三維地質(zhì)建模在煤礦地質(zhì)可視化中的應(yīng)用分析

張平松， 李潔， 李圣林， 郭立全

(安徽理工大學地球與環(huán)境學院， 淮南 232001)

隨著煤炭行業(yè)的發(fā)展，煤礦智能化是未來發(fā)展的必然方向。2020年年初，國家發(fā)展改革委、國家能源局、應(yīng)急部、國家煤礦安監(jiān)局、工業(yè)和信息化部、財政部、科技部、教育部研究制定了《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導意見》，明確了煤炭行業(yè)未來智能化發(fā)展的目標、主要任務(wù)和保障措施，對采掘、運輸、通風、供電、選煤等環(huán)節(jié)的智能化發(fā)展具有重要的指導意義，《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導意見》的出臺將進一步加快煤礦智能化的進程。三維地質(zhì)建模及可視化技術(shù)是煤礦智能化建設(shè)的基礎(chǔ)，能夠為真三維組態(tài)和四維地理信息系統(tǒng)提供地層支持，實現(xiàn)地形、煤巖層、斷層、陷落柱、井巷系統(tǒng)等的真三維呈現(xiàn)。

回顧整個三維地質(zhì)建模相關(guān)技術(shù)的發(fā)展歷程，在20世紀80 年代就出現(xiàn)了許多具備一定三維空間數(shù)據(jù)處理功能的三維地質(zhì)建模和可視化的系統(tǒng)，為地質(zhì)、礦山領(lǐng)域的地質(zhì)數(shù)據(jù)處理、分析及顯示提供了一定的支持，隨后加拿大學者Houlding[1]在20世紀90年代初提出了“三維地質(zhì)建模”概念；法國學者Mallet[2-3]提出的離散平滑插值(discrete smooth interpolation，DSI)方法使這一技術(shù)進一步走向成熟。經(jīng)歷了長達幾十年的發(fā)展，國外的三維地質(zhì)建模技術(shù)已經(jīng)達到了較為成熟的規(guī)模。從國內(nèi)來看，自20世紀80年代引入Earth Vision以來，中國也開始了地質(zhì)領(lǐng)域與采礦行業(yè)的三維建模研究，90年代韓國建等[4]和陳云浩等[5]以礦山開采為研究對象，基于八叉樹理論開發(fā)了礦體信息存儲結(jié)構(gòu)模型。緊接著，針對三維地質(zhì)建模技術(shù)理論和方法、三維地質(zhì)建模軟件開發(fā)等方面，許多學者在各自不同的領(lǐng)域也進行了大量的探索和研究，為描述三維地質(zhì)空間提出了許多理論和有針對性的思路。在最近的研究建設(shè)中，專家學者對三維地質(zhì)建模及可視化技術(shù)從各自的領(lǐng)域加以解讀，提出了玻璃地球[6]、透明礦山[7]、透明工作面[8]、虛擬地理環(huán)境[9]等新的學術(shù)名詞。

煤礦信息屬于空間信息的范疇，煤礦生產(chǎn)過程與三維空間有密切關(guān)系。高精度三維地質(zhì)模型是煤礦開采設(shè)計的基礎(chǔ)，是礦山生產(chǎn)、安全管理系統(tǒng)和調(diào)度系統(tǒng)的依據(jù)，可實現(xiàn)準確的資源量計算和煤質(zhì)預報。相對于國外三維地質(zhì)建模的發(fā)展和應(yīng)用，中國礦山領(lǐng)域在三維數(shù)據(jù)的獲取、建模以及數(shù)據(jù)標準等核心技術(shù)研究方面目前還處于攻堅階段，理論研究和現(xiàn)場實際應(yīng)用的結(jié)合還有待進一步提高。針對這一問題，現(xiàn)結(jié)合當前三維地質(zhì)建模在煤礦地質(zhì)可視化中的技術(shù)發(fā)展趨勢，對相關(guān)研究和應(yīng)用進行總結(jié)分析，并提出其在助力煤礦智能化發(fā)展中的一些思考和認識。

