基于GMS的某煤礦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；3. 中國煤炭科工集團(tuán)有限公司，北京 100013；4. 中煤科工集團(tuán)北京土地整治與生態(tài)修復(fù)科技研究院有限公司，北京 100013)

三維地質(zhì)建模是利用信息化技術(shù)將整合的地質(zhì)數(shù)據(jù)實現(xiàn)可視化，反映地質(zhì)體的幾何形態(tài)及實體間的相互關(guān)系，是很多相關(guān)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。三維可視化建模技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用到各個科學(xué)領(lǐng)域[1]。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。其中，GMS(Groundwater Modeling System)軟件以其良好的圖形處理能力、強(qiáng)大的數(shù)據(jù)存儲功能和優(yōu)良的三維可視效果得到了業(yè)界的廣泛認(rèn)可，成為國際上最受歡迎的地質(zhì)建模模擬軟件之一[2]。溫繼偉等運(yùn)用GMS軟件建立長春及周邊地區(qū)的三維地層結(jié)構(gòu)可視化模型[3]；呂禹運(yùn)用GMS軟件建立了孔莊礦含水層模型[4]；朱鵬程運(yùn)用GMS軟件建立柳江盆地三維地質(zhì)模型并進(jìn)行了水資源量的預(yù)測[5]；王強(qiáng)利用GMS軟件建立井田三維地質(zhì)模型，進(jìn)一步了解辛安礦地質(zhì)特征[6]。本文結(jié)合現(xiàn)有勘察成果，選用GMS軟件建立研究區(qū)三維地質(zhì)模型，立體展示地質(zhì)要素分布情況。

1 研究區(qū)概況

井田位于濟(jì)東煤田的中南部，行政區(qū)劃屬山東省濟(jì)南市。文祖斷層(F13)和亭山斷層(F1)構(gòu)成了井田范圍的東西邊界，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)過近幾十年的開采，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。研究區(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?；夭煞绞綖楦邫n普采，村莊下、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 工程地質(zhì)條件

奧陶系、石炭系-二疊系、三疊系及第四系組成了研究區(qū)的主要地層，含煤地層為石炭～二疊紀(jì)月門溝群山西組和太原組。處于濟(jì)東煤田的埠村向斜兩冀，在文祖斷層與亭山斷層之間，井田斷裂構(gòu)造發(fā)育，除3煤未受巖漿大面積侵蝕外，其它各煤層均不同程度受到侵蝕破壞。地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度屬中等類型，礦區(qū)內(nèi)的各可采煤層屬較穩(wěn)定～不穩(wěn)定煤層，勘查類型為二類Ⅱ型。

根據(jù)工程勘察資料，研究區(qū)場地土類型為中軟場地土，建筑場地類型為Ⅱ類。場地地層結(jié)構(gòu)及物理力學(xué)性質(zhì)如下：

(1)第一層：素填土，褐色，以粘性土為主，少量孔以煤矸石為主要成分，含少量磚屑及植物根系。場區(qū)普遍分布厚度0.04～14.20 m。

(2)第二層：粉質(zhì)粘土，褐黃色，可塑，稍有光澤，干強(qiáng)度及韌性中等，土質(zhì)均勻。場區(qū)普遍分布，厚度2.60～5.60 m，平均3.66 m，為中等壓縮性土，不具有濕陷性。承載力特征值150 kPa。

(3)第三層：粉質(zhì)粘土，褐黃色，可塑，稍有光澤，干強(qiáng)度及韌性中等，偶見姜石，厚度0.60～13.30 m，平均6.17 m，為中等壓縮性土，不具有濕陷性。承載力特征值130 kPa。

(4)第四層：碎石，灰褐色，中密-密實，成分為灰?guī)r，次棱角狀，粒徑3～7 cm，含量80%，粘土充填。厚度1.0～9.0 m，平均厚度3.92 m，動探試驗29.5 m，每10 cm平均擊數(shù)14.7擊。承載力特征值220 kPa。

(5)第五層：粉質(zhì)粘土，棕黃色，稍濕，可塑，稍有光澤，干強(qiáng)度及韌性中等，偶見鐵錳氧化物，土質(zhì)均勻，厚度1.80～10.30 m，平均5.19 m，為中壓縮性土。承載力特征值160 kPa。

(6)第六層：碎石，灰褐色，密實，成分為灰?guī)r，次棱角狀，粒徑3～7 cm，含量80%，粘土充填。最大揭露厚度16.7 m，動探試驗35.2 m，每10 cm平均擊數(shù)22.9擊。承載力特征值250 kPa。

3 建模的總體思路及軟件介紹

3.1 建?？傮w思路

第一步，在井田現(xiàn)有勘察成果基礎(chǔ)上，人工分解錄入地質(zhì)剖面、地質(zhì)構(gòu)造、地質(zhì)報告以及相關(guān)的成果報告等地層數(shù)據(jù)，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，在后期綜合勘察實施過程中，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，及時對三維模型進(jìn)行補(bǔ)充完善，形成研究區(qū)地質(zhì)體綜合勘察成果的數(shù)據(jù)庫管理，構(gòu)建三維可視化模型，多角度立體展示研究區(qū)地質(zhì)分布情況。

