基于GMS的某關(guān)閉礦井三維地層模型的建立

趙晗博

(1.中煤科工生態(tài)環(huán)境科技有限公司，北京 100013； 2.天地科技股份有限公司生態(tài)科技事業(yè)部，北京 100013)

1 研究區(qū)概況

井田位于濟(jì)東煤田(章丘煤田)的中南部，礦區(qū)東北距章丘市區(qū)11 km，西距濟(jì)南市50 km，東距淄博市(張店)80 km，行政區(qū)劃屬山東省章丘市。井田范圍，東以文祖斷層(F13)為界，西以亭山斷層(F1)為界，南北均以采礦許可證批準(zhǔn)的范圍為界。極值地理坐標(biāo)為東經(jīng)117°24′27″～117°30′59″、北緯36°34′55″～36°42′23″。經(jīng)過四十余年的開采，井田范圍內(nèi)1、3煤層探明的可采儲量接近枯竭，并于2015年9月30日閉坑。項(xiàng)目區(qū)下方及附近主要開采1煤、3煤和9-1煤層，開采方法采用上、下山單翼或雙翼采區(qū)、單一工作面布置方式，走向長壁后退式采煤方法[1]?；夭煞绞綖楦邫n普采，村莊下壓煤、承壓水體上采用條帶開采和穿采(村莊保護(hù)煤柱范圍內(nèi))，回采工作面采用單體支柱配合鉸接頂梁支護(hù)，全部陷落法管理頂板。

2 建模軟件的選用

三維地質(zhì)建模是關(guān)于三維空間數(shù)據(jù)組織的概念和方法，反映了自然界空間實(shí)體的幾何形態(tài)及實(shí)體間的相互關(guān)系，是很多相關(guān)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。目前國內(nèi)外應(yīng)用比較多的三維地質(zhì)建模軟件有GMS、Surpac Vision、3D Mine Plus、Go CAD等。

2.1 GMS軟件簡介

GMS(Groundwater Modeling System)是一種綜合性的圖形界面軟件，集多種模塊于一體，能夠從鉆孔到地層結(jié)構(gòu)、從平面到空間、從單元到系統(tǒng)的綜合性、系統(tǒng)性、全面性的軟件，不僅能實(shí)現(xiàn)地質(zhì)結(jié)構(gòu)體的可視化，還具有地下水模擬、地下水溶質(zhì)運(yùn)移模擬的功能。

2.2 GMS軟件的優(yōu)點(diǎn)

(1)錄入信息方便。GMS軟件可實(shí)現(xiàn)圖片、CAD文件及excel表格文件的直接導(dǎo)入，與GIS、CAD、CorelDRAW軟件實(shí)現(xiàn)無縫對接，利于地信工作者的便捷工作。

(2)三維可視化。在建立地質(zhì)數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上，GMS軟件可以對三維地質(zhì)體任意剖面進(jìn)行切割剖分，直觀表達(dá)剖面地質(zhì)情況，便于檢驗(yàn)勘察成果。

(3)與地下水模塊相結(jié)合。眾所周知，地下水是地質(zhì)研究的重要組成部分，GMS軟件可以實(shí)現(xiàn)地下水資源量預(yù)測和地下水溶質(zhì)運(yùn)移模擬以及地下水環(huán)境研究。在三維地質(zhì)建模的基礎(chǔ)上結(jié)合該研究區(qū)地下水的研究成果，將使得模型更具有參考性和實(shí)用性。

(4)概念模型(Conceptual Models)方法，是GMS軟件建立三維地質(zhì)模型最有效的手段。通過這種方法，一個(gè)概念模型可以通過GIS要素(點(diǎn)——points、弧線——arcs、多邊形——polygons)和高程數(shù)據(jù)(立體——solid、散點(diǎn)——scatter points、鉆孔——borehole)建立。概念模型建立后，可以通過轉(zhuǎn)換工具將概念模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化到grid的單元格。而大多數(shù)地質(zhì)建模軟件只能通過grid的方法來建立模型。

3 三維建模的總體思路

為了在現(xiàn)有勘察成果基礎(chǔ)上粗略立體展示項(xiàng)目區(qū)地質(zhì)與采空區(qū)分布情況，選用GMS軟件建立項(xiàng)目區(qū)三維可視化立體模型。

分兩步開展三維建模工作：

第一步，在收集前人所做的井田現(xiàn)有勘察成果的基礎(chǔ)上，通過地質(zhì)剖面、地質(zhì)構(gòu)造、地質(zhì)報(bào)告以及相關(guān)的成果報(bào)告等的地層數(shù)據(jù)人工分解錄入，建立三維可視化模型，立體展示井田地質(zhì)體情況與斷層分布情況；

第二步，在采空區(qū)綜合勘察實(shí)施過程中，依據(jù)新的鉆探和綜合物探成果形成地質(zhì)資料數(shù)據(jù)庫，及時(shí)對三維模型進(jìn)行補(bǔ)充完善，形成項(xiàng)目區(qū)地質(zhì)體與采空區(qū)綜合勘察成果的管理數(shù)據(jù)庫，構(gòu)建三維可視化模型，多角度立體展示項(xiàng)目區(qū)地質(zhì)和采空區(qū)分布情況。