1 三維地質(zhì)建模在煤礦地質(zhì)可視化中的研究方向

三維地質(zhì)建模就是將地質(zhì)、測井、地球物理資料和各種解釋結(jié)果或者概念模型綜合在一起生成三維定量隨機模型，運用計算機相關(guān)技術(shù)手段，在虛擬的三維環(huán)境下，將地學數(shù)據(jù)的統(tǒng)計、地質(zhì)信息的解釋、空間信息的整合、空間分析與預測、實體內(nèi)容的分析以及圖形的可視化等工具結(jié)合起來，并應(yīng)用于地質(zhì)分析的技術(shù)[10]。三維地質(zhì)建模在煤礦領(lǐng)域主要應(yīng)用在成礦預測、透明化勘探、固體礦物儲量估算、礦山開采計劃與設(shè)計、智能化管控、災害模擬評價等方面，應(yīng)用地理信息作為數(shù)據(jù)參考，最終做到三維呈現(xiàn)。

三維地質(zhì)建模是地理信息技術(shù)中的一個重要組成部分，它不是指傳統(tǒng)意義上單一的科學計算，而是煤礦建設(shè)中三維信息數(shù)據(jù)獲取、三維空間數(shù)據(jù)建模、三維地質(zhì)分析解釋、煤礦地質(zhì)專題應(yīng)用等系列技術(shù)方法。針對不同的細分領(lǐng)域，三維建模技術(shù)應(yīng)用方式各不相同，研究應(yīng)用方向也比較廣泛，在煤礦地質(zhì)可視化方面的研究和應(yīng)用方向如圖1所示。

圖1展示了整個三維可視化技術(shù)在研究和應(yīng)用方向上有3個主要方面。

(1)在礦產(chǎn)資源開發(fā)方面，通過地質(zhì)、地理信息數(shù)據(jù)綜合應(yīng)用三維地質(zhì)建模進行透明化勘探，從而進行成礦預測以及后期的儲量估算管理等。

(2)在采礦工程設(shè)計方面，應(yīng)用前期的三維數(shù)據(jù)支撐，建設(shè)礦山開采系統(tǒng)、通風模擬系統(tǒng)以及智能化開采系統(tǒng)等。

(3)在礦山安全生產(chǎn)方面，在巷道掘進或者工作面回采過程中，為保證安全生產(chǎn)，透明地質(zhì)條件、事故災害模擬和環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)顯得尤為重要。

圖1 煤礦地質(zhì)可視化的研究和應(yīng)用方向Fig.1 Research and application direction of coal mine geological visualization

2 三維地質(zhì)建模軟件使用情況

從大類上來看，三維地質(zhì)建模軟件是地理信息系統(tǒng)的一個分支。三維地質(zhì)建模主要針對地下空間，三維地理信息系統(tǒng)(geographic information system，GIS)主要針對地上空間，兩者在應(yīng)用領(lǐng)域與實現(xiàn)技術(shù)方面有很大的不同。三維地質(zhì)建模軟件從20世紀70年代開始研發(fā)，已經(jīng)走過近50年的發(fā)展歷史，中外有許多研究學者與團體為此進行了堅持不懈的努力。

國外從20世紀90年代開始有穩(wěn)定的產(chǎn)品問世，并不斷改進、成熟。國外與煤礦三維地質(zhì)相關(guān)的主要產(chǎn)品情況見表1。

之前的很多年內(nèi)，中國一直沒有優(yōu)秀的三維地質(zhì)建模軟件產(chǎn)品出現(xiàn)，但近幾年中國在此領(lǐng)域發(fā)展快速，軟件功能也在穩(wěn)步提高。中國與煤礦三維地質(zhì)相關(guān)的主要產(chǎn)品情況見表2。

表1 國外主要三維地質(zhì)建模軟件產(chǎn)品[10-12]Table 1 Main foreign 3D geological modeling software products[10-12]

表2 中國主要三維地質(zhì)建模軟件產(chǎn)品[10-12]Table 2 Main 3D geological modeling software products in China[10-12]

表2所示的國產(chǎn)三維地質(zhì)建模軟件，雖然與國際先進產(chǎn)品相比仍然存在一定差距，但近年來迅速發(fā)展，大多已具備地下三維地質(zhì)建模功能，能夠滿足大多數(shù)三維地質(zhì)建模的應(yīng)用需求。

