態(tài)修正關(guān)鍵技術(shù)

2.1 動(dòng)態(tài)修正數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

(1)最新生產(chǎn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備。

鉆孔、野外地質(zhì)調(diào)查、地面采礦工程、井下的掘進(jìn)巷道和回采工作面等是獲取最新生產(chǎn)數(shù)據(jù)的主要手段。隨著地質(zhì)或采礦工作的不斷深入,如鉆孔或物探數(shù)據(jù)不斷增加,也就不斷增加了最新的生產(chǎn)數(shù)據(jù)資料。

(2)修正模型數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備。

圖1 三維模型動(dòng)態(tài)修正框架Fig.1 The dynamic correction framework ofthree-dimension model

修正的模型數(shù)據(jù)主要來(lái)源于繪制預(yù)想剖面后,利用平面-剖面的對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行數(shù)據(jù)的校驗(yàn),對(duì)于不符合地質(zhì)規(guī)律的位置修正,進(jìn)而得到模型的修正數(shù)據(jù)。其中,平面-剖面對(duì)應(yīng)技術(shù)是獲取模型修正數(shù)據(jù)的關(guān)鍵。在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中,平面圖以三角網(wǎng)的形式進(jìn)行表達(dá),剖面圖的地形線實(shí)為平面圖中剖面線與三角網(wǎng)交點(diǎn)集合的連線,因此,在繪制預(yù)想剖面過(guò)程中,通過(guò)下面的處理,即可實(shí)現(xiàn)平面圖和剖面圖上數(shù)據(jù)點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)。

假定繪制預(yù)想剖面的剖切線與平面圖中三角形數(shù)據(jù)的相交點(diǎn)集合為P={pi}(i=1,2,…,n),其中pi為(xpi,ypi,zpi,mpi),xpi,ypi,zpi代表其空間坐標(biāo),mpi為標(biāo)記,當(dāng)剖面線為折線時(shí),標(biāo)記為所屬的折線段編號(hào)。

對(duì)應(yīng)的剖面信息為Q={qi}(i=1,2,…,n),其中qi為(xqi,yqi,mqi),xqi,yqi代表其在剖面圖中坐標(biāo), mqi為對(duì)應(yīng)標(biāo)記。平面點(diǎn)轉(zhuǎn)為剖面點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下:

式中,Bp為求解計(jì)算的基準(zhǔn)點(diǎn);lpi為pi所在折線段起點(diǎn)到pi的水平投影距離與pi之前的折線段起點(diǎn)到終點(diǎn)的水平投影累計(jì)距離之和。

反之,剖面點(diǎn)轉(zhuǎn)為平面點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下:式中,α為qi所在剖面線的折線段與水平方向夾角; xmi,ymi為qi所在剖面線折線段的起點(diǎn)qmi的坐標(biāo);lqi是qi到剖面線折線段起點(diǎn)坐標(biāo)的距離,等于qi到Bp的距離減去qi之前的折線段起點(diǎn)到終點(diǎn)的水平投影累計(jì)距離。

利用式(1)和式(2),平面數(shù)據(jù)與剖面數(shù)據(jù)形成對(duì)應(yīng)關(guān)系,如圖2所示,當(dāng)剖面圖中發(fā)現(xiàn)與一般地質(zhì)規(guī)律不符合的數(shù)據(jù)點(diǎn)并進(jìn)行修正過(guò)程中,即可同時(shí)獲取平面圖中需要進(jìn)行修正的數(shù)據(jù)。

圖2 平面與剖面數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)示意Fig.2 Plane-section corresponding

2.2 更新點(diǎn)影響范圍內(nèi)的處理

在獲取到動(dòng)態(tài)修正數(shù)據(jù)之后,后續(xù)處理流程為利用包含分析算法獲取數(shù)據(jù)所處三角網(wǎng)位置、通過(guò)膨脹算法獲取更新點(diǎn)影響的范圍、利用樣條曲面函數(shù)[15]對(duì)影響范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行重新插值計(jì)算等。其核心技術(shù)包括膨脹算法與樣條曲面插值算法等內(nèi)容。