3.2 GMS軟件簡介

GMS軟件在地下水研究方面應(yīng)用較多[7]，鉆探成果錄入、地下水運(yùn)移模擬、地下水?dāng)?shù)值模擬等模塊共同組成了GMS軟件，因此，軟件本身具有綜合性和全面性。GMS軟件不僅能實現(xiàn)地質(zhì)結(jié)構(gòu)體的可視化，還具有地下水溶質(zhì)運(yùn)移模擬和溶質(zhì)范圍預(yù)測的功能。GMS軟件建模的主要方法有網(wǎng)格法、概念模型法和Solids法[8]，本文采用Solids法進(jìn)行模型構(gòu)建。

3.3 GMS軟件的優(yōu)點(diǎn)

(1)錄入信息方便。GMS軟件可實現(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?；A(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或者鉆孔-borehole)建立。一旦概念模型建立完成，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。

3.4 GMS軟件的不足

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候出現(xiàn)“could not open namefile”錯誤，使得模擬文件丟失，影響工作進(jìn)度。

4 利用GMS建模

4.1 資料準(zhǔn)備

資料的收集和整理是地質(zhì)建模工作的重中之重[9]，構(gòu)建三維可視化地質(zhì)模型需要的資料包括三維地層參數(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[10-11]。本次所收集的資料主要是近五年鉆探和物探成果，有勘探線地質(zhì)剖面圖6幅、鉆孔信息統(tǒng)計表、煤層采掘工程平面圖1幅、井田地基穩(wěn)定性評價報告等。經(jīng)整理，六條地質(zhì)勘探線一共布設(shè)原始鉆孔24個，分別是西2勘探線：ZK35、ZK36、ZK37、ZK63、ZK64、ZK65；西3勘探線：ZK3、ZK4、ZK39、ZK40、ZK54；西4勘探線：ZK44、ZK66、ZK67、ZK68、ZK69、ZK82、ZK123；西5勘探線：ZK12、ZK49；西6勘探線：ZK53、ZK73；西7勘探線：ZK11、ZK47。

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，掃描紙質(zhì)底圖為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)范圍圈定完畢如圖1所示。

圖1 研究區(qū)范圍

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Boreholes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中生成單個鉆孔。本次建立地質(zhì)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，如表1所示。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。

表1 鉆孔信息表

導(dǎo)入鉆孔信息表之后軟件自動生成每個鉆孔，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)置每個地層所對應(yīng)的顏色，如圖2所示。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?；氐街鹘缑嬷?，便可看到每個鉆孔的三維立體分布，如圖3所示。

圖2 鉆孔編輯器

圖3 鉆孔三維立體展示

4.4 利用鉆孔數(shù)據(jù)建模

選擇Boreholes模塊中的Auto-fill blank cross sections來自動生成剖面，以ZK82和ZK68所切剖面為例，如圖4所示，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HorizonSolid命令，把鉆孔數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成Solid立體模型，這就是地層結(jié)構(gòu)模型。研究區(qū)內(nèi)落差較大的斷層為西F7和西F8，最大落差均達(dá)到了40 m，屬于研究區(qū)的最大斷層，如圖5所示。GMS軟件不具備文字矢量化的功能，將模型導(dǎo)入ArcGIS軟件進(jìn)行矢量化，研究區(qū)煤層采空區(qū)(白色部分)、研究區(qū)范圍、工業(yè)廣場、勘探線編號等信息在模型上一一展現(xiàn)，增加了模型的可視化程度。

圖4 剖面示意圖

圖5 研究區(qū)三維地質(zhì)模型

5 結(jié) 論

(1)三維地質(zhì)建模一般有鉆孔數(shù)據(jù)建模和剖面建模兩種，本文基于GMS軟件采用鉆孔建模法建立了研究區(qū)的三維地質(zhì)模型，初步展示井田范圍內(nèi)的地層分布和斷層情況。經(jīng)過對比驗證，該模型與真實地層基本吻合，滿足生產(chǎn)要求，為后期的設(shè)計和勘察提供一定的驗證依據(jù)。但現(xiàn)有的地質(zhì)資料存在不真實、不完整、不詳實的情況，導(dǎo)致建立的三維地質(zhì)模型及地質(zhì)數(shù)據(jù)庫不夠完善，后期應(yīng)繼續(xù)開展勘察評估工作，完善地質(zhì)成果，使數(shù)據(jù)庫更加豐富。

(2)隨著科技的發(fā)展，三維地質(zhì)建模對于可視化的要求更高，地質(zhì)建模軟件應(yīng)更多地與建筑景觀設(shè)計信息化軟件相結(jié)合，真正做到地質(zhì)剖面任意切割展示，地質(zhì)信息云端一站式儲存，讓地質(zhì)工作者的工作更加高效。