3 三維數(shù)據(jù)的獲取、處理與建模

三維地質(zhì)模型是將地下三維空間及其不規(guī)則的地質(zhì)構(gòu)造、礦體、勘探工程(鉆探、物探、化探、巷探)、巷道等以直觀的方式展示出來，并且在計算機中建立出能反映地質(zhì)體形態(tài)和各要素之間的關(guān)系以及地質(zhì)體物理化學屬性的空間分布等地質(zhì)特征。中國作為一個采礦大國，將三維可視化技術(shù)和地質(zhì)理論知識相結(jié)合，對各類地質(zhì)空間和結(jié)構(gòu)進行解釋，對煤礦行業(yè)的發(fā)展具有一定的促進作用。

近幾年， 中國學者通過對具體軟件(包括Micromine、Go CAD、3Dmine、Longruan、Surpac等)的示范研究，總結(jié)出了煤礦三維地質(zhì)建模技術(shù)一般化流程[13-14]， 主要包括資料收集整理、數(shù)據(jù)庫建立、三維模型構(gòu)建、模型應(yīng)用等，在建模過程中質(zhì)量控制貫穿始終，整理的詳細流程如圖2所示。

圖2 三維地質(zhì)建模一般化流程[13，15]Fig.2 General process of 3D geological modeling[13，15]

3.1 地質(zhì)數(shù)據(jù)的獲取與建模技術(shù)

常見的三維地質(zhì)數(shù)據(jù)信息可以通過鉆探、物探等技術(shù)獲得地下煤層及其頂?shù)装鍘r層、斷層、富水區(qū)、沖刷帶等信息，進而建立煤層、標志層、斷層、采空區(qū)、陷落柱、高瓦斯聚集區(qū)、富水區(qū)等三維模型，開展三維地質(zhì)可視化，使礦山地質(zhì)環(huán)境更直觀地表現(xiàn)出來[16]。鉆探數(shù)據(jù)的獲取包括地面鉆探、井下鉆探、現(xiàn)場揭露數(shù)據(jù)等，得出的三維數(shù)據(jù)也比較準確、有效。然而其最大的缺點是已知的鉆探點獲得的數(shù)據(jù)量少，且達不到空間均勻分布，所得出的可視化模型精確度不能滿足當前實際應(yīng)用的需求。相對鉆探數(shù)據(jù)，物探數(shù)據(jù)的優(yōu)勢比較明顯，手段也多種多樣，包括三維地震、高密度電法、瞬變電磁、槽波探測、地質(zhì)雷達、微震監(jiān)測等，能夠得到高精度的地層界線、構(gòu)造的空間位置以及煤層厚度等信息，最終獲得精細化的解釋數(shù)據(jù)，并建立高精度的三維地質(zhì)模型[17]。

多年來，中國研究人員一直致力于構(gòu)建煤炭資源開發(fā)地質(zhì)保障技術(shù)體系，“三維地震主導，多手段配合，井上下聯(lián)合”的立體式綜合勘探模式經(jīng)過多年的持續(xù)攻關(guān)得到了廣泛應(yīng)用，物探技術(shù)得到了很好的發(fā)展[18]。當前三維地質(zhì)建模的地質(zhì)數(shù)據(jù)信息更傾向于采用多源綜合地球物理探測數(shù)據(jù)，以保證數(shù)據(jù)的全面性以及模型的精細化表達，也更便于對地質(zhì)體內(nèi)的屬性變化情況進行把控。

應(yīng)用于煤炭精準開采的物探技術(shù)可分為地面物探技術(shù)及井下綜合物探技術(shù)。高分辨率三維地震、地面直流電法以及瞬變電磁法為地面物探技術(shù)的代表，其中最重要的方法是高分辨率三維地震勘探技術(shù)，能夠獲得煤礦開采超前構(gòu)造地質(zhì)數(shù)據(jù)和水文地質(zhì)數(shù)據(jù)。多年來，該方法的研究和應(yīng)用取得了突破性的進展，為采區(qū)精細勘探開辟了新途徑[19]。礦井物探方法多種多樣，電磁場類、地震波場類等測試技術(shù)，接觸與非接觸式，主動源與被動源，反射、透射、散射等處理技術(shù)，在井下地質(zhì)條件探查、評價與監(jiān)測中發(fā)揮著重要作用，是礦井地質(zhì)工作的主要技術(shù)手段和數(shù)據(jù)來源。目前，井下地球物理探測技術(shù)已經(jīng)形成了一定的規(guī)范[20-24]，獲得的數(shù)據(jù)類型概況整理見表3。