2.2.1 膨脹搜索算法

構(gòu)建地質(zhì)體的三角網(wǎng)數(shù)據(jù)量大,無(wú)論是對(duì)原始TIN還是動(dòng)態(tài)TIN的進(jìn)一步局部操作,都涉及到獲取變動(dòng)數(shù)據(jù)周?chē)键c(diǎn)和插值點(diǎn)信息的過(guò)程。通過(guò)逐層向外的“膨脹搜索算法”可以有效地提供三角網(wǎng)信息搜索速度。膨脹搜索算法的原理如下:

(1)在已經(jīng)建立的模型中,TIN的頂點(diǎn)都具有特征值(如煤厚)信息,對(duì)于加入的新點(diǎn),或者修正的數(shù)據(jù)將對(duì)一定范圍內(nèi)的已有數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響。

(2)假定數(shù)據(jù)更新點(diǎn)為P,以P點(diǎn)所在三角形的3邊為基準(zhǔn)逐層向外搜索相鄰三角形,即可獲得相鄰一定范圍內(nèi)的三角形坐標(biāo)及其屬性信息(圖3中,P點(diǎn)對(duì)應(yīng)搜索第1層三角形為T(mén)1,第2層三角形為T(mén)2,第3層三角形為T(mén)3,第4層三角網(wǎng)為T(mén)4)。

(3)在搜索過(guò)程中,充分利用已構(gòu)建TIN的拓?fù)潢P(guān)系可以快速得到當(dāng)前三角形的相鄰三角形,減少了計(jì)算量,加快了搜索速度。

圖3 膨脹搜索算法示意Fig.3 The expanding search algorithm

在搜索三角形頂點(diǎn)時(shí),向外擴(kuò)展的三角形層并非隨意的,既不能太多,也不能太少。通過(guò)實(shí)驗(yàn)總結(jié),在搜索點(diǎn)數(shù)超過(guò)10個(gè),同時(shí)搜索到的數(shù)據(jù)點(diǎn)近似均勻分布于更新點(diǎn)四周時(shí),擬合插值效果較理想。如圖4所示,如將更新點(diǎn)周?chē)确譃?個(gè)區(qū)域,每個(gè)區(qū)域內(nèi)有2～3個(gè)原始數(shù)據(jù)點(diǎn)時(shí),下一步構(gòu)建的樣條曲面函數(shù)能更好地反映當(dāng)前的起伏趨勢(shì)。

圖4 平面等分示意Fig.4 The dividing plane method

由于對(duì)三角形的搜索順序是以近圈層構(gòu)造的形式由內(nèi)向外的,所以與隨機(jī)搜索相比,可以認(rèn)為當(dāng)前算法搜索出的數(shù)據(jù)點(diǎn)是更加接近于均勻分布。如果搜索出的原始數(shù)據(jù)點(diǎn)個(gè)數(shù)符合規(guī)定,那么擬合的曲面將反映出地層的趨勢(shì),插值結(jié)果不僅精度滿(mǎn)足要求,而且也是合理的。

2.2.2 樣條曲面擬合插值算法

模型數(shù)據(jù)點(diǎn)包括兩種:一種是不能變化的鉆孔、見(jiàn)煤點(diǎn)等原始點(diǎn);另一種是通過(guò)插值獲取的非原始控制點(diǎn)。在TIN模型中,插值的區(qū)域及對(duì)應(yīng)的相關(guān)數(shù)據(jù)點(diǎn)如圖5所示,筆者以新增加鉆孔數(shù)據(jù)為例進(jìn)行相關(guān)說(shuō)明。當(dāng)有新的原始數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)地加入模型,或者模型通過(guò)平剖對(duì)應(yīng)功能對(duì)某些數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)編輯時(shí),更新點(diǎn)周邊非原始數(shù)據(jù)點(diǎn)的特征值需要再次計(jì)算。為使插值完成后,更新數(shù)據(jù)所處的局部范圍能夠更真實(shí)地模擬地質(zhì)體,采用樣條曲面函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)點(diǎn)的插值計(jì)算。