4 利用GMS建模

4.1 資料準(zhǔn)備

構(gòu)建三維可視化地質(zhì)模型需要的資料較多，包括三維地層參數(shù)、煤層空間分布參數(shù)、斷層等構(gòu)造三維產(chǎn)狀參數(shù)等。本次所收集的資料主要是近5年前人鉆探和物探的工作量形成的成果，收集的資料有：項(xiàng)目區(qū)勘探線地質(zhì)剖面圖、鉆孔信息統(tǒng)計(jì)表、煤層采掘工程平面圖、井田地基穩(wěn)定性評價(jià)報(bào)告，等。經(jīng)整理，6條地質(zhì)勘探線分別是西2勘探線、西3勘探線、西4勘探線、西5勘探線、西6勘探線、西7勘探線，共布設(shè)原始鉆孔24個(gè)。

4.2 圈定研究區(qū)范圍

進(jìn)行三維建模的第一步是圈定研究區(qū)范圍。一般建立的研究區(qū)范圍多為矩形或者多邊形，相比于圓形，矩形的可視化效果更好。圈定范圍步驟：第一，將紙質(zhì)底圖掃描為CAD所支持的格式的文件，在CAD里面對底圖進(jìn)行配準(zhǔn)，賦予自定義坐標(biāo)系。在CAD中提取礦區(qū)邊界文件，將文件導(dǎo)入圖新地球中，選擇合適的投影帶使得礦區(qū)邊界文件顯示在地圖影像中，截取圖像導(dǎo)出為tiff文件。第二，打開GMS軟件，導(dǎo)入井田底圖tiff文件，選擇Map模塊，點(diǎn)擊new coverage建立邊界文件，用直線工具對底圖進(jìn)行矢量化，研究區(qū)范圍就圈定完畢。

4.3 建立鉆孔數(shù)據(jù)庫

錄入鉆孔數(shù)據(jù)有兩種方法，一種是選擇Borehole模塊中的borehole(鉆孔)，直接在模塊中輸入鉆孔數(shù)據(jù)(包括坐標(biāo)、標(biāo)高、地層數(shù)據(jù)等)，另一種是將鉆孔信息整理成Excel表格，導(dǎo)入GMS中生成單個(gè)鉆孔。本次建立數(shù)據(jù)庫選用后一種方法。

建立煤層鉆孔情況表，包括鉆孔編號和坐標(biāo)、煤層頂?shù)装鍢?biāo)高、地層編號、巖性編號等，首先整理好已有的鉆孔編號信息和平面坐標(biāo)信息，其次對照井田勘探線剖面圖對單個(gè)鉆孔進(jìn)行地質(zhì)分層并編號，地質(zhì)分層分為第四系、二疊系上統(tǒng)、二疊系下統(tǒng)、石炭系、奧陶系、1#煤、3#煤、9#煤等鉆孔分層。

導(dǎo)入鉆孔信息表之后軟件自動(dòng)生成每個(gè)鉆孔，利用鉆孔編輯器對鉆孔數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯，自上而下編排層與層接觸面ID，設(shè)置每個(gè)地層所對應(yīng)的顏色。圖例中Q表示第四系、P2表示二疊系上統(tǒng)、P1表示二疊系下統(tǒng)、C表示石炭系、O表示奧陶系(見圖1)，回到主界面中，便可看到每個(gè)鉆孔的三維立體形狀。

圖1 鉆孔編輯器

4.4 形成剖面

選擇Boreholes模塊中的Auto-fill blank cross sections來自動(dòng)生成剖面。以ZK82和ZK68所切剖面為例，經(jīng)與西4勘探線剖面圖的巖層情況進(jìn)行對比，結(jié)果基本吻合，證明所形成的地層模型符合要求。然后通過Horizon Solid命令，把鉆孔數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成Solid立體模型[2]，這就是地層結(jié)構(gòu)模型(見圖2)。

圖2 建立三維地質(zhì)模型

4.5 三維地質(zhì)模型標(biāo)注

各煤層采空區(qū)位置根據(jù)項(xiàng)目區(qū)1、3、9煤層采掘工程平面圖及資源儲量圖標(biāo)注。初步建立的三維地質(zhì)模型還展示了項(xiàng)目區(qū)范圍、工業(yè)廣場煤柱、道路、勘探線編號等信息。項(xiàng)目區(qū)內(nèi)落差較大的斷層為F7和F8，最大落差均達(dá)到了40 m，屬于項(xiàng)目區(qū)的最大斷層。

5 結(jié)論與不足

(1)資料收集不足?，F(xiàn)有的采空區(qū)和地質(zhì)資料存在不真實(shí)、不完整、不詳實(shí)的情況，導(dǎo)致建立的三維地質(zhì)模型不夠完善，僅能為后期的設(shè)計(jì)和勘察提供一定的參考。因采空區(qū)本身有其特殊性，所以只重點(diǎn)針對采空區(qū)、覆巖及圍巖勘察，而沒有對整個(gè)區(qū)域的地質(zhì)體勘察；打鉆過程中，易出現(xiàn)掉鉆、卡鉆、鉆孔報(bào)廢等現(xiàn)象，需要特殊鉆探工藝；需要專業(yè)人員對采空區(qū)裂隙帶及垮落帶高度進(jìn)行判定。

(2)GMS軟件語言支持不足。圖件中的圖例不能顯示中文，模型工程文件不能用中文名，否則每次重新打開工程文件的時(shí)候出現(xiàn)“could not open namefile”錯(cuò)誤，使得模擬文件丟失，影響工作進(jìn)度。