通過對上述物探手段得到的數(shù)據(jù)進行人工解釋后，生成帶有地理坐標的地質(zhì)點數(shù)據(jù)、線數(shù)據(jù)、面數(shù)據(jù)和體數(shù)據(jù)模型，結(jié)合鉆孔等已知控制點數(shù)據(jù)，綜合開展三維地質(zhì)建模和可視化表達。多源數(shù)據(jù)集成利用可以較大程度地提高建模精度，因此目前多源數(shù)據(jù)融合是三維地質(zhì)建模研究的熱點[25]。

在礦山領(lǐng)域三維地質(zhì)建模多選用不規(guī)則三棱柱模型(triangular prism model，TPM)作為建立地質(zhì)模型的基本體元，也可以采用平行輪廓線或者交叉剖面等表達地層界線或構(gòu)造的不規(guī)則表面。在地質(zhì)建模數(shù)據(jù)更新方面，將已知點加入模型后，采用平面-剖面對應(yīng)算法、膨脹搜索算法、樣條曲面擬合算法、平滑過渡算法等關(guān)鍵技術(shù)，對原地層模型進行局部動態(tài)修正[26]。應(yīng)用模型動態(tài)修正技術(shù)，煤礦三維地質(zhì)模型可以及時更新數(shù)據(jù)，實時反映煤礦生產(chǎn)的真實狀況，提高三維地質(zhì)模型的動態(tài)更新自動化程度及實用性。

3.2 巷道數(shù)據(jù)的采集與建模技術(shù)

除了地質(zhì)數(shù)據(jù)，煤礦三維可視化系統(tǒng)還有一個重要的數(shù)據(jù)來源是巷道三維工程模型。圖3展示了部分巷道的三維全景。傳統(tǒng)的測繪技術(shù)以電子經(jīng)緯儀、測距儀和全站儀為主，將導線成果點展繪到采掘工程平面圖、地表工業(yè)廣場圖、地質(zhì)地形圖等之上。在煤礦三維可視化系統(tǒng)中，巷道三維模型多采用巷道中心線加巷道斷面拉伸建模方法，自動處理巷道交叉點。這種方法優(yōu)點在于數(shù)據(jù)源簡單，自動化建模程度高；缺點在于缺乏三維模型的細節(jié)，只能用于宏觀展示。目前有幾種新型三維數(shù)據(jù)獲取和建模方法，具體相關(guān)信息整理見表4[27-28]。井上工業(yè)廣場、井下巷道等重點場所都是礦山生產(chǎn)活動的主要場所，如何快速、高效、低成本獲取井上下重點場所三維數(shù)據(jù)，并在此基礎(chǔ)上快速建模是三維可視化系統(tǒng)的難點問題。設(shè)計能夠規(guī)避各自缺點、進入環(huán)境復雜的井下工作，集成深度相機、全景相機、激光掃描技術(shù)于一體的智能三維數(shù)據(jù)采集設(shè)備及系統(tǒng)可能是未來研究的熱點。

圖3 全景巷道示意圖Fig.3 Schematic diagram of panoramic roadway

4 三維地質(zhì)建模在煤礦地質(zhì)可視化中的應(yīng)用

三維地質(zhì)建模是一項非常復雜的工作，除需要熟練的軟件操作技巧外，還需要有豐富的專業(yè)知識和實際工作經(jīng)驗綜合加以判斷和構(gòu)思。通過對地質(zhì)數(shù)據(jù)庫、圖形庫、知識信息庫與三維動態(tài)模擬系統(tǒng)的集成，進而建立三維地質(zhì)模型的過程，也是對地質(zhì)資料集成和二次開發(fā)的過程。以此形成的形象、直觀、準確、能動態(tài)反映豐富信息的三維地質(zhì)模型，更有助于地質(zhì)學者挖掘這些材料中的深層次信息和內(nèi)在聯(lián)系，以及傳統(tǒng)模式下提取不了的信息。由于地質(zhì)現(xiàn)象的復雜性和不確定性的特點，這就需要考慮多種地質(zhì)因素和復雜條件進行地學模擬，在可行范圍內(nèi)，建立多種類型模型，綜合得出最符合地質(zhì)規(guī)律的方案[29]。