樣條曲面函數(shù)可看成是無(wú)限大平板純彎曲時(shí)的變形,撓度W和作用在該板上的負(fù)載q(x,y)之間的微分方程為其中,D為板的抗彎曲強(qiáng)度。利用彈性力學(xué)理論進(jìn)行分析求解,可以得到樣條曲面函數(shù)的表達(dá)式為

圖5 新增鉆孔影響范圍及插值點(diǎn)類(lèi)型示意Fig.5 The effect area of new point and types of interpolation points

ε的取值視實(shí)際情況而定,當(dāng)曲面曲率變化較大時(shí),ε要取得小些,反之則取大些,一般對(duì)平坦曲面取ε=1～10-2,對(duì)有奇性的曲面取ε=10-5～10-6較好。

待定系數(shù)a0,a1,a2,Fi(i=1,2,…,n)可以通過(guò)方程組(5)求得,即

其中,cj=16πD/kj,kj為關(guān)于j點(diǎn)的彈性系數(shù),kj=∞時(shí),cj=0。 一般在地質(zhì)曲面的插值中cj都取為0,以使得求出的樣條曲面函數(shù)在已知點(diǎn)吻合原始數(shù)據(jù),即曲面通過(guò)原始數(shù)據(jù)點(diǎn)。式(5)給出的方程組的矩陣形式為

這是一個(gè)對(duì)稱(chēng)方程組,并且一般而言主對(duì)角線元素全為0。使用計(jì)算機(jī)解算線性方程組需要考慮因精度問(wèn)題帶來(lái)的不穩(wěn)定性。為保證解的穩(wěn)定性,采用LUP分解法求解。對(duì)n×n的矩陣A的LUP分解法的思想是尋找3個(gè)n×n的矩陣L,U和P,滿(mǎn)足下式:

其中,L為一個(gè)單位下三角矩陣;U為一個(gè)上三角矩陣;P為一個(gè)置換矩陣。經(jīng)證明,每一個(gè)非奇異矩陣A都有這樣一種LUP分解;這樣做的好處是當(dāng)對(duì)應(yīng)的矩陣是三角矩陣時(shí),更容易求解線性系統(tǒng)。

在計(jì)算出A的LUP分解之后,求解方程Ax=b就只需要求解兩個(gè)三角線性方程系統(tǒng):在這個(gè)方程的兩邊都乘以矩陣P得到:PAx=Pb,根據(jù)式(7)可以得到:LUx=Pb;設(shè)y=Ux,其中x是解向量。首先解方程:Ly=Pb,然后解方程Ux=y,便能得到解向量x,即Ax=b的解:Ax=P-1LUx=p-1Ly=P-1Pb=b。

考慮到數(shù)據(jù)對(duì)原始模型的影響,會(huì)隨著距離的增加而逐漸減弱,為保證數(shù)據(jù)插值后三角網(wǎng)能更好地反映地質(zhì)體的形態(tài),結(jié)合插值數(shù)據(jù)影響力衰減的特性,插值點(diǎn)在取值過(guò)程采用二次衰減模型來(lái)獲得較理想的效果,二次衰減模型如圖6所示。

圖6 二次衰減模型Fig.6 Quadratic attenuation model

在利用樣條曲面函數(shù)進(jìn)行插值的過(guò)程中,由于底層的點(diǎn)、線、面和體對(duì)象加入了標(biāo)識(shí)和狀態(tài)標(biāo)識(shí),能夠確保插值推斷的數(shù)據(jù)在交互修改,而關(guān)鍵數(shù)據(jù)不被修改,三維地質(zhì)模型始終保持為當(dāng)前最新?tīng)顟B(tài)。

2.3 修正范圍內(nèi)外相交邊界的平滑過(guò)渡

通過(guò)樣條曲面函數(shù)對(duì)更新點(diǎn)影響范圍內(nèi)進(jìn)行插值處理后,更新點(diǎn)影響范圍與周邊區(qū)域原始數(shù)據(jù)之間,容易產(chǎn)生褶皺現(xiàn)象。

