煤礦三維地質與巷道建模方法研究及應用

賈慶仁

國防科技大學電子科學學院，湖南 長沙 410073

煤層地質空間三維建模及空間分析方法的研究已成為助力數(shù)字礦山、智能礦山建設與發(fā)展的研究熱點。論文將煤層與對其開采過程中常涉及的自然實體(如地層、斷層)、人工實體(如巷道)等多種類型的三維實體及其所占有的三維空間定義為煤層地質空間。三維地質建模技術可以構建科學的地質空間的幾何及拓撲，為地下資源分布與工程構筑物的直觀可視化和資源開發(fā)決策提供保障。

煤層地質空間三維建模技術的關鍵問題是如何將從煤礦地質、勘探、測量等工作中獲得的離散數(shù)據(jù)準確地映射為三維結構化的幾何模型。針對上述問題與挑戰(zhàn)，論文開展的研究和取得的進展主要包括：

(1) 分析了煤層地質空間典型數(shù)據(jù)的類別和特征。對煤礦環(huán)境下通過不同技術手段獲取到的數(shù)據(jù)進行了分類，給出從多源數(shù)據(jù)中提取所需煤層地質空間離散數(shù)據(jù)的預處理方法，并為數(shù)據(jù)存儲和程序開發(fā)設計了數(shù)據(jù)結構。

(2) 研究提出了針對煤層異質異構數(shù)據(jù)的空間插值方法。①針對各向異性、非均勻地質離散點插值問題，結合各向異性變換和空間多尺度處理的方法，提出了各向異性多尺度緊支撐徑向基函數(shù)插值方法。該方法比距離反比插值、普通克里金插值方法更高效，且精度更高。②針對煤層異構數(shù)據(jù)(地質離散點和斷煤交線)的插值，提出了一種CD-TIN(constrained delaunay triangular irregular network)約束的克里金方法，該方法以斷煤交線為線性約束與離散地質點結合構建CD-TIN來約束克里金鄰域搜索過程，再通過插值完成含斷層地層三維建模。與幾種現(xiàn)有的插值方法對比，該方法具有較高的時間效率，在斷層影響域內有更好的插值精度。

(3) 提出了針對煤礦單一地層和跨地層斷層的建模方法。①針對單一地層格網(wǎng)上的斷層建模，提出了一種基于位移向量插值的斷層建模方法。該方法通過插值斷煤交線上的斷層位移向量，能更準確地在地層上構建正、逆斷層和相交斷層。②針對單一地層上側翼結構的建模需求，引入定義在離散地層網(wǎng)格上標量場、梯度場及散度，然后通過調整斷煤交線與地層的接觸角度、插值斷煤交線上的空間變換參數(shù)來控制梯度參數(shù)在地層格網(wǎng)上的傳播，最后根據(jù)網(wǎng)格上的場求解泊松方程，更新斷層結構，完成斷層精細側翼結構的重建。③針對跨地層的斷層的三維重建需求，基于參數(shù)化方法構建斷層局部參考坐標系，然后在此坐標系內為所有相交地層計算斷層位移。該方法能在統(tǒng)一的空間參考體系下為跨地層的斷層建模，提高建模效率和模型的可解釋性。

(4) 提出了針對復雜巷道的組件式建模方法。該方法首先定義了巷道基本組件及其三維建模方法，然后通過深度優(yōu)先遍歷巷道中心線雙向圖自動生成巷道雙邊線和基本組件區(qū)域，最后對基本組件分別建模以實現(xiàn)巷道網(wǎng)絡三維模型構建。該方法解決了從巷道中心線網(wǎng)絡到復雜巷道(曲線巷道、相交巷道)的無縫建模問題，并且在實踐中建模時間隨著巷道中心線數(shù)的增長呈線性增長，穩(wěn)定性較好。

(5) 研發(fā)了針對煤礦生產運營的三維建模與應用軟件模塊。根據(jù)筆者提出的煤層地質空間三維建模方法，采用面向對象的程序設計與計算機可視化技術，開發(fā)了煤層地質空間三維建模與應用軟件模塊。論文介紹了軟件的架構設計、用戶界面、功能設計與應用模塊。結合在唐山市錢家營煤礦收集的實際數(shù)據(jù)，從礦區(qū)和綜采工作面兩個尺度詳細介紹了煤層地質空間三維建模、模型更新和基于模型的統(tǒng)計應用實例，并給出了針對煤礦具體應用場景設計的基于三維模型的工作面采煤量統(tǒng)計、礦井涌水量、采空區(qū)積水計算和虛擬鉆孔設計等潛在應用。