4.1 透明化勘探

透明化勘探是指通過鉆探、物探等各種勘探手段精細化探明地下煤層、標志層、斷層、采空區(qū)、陷落柱、高瓦斯聚集區(qū)、積水區(qū)等地質(zhì)對象的屬性特征和空間分布特征，使三維地質(zhì)體直觀化、可視化；同時能清楚地了解瓦斯、水文、沖擊地壓等災害及巖石的力學特征的分布狀態(tài)。滿足地質(zhì)大數(shù)據(jù)分析以及煤礦智能化發(fā)展中智能開采、智能掘進等建設(shè)的需求。

表3 煤礦井下地球物理探測技術(shù)方法及探測地質(zhì)數(shù)據(jù)統(tǒng)計Table 3 Geophysical exploration technology and geological data statistics in coal mine

表4 新型三維數(shù)據(jù)獲取和建模方法Table 4 New 3D data acquisition and modeling method

三維可視化系統(tǒng)能夠管理和顯示目標區(qū)域的工程地質(zhì)資料、水文地質(zhì)資料、電法勘探數(shù)據(jù)、地震數(shù)據(jù)、探地雷達數(shù)據(jù)、鉆探資料、測井資料等，能夠提供三維地震動態(tài)解釋方法以及多源數(shù)據(jù)綜合預處理、分析、融合等，并提供三維地質(zhì)模型顯示、地質(zhì)剖面、柵欄圖、等值線、等值面、等值體生成、空間量測、開挖分析、推進分析等三維地質(zhì)空間分析工具，服務(wù)于儲量估算與管理、礦體預測、地質(zhì)分析、安全生產(chǎn)管控等。

其中，隨著煤礦智能化的推進，透明工作面是透明化勘探中的熱點問題。透明工作面三維可視化平臺通過整合工作面多源地質(zhì)勘探數(shù)據(jù)，建立高精度工作面三維動態(tài)地質(zhì)模型，同時與采煤成套裝備達到空間位置耦合和數(shù)據(jù)集成聯(lián)動，不僅可以獲取向采煤裝備控制平臺推送的三維截割曲線，同時可以獲取采煤裝備實時位置信息從而對三維地質(zhì)模型進行實時修正，逐級、漸次實現(xiàn)工作面三維地質(zhì)建模精度的提升，最終逼近工作面地質(zhì)透明化的理念。程建遠等[30-31]以工作面地質(zhì)建模前有無掘進巷道、采掘工程揭露的范圍大小以及工作面地質(zhì)模型的精度高低3個要素為依據(jù)，提出了透明化地質(zhì)工作面的梯級模型(表5)，即“黑箱”“灰箱”“白箱”和“透明”模型(示意圖參考圖4)，并進行了優(yōu)化實驗研究，為煤炭智能化精準開采透明工作面模型建立流程提供了很好的參考。在技術(shù)方法上，為滿足煤礦智能化開采對高精度地質(zhì)模型的需求，劉再斌等[32]提出透明工作面多屬性動態(tài)建模方法，并進行了實例應(yīng)用，其多屬性融合技術(shù)將多源異構(gòu)探測數(shù)據(jù)歸一化，交叉驗證方法提高了解釋精度，聯(lián)合反演實現(xiàn)了多屬性融合、提高了探測數(shù)據(jù)空間分辨率并豐富屬性信息，動態(tài)可視化建模技術(shù)實現(xiàn)信息快速局部更新和可視化。