因此,為保證插值區(qū)域與原來(lái)模型連接處平滑過(guò)渡,需要考慮相鄰三角面片之間的光滑問(wèn)題。二次多項(xiàng)式曲面作為C1連續(xù)的曲面,用其對(duì)相交邊界進(jìn)行修正,能夠?qū)崿F(xiàn)平滑過(guò)渡的效果。

二次多項(xiàng)式曲面構(gòu)建的方法如下:

(1)在更新點(diǎn)影響范圍的邊界處(圖7),獲取每條邊界內(nèi)側(cè)與外側(cè)相鄰三角形的頂點(diǎn),包括非原始數(shù)據(jù)點(diǎn),剔除相交邊界上的點(diǎn),由這些點(diǎn)組成集合N= {Pi(xi,yi)|i=1,2,…,m}。

圖7 更新范圍邊界示意Fig.7 The inner and outer area of the border

(2)利用點(diǎn)集合的數(shù)據(jù)定義二次多項(xiàng)式函數(shù),即

對(duì)于點(diǎn)集合內(nèi)的每一個(gè)點(diǎn)Pi∈N,都滿(mǎn)足其插值條件,為保證解的存在,當(dāng)鄰接點(diǎn)個(gè)數(shù)m＜5時(shí),可以擴(kuò)充集合N使其包含P0的非直接鄰接點(diǎn)。

(3)對(duì)于邊界點(diǎn)P0(x0,y0)的高程值為f0,依據(jù)構(gòu)造的二次多項(xiàng)式函數(shù),重新求得P0點(diǎn)在該二次曲面上的高程值f′0,對(duì)所有邊界點(diǎn)進(jìn)行一次修正計(jì)算,即完成邊界的平滑過(guò)渡處理。

平滑過(guò)渡修正前后的對(duì)比如圖8所示。

圖8 平滑修正前后對(duì)比Fig.8 Before and after smooth transition

3 應(yīng)用實(shí)例

以中煤華晉能源有限責(zé)任公司王家?guī)X煤礦為例進(jìn)行了實(shí)例驗(yàn)證:

首先利用原始數(shù)據(jù)建立了包含煤層、斷層、采空區(qū)、積水區(qū)等各類(lèi)地質(zhì)元素的王家?guī)X煤礦基礎(chǔ)三維地質(zhì)模型;然后,通過(guò)在任意位置繪制多次預(yù)想剖面,利用平面-剖面對(duì)應(yīng)等功能發(fā)現(xiàn)并解決各類(lèi)數(shù)據(jù)源表述矛盾內(nèi)容多處,獲取相關(guān)模型修正數(shù)據(jù);同時(shí),隨著煤礦開(kāi)采工作的進(jìn)展,收集煤礦各類(lèi)最新的生產(chǎn)數(shù)據(jù);最后,利用動(dòng)態(tài)修正相關(guān)技術(shù),對(duì)三維模型進(jìn)行了更新修正,模型更新效果如圖9所示。

經(jīng)過(guò)多次反復(fù)修正之后,三維地質(zhì)模型充分應(yīng)用到了王家?guī)X煤礦重大危險(xiǎn)源預(yù)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)之中,動(dòng)態(tài)更新修正的模型為預(yù)警決策提供了良好的數(shù)據(jù)支撐,有利于進(jìn)一步提高煤礦的安全生產(chǎn)水平,研究成果得到了礦上的一致好評(píng),證實(shí)了其有效性。

圖9 系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例Fig.9 The practical application

4 結(jié) 論

(1)通過(guò)相關(guān)研究,提出了三維地質(zhì)模型動(dòng)態(tài)修正的流程及框架,并探討了模型動(dòng)態(tài)修正的相關(guān)核心技術(shù)算法,為解決煤礦三維模型數(shù)據(jù)更新時(shí)的修正困難等問(wèn)題提供了思路,進(jìn)一步提高了煤礦三維地質(zhì)模型數(shù)據(jù)更新的自動(dòng)化程度及實(shí)用性。

(2)實(shí)踐證明,動(dòng)態(tài)修正后的三維地質(zhì)模型可以應(yīng)用到危險(xiǎn)源預(yù)測(cè)預(yù)警、地質(zhì)空間分析等功能之中,為其提供數(shù)據(jù)支撐,對(duì)于輔助煤礦生產(chǎn)決策、提高煤礦安全生產(chǎn)水平具有重要意義。

[1] Houlding Simon W.3D Geoscience modeling:Computer techniques for geological characterization[M].New York:Springer-Verlag, 1994.

[2] 毛善君.灰色地理信息系統(tǒng)——?jiǎng)討B(tài)修正地質(zhì)空間數(shù)據(jù)的理論和技術(shù)[J].北京大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2002,38(4):556-562.

Mao Shanjun.Gray geographical information system-the theory and technology of correct geological spatial data dynamically[J].Acta Scicentiarum Naturalum Universitis Pekinesis,2002,38(4):556-562.

[3] 僧德文,李仲學(xué),張順堂,等.數(shù)字礦山系統(tǒng)框架與關(guān)鍵技術(shù)研究[J].金屬礦山,2005(12):47-50.

Seng Dewen,Li Zhongxue,Zhang Shuntang,et al.Framework and key techniques for digital mine operation system[J].Metal Mine, 2005(12):47-50.

[4] 屈紅剛,潘 懋,明 鏡,等.基于交叉折剖面的高精度三維地質(zhì)模型快速構(gòu)建方法研究[J].北京大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2008,44(6):915-920.

Qu Honggang,Pan Mao,Ming Jing,et al.An efficient method for high-precision 3D geological modeling from intersected folded crosssections[J].Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis, 2008,44(6):915-920.

[5] Jean Laurent Mallet.Geomodeling[M].New York:Oxford University Press,2002:624.

[6] 車(chē)德福,吳立新,陳學(xué)習(xí),等.基于GTP修正的R3DGM建模與可視化方法[J].煤炭學(xué)報(bào),2006,32(5):576-580.

Che Defu,Wu Lixin,Chen Xuexi,et al.Modeling and visualizing methods for real 3D geosciences model(R3DGM)based on amended generalized tri-prism(GTP)[J].Journal of China Coal Society, 2006,32(5):576-580.

[7] 毛善君,馬洪兵.自動(dòng)構(gòu)建復(fù)雜地質(zhì)體數(shù)字高程模型的方法研究[J].測(cè)繪學(xué)報(bào),1999,28(1):59-63.

Mao Shanjun,Ma Hongbing.Method studying of digital elevation model of creating complicated geological entity automatically[J].Acta Geodaetica et Cartographica Sinica,1999,28(1):59-63.

[8] 李章林,吳沖龍,張夏林,等.帶精細(xì)屬性特征的礦體實(shí)體模型動(dòng)態(tài)構(gòu)建方法[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2011,40(6):990-994.

Li Zhanglin,Wu Chonglong,Zhang Xialin,et al.Dynamical constructing the solid model for an ore-body with refined attributes[J].Journal of China University of Mining&Technology,2011,40(6):990-994.

[9] Frode Georgsen,Anne Syversveen,Ragnar Hauge,et al.Local update of object-based geomodels[J].SPE Reservoir Evaluation and Engineering,2009,12(3):446-454.

[10] Olivier Kaufmann,Thierry Martin.3D geological modelling from boreholes,cross-sections and geological maps,application over former natural gas storages in coal mines[J].Computers and Geosciences,2008,34(3):278-290.

[11] 李?lèi)?ài)勤,何珍文,鄧 軼.城市地質(zhì)中基于剖面的3維層狀地質(zhì)體動(dòng)態(tài)建模[J].中國(guó)圖象圖形學(xué)報(bào),2011,9(9):1702-1707.