4.2 成礦預測

隨著人類的不斷開發(fā)，地表礦及淺部礦逐漸減少，尋找隱伏礦和深部礦成為現(xiàn)在主要找礦方向。面對找礦預測發(fā)展的新形勢，利用三維地質(zhì)建模技術(shù)進行成礦預測逐漸成為近幾年礦產(chǎn)資源預測研究的熱點之一。

由于礦體的隱伏性質(zhì)，難以預見其空間展布規(guī)律，對礦床的整體空間展布特征及變化規(guī)律也缺乏直觀的認識，如此一來，礦山勘探局面就常常陷入被動，礦山資源勘探的風險加大，礦山的資源前景問題也就難以從根本上解決。礦山地質(zhì)建?？梢詫⒌V山多年開采和補充勘探積累的大量的多源勘探資料進行整合分析，以三維的方式形象地表達出來，定量描述礦床地質(zhì)特征信息，對礦體分布規(guī)律進行更深層次的總結(jié)認識，從而對礦床外圍及深部成礦進行有效的預測[14]，增大預測準確性。

在三維地質(zhì)建模技術(shù)及三維成礦預測方法的不斷發(fā)展基礎(chǔ)上，地質(zhì)大數(shù)據(jù)技術(shù)逐步融入進來，礦產(chǎn)資源預測研究取得了顯著成效，三維礦產(chǎn)資源定量預測評價流程也逐漸趨于成熟。例如，“地質(zhì)信息集成-成礦信息提取-立體預測”深部礦產(chǎn)資源三維預測方法[33]，基于平均最鄰近距離的Kriging 插值的煤質(zhì)預測[34]以及基于地學大數(shù)據(jù)三維/四維建模與深層次集成的資源預測體系[35]等。袁峰等[36]綜合以往研究，提出了“四步式”三維成礦預測法，具體如圖5所示。

1為地形；2為CDP網(wǎng)絡(luò)；3為設(shè)計工作面投影；4為地面鉆孔；5為上部地層；6為鉆鄰近透明區(qū)；7為煤 層；8為設(shè)計工作面；9為斷層 (a)工作面“黑箱”模型

1為工作面中部中度透明區(qū)；2為巷道鄰近高度透明區(qū)；3為地震波波陣面；4為潛在斷層；5為檢波器；6為順煤層鉆；7為開 切眼；8為潛在陷落柱；9為底抽巷；10為上向瓦斯抽放孔 (b)工作面“白箱”模型

1為工作中部低度透明區(qū)；2為巷道鄰近中度透明 區(qū)；3為CDP網(wǎng)絡(luò)投影；4為掘進巷道 (c)工作面“灰箱”模型

1為孔中檢波器串；2為工作面前方地質(zhì)透明區(qū)；3為采后塌陷 區(qū)；4為采后煤厚測點；5為隨采地震波 (d)工作面“透明”模型

表5 工作面地質(zhì)透明化階梯模型[30]Table 5 Geological transparent step model of working face[30]

隨著找礦預測的要求越來越高，礦產(chǎn)資源預測是在不確定性下制訂最優(yōu)決策的工作，如何解決制約當前三維成礦預測發(fā)展的關(guān)鍵問題，還需要進行深入廣泛的研究。

圖5 “四步式”三維成礦預測方法[36]Fig.5 “Four step” 3D metallogenic prediction method[36]

4.3 儲量估算與管理

三維成礦預測是以建立三維地質(zhì)體模型為基礎(chǔ)，地質(zhì)統(tǒng)計方法為手段，對成礦規(guī)律的分析及找礦模型的建立是研究的核心，它們都是為實現(xiàn)成礦預測、靶區(qū)圈定及資源儲量估算而服務(wù)的。其中礦產(chǎn)儲量估算是三維成礦預測的目標之一，主要是針對預測結(jié)果的資源潛力估算，礦產(chǎn)儲量估算的特性也貫穿在整個預測評價中，包括對成礦要素的定量分析和綜合處理[37]。利用三維地質(zhì)建模與可視化技術(shù)進行資源儲量估算是一個較復雜的系統(tǒng)工程，其根據(jù)勘查工程獲取的信息對礦床的礦體形態(tài)、礦石質(zhì)量、品位、伴生元素分布、礦石量、金屬量等關(guān)鍵信息綜合進行科學的估算，盡管不同礦產(chǎn)、不同勘探階段資源儲量估算方法側(cè)重點會有所不同，但都具有相似的工作流程，如圖6所示。