Li Aiqin,He Zhenwen,Deng Yi.Three-dimensional dynamic modeling of stratified geology solid based on sections[J].Journal of Image and Graphics,2011,9(9):1702-1707.

[12] 張 偉,林承焰,周明暉,等.地質(zhì)模型動(dòng)態(tài)更新方法在關(guān)家堡油田的應(yīng)用[J].石油勘探與開(kāi)發(fā),2010,37(2):220-225.

Zhang Wei,Lin Chengyan,Zhou Minghui,et al.Application of geological model dynamic updating method in Guanjiapu Oilfield,Dagang[J].Petroleum Exploration and Development,2010,37(2): 220-225.

[13] 王信國(guó),曹代勇.礦山斷層構(gòu)造三維動(dòng)態(tài)建模方法探討[J].采礦技術(shù),2005(3):20-21.

Wang Xinguo,Cao Daiyong.3D dynamic modeling method for fault structure in mine[J].Mining Technology,2005(3):20-21.

[14] 于沿濤,孫效玉,楊宏賢,等.三維層狀礦床地質(zhì)模型建立方法[J].中國(guó)礦山工程,2009(6):38-41.

Yu Yantao,Sun Xiaoyu,Yang Hongxian,et al.3D geologic model establishing method of beded deposit[J].China Mine Engineering, 2009(6):38-41.

[15] 余志偉.一種新的地質(zhì)曲面插值計(jì)算法——曲面樣條函數(shù)方法[J].中國(guó)礦業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),1987,16(4):69-76.

Yu Zhiwei.A new method for interpolating geological surface[J].Journal of China University of Mining&Technology,1987,16(4): 69-76.

Dynamic correction of coal mine three-dimensional geological model

SUN Zhen-ming1,MAO Shan-jun2,QI He-gang3,LI Zhong-xue1,LI Mei2

(1.Civil and Environmental Engineering School,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China;2.School of Earth and Space Sciences, Peking University,Beijing 100871,China;3.China Coal Energy Company Limited,Beijing 100120,China)

Because of the dynamic characteristic of the production data in coal mine,plane maps,section maps and the three-dimensional geological model of the coal mine should be dynamically corrected and updated,and then the underground objects can be controlled more and more accurately.However,the existing researches of three-dimensional geological models are based on static modeling method,which led to the complexity of the model updating process.It’s necessary to study the dynamic modeling method further.Firstly,the new theory of dynamic correction of coal mine 3D geological model using the latest production data and correction model data was presented.Secondly,based on the 3D geological model data,the key techniques used in the system implementation were studied,such as plane-section corresponding algorithm,expanding search algorithm,partially curved surface algorithm,smooth transition algorithm,etc.And the partially correction and updating of coal mine 3D model was realized.Finally,the established coal mine 3D geological model can be updated and corrected using various kinds of the latest data in time,and can correctly reflect the current situation of the production.Using those techniques,the automation of dynamic updating and practicability of the 3D geological model would be improved.The practical application of relevant results in Wangjialing Coal Mineproved the validity of research methods.

3D geological model;dynamic correction;data updating;geological cutting;plane-section corresponding

P628

A

0253-9993(2014)05-0918-07

孫振明,毛善君,祁和剛,等.煤礦三維地質(zhì)模型動(dòng)態(tài)修正關(guān)鍵技術(shù)[J].煤炭學(xué)報(bào),2014,39(5):918-924.

10.13225/j.cnki.jccs.2013.1051

Sun Zhenming,Mao Shanjun,Qi Hegang,et al.Dynamic correction of coal mine three-dimensional geological model[J].Journal of China Coal Society,2014,39(5):918-924.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.1051

2013-07-24 責(zé)任編輯:韓晉平

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863)資助項(xiàng)目(SS2012AA121003)

孫振明(1986—),男,山東濰坊人,博士研究生。E-mail:asunnytiger@163.com。通訊作者:毛善君(1964—),男,四川成都人,教授,博士生導(dǎo)師。E-mail:sjmao@pku.edu.cn