圖6 煤礦三維可視化儲量估算流程示意圖Fig.6 Flow chart of 3D visualization reserves estimation in coal mine

在成礦區(qū)域礦產(chǎn)資源進行三維礦體建模的基礎(chǔ)上，對礦產(chǎn)資源的儲量進行估計，實現(xiàn)礦產(chǎn)資源定量評價。通常固體礦產(chǎn)儲量計算公式為

R=∑ρVg(1-j)

(1)

式(1)中：R為研究區(qū)內(nèi)某種元素的資源量；V為三維立方體預測模型中單個單元塊的體積；ρ為區(qū)域內(nèi)巖石的平均質(zhì)量；g為單元塊體內(nèi)元素不同的品位值；j為夾石率。

此外，常用的儲量估算方法還有體積估計法和豐度估計法。把已知地區(qū)有代表性的單位體積礦產(chǎn)平均含量估計值外推到研究地區(qū)體積內(nèi)的資源，這種估計方法稱體積估計法。在進行某一地區(qū)資源估算時，通過求出已知地區(qū)成礦元素的富集系數(shù)，并外推到預測區(qū)的辦法來求預測資源，這就是豐度估計法[37]。

煤礦儲量管理研究以及儲量成果的可視化，是煤礦儲量精細化管理的主要內(nèi)容，也是煤礦資源管理的基礎(chǔ)工作、核心內(nèi)容和關(guān)鍵環(huán)節(jié)，只有搞好儲量管理，摸清家底，認清形勢，才能合理有效地管理好煤炭資源[38-39]?，F(xiàn)在中國已經(jīng)有很多學者在致力于煤炭儲量動態(tài)管理系統(tǒng)的研究和開發(fā)，如張鵬鵬等[40]研究了基于GIS的煤炭儲量管理系統(tǒng)，王功文等[35]研究了基于大數(shù)據(jù)挖掘的三維/思維建模的資源定量評價體系，姬龍建[41]研究了基于多源信息的儲量管理設(shè)計以及車德福等[39]研究了基于二三維可視化的管理系統(tǒng)。其中系統(tǒng)各方面功能和設(shè)計大多考慮以下幾個方面，如圖7所示。

圖7 儲量管理系統(tǒng)功能概況Fig.7 Overview of reserve management system functions

4.4 煤礦采掘設(shè)計

煤礦地質(zhì)現(xiàn)象極其復雜，周圍地質(zhì)體的成因、規(guī)模、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造形態(tài)差別較大，給煤礦開采設(shè)計帶來較大的困難。應(yīng)用三維地質(zhì)建模及可視化技術(shù)進行采掘設(shè)計規(guī)劃，對礦山技術(shù)人員和前期的勘探人員具有巨大的意義：一是通過三維地質(zhì)模型，清晰認識礦產(chǎn)的整體情況，充分分析礦產(chǎn)周邊的其他地質(zhì)形態(tài)，對勘探和開采有方向指引性作用；二是通過三維地質(zhì)模型的建立，分析礦產(chǎn)區(qū)域及工作面可形成完整礦產(chǎn)剖面圖，從而能夠計算礦產(chǎn)儲量，為采掘設(shè)備設(shè)計參數(shù)做出參考；三是通過三維地質(zhì)模型，進行巷道的設(shè)計、掘進路線的設(shè)計、開采的整體支撐結(jié)構(gòu)，使開采計劃可行性更高，提高開采能力，保證安全生產(chǎn)；四是通過礦山三維地質(zhì)模型，可以便捷地發(fā)現(xiàn)可能發(fā)生地質(zhì)災害的區(qū)域，及時采取措施，盡量降低災害發(fā)生的可能性[42]。

在礦山模型的構(gòu)建過程中，需要及時逐步建立地表地形的模型，確保煤層模型的穩(wěn)步構(gòu)建以及井下巷道實體模型的適時構(gòu)建，即逐個將頂部點線面數(shù)據(jù)輸入整體數(shù)據(jù)庫里，而后使用三維建模完成井下巷道的實際模型，可以很好地表達出整體采掘系統(tǒng)與地面物體聯(lián)絡(luò)的相關(guān)性，把其中任意兩個個體相結(jié)合，建立不一樣的三維建模[43-44]。圖8展示了三維地質(zhì)體建模和可視化技術(shù)在煤礦采掘工程設(shè)計中的部分應(yīng)用。

圖8 地下采礦設(shè)計示意圖[45]Fig.8 Underground mining design diagram[45]

4.5 通風系統(tǒng)

保障礦井安全生產(chǎn)、職工安全的重要環(huán)節(jié)莫過于礦井通風系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，同時穩(wěn)定安全的通風系統(tǒng)也是解決井下粉塵、瓦斯和礦井火災的有效途徑[46]。通風模擬時空分析與模擬礦井通風系統(tǒng)是礦山系統(tǒng)設(shè)計非常重要的部分，三維通風模擬和可視化是智能通風系統(tǒng)的重要組成部分。傳統(tǒng)的通風模擬大多是根據(jù)經(jīng)驗以及在大量手工計算的基礎(chǔ)上進行的，精確度和實際效果難以達到預期。新型的礦井通風系統(tǒng)在三維巷道虛擬模型的基礎(chǔ)上，采集通風機和風門等參數(shù)數(shù)據(jù)，構(gòu)建通風設(shè)施模型，從而生成完整的礦井通風系統(tǒng)三維模型和礦井資源數(shù)據(jù)庫[47]。三維可視化系統(tǒng)將三維巷道與通風網(wǎng)絡(luò)解算、通風監(jiān)測進行耦合，實現(xiàn)三維通風設(shè)計、風機選型和通風過程動態(tài)模擬，延伸開來還可以實現(xiàn)火災模擬、有毒氣體擴散模擬。在三維場景模擬中合理、有效、經(jīng)濟的選擇通風方法，在保證通風安全的前提下可以節(jié)約通風成本，實現(xiàn)風流動狀態(tài)下的真實動態(tài)模擬效果，對設(shè)計礦山通風系統(tǒng)具有參考和指導意義[48]。圖9為三維通風系統(tǒng)示意圖。

4.6 智能化開采

煤礦動態(tài)智能開采是中國煤炭工業(yè)技術(shù)發(fā)展的必經(jīng)之路，是煤礦企業(yè)進一步發(fā)展的主要目標[49-50]。礦山是一個多介質(zhì)的復雜結(jié)構(gòu)空間體，隨著開采的不斷推進，礦山壓力和圍巖運動都在不斷地發(fā)展變化，采動引起的圍巖動力災害發(fā)生的條件隨時可能達到，斷層、含水體、陷落柱等隱蔽地質(zhì)體可能導致的地質(zhì)災害也隨時可能發(fā)生，一旦監(jiān)測不到位導致決策失誤或者措施不及時，都可能會導致重大事故。

圖9 井下通風系統(tǒng)示意圖[45]Fig.9 Schematic diagram of underground ventilation system[45]

通過建立礦山地質(zhì)體三維模型、明確各采掘工程之間的空間關(guān)系、形象分析和監(jiān)測相關(guān)圍巖的穩(wěn)定性、實時監(jiān)視開采狀態(tài)等等，能夠為礦山安全開采提供強有力的數(shù)據(jù)支撐。隨著煤礦智能化開采的深入發(fā)展，機械化、信息化技術(shù)短板正在被逐步完善，在礦井地質(zhì)條件日益復雜、安全生產(chǎn)要求日益嚴格、生產(chǎn)環(huán)境要求日益提高的形勢下，在三維地質(zhì)建模技術(shù)的支持下，智能開采(圖10)、設(shè)備精準定位導航(圖11)以及重型綜采裝備分布式協(xié)同控制(圖12)等關(guān)鍵核心技術(shù)越發(fā)成熟，煤礦智能化開采技術(shù)也在逐步完善。目前中國已經(jīng)開展了基于精確大地坐標的煤礦透明化智能綜采工作面自適應(yīng)割煤關(guān)鍵技術(shù)、煤礦千米深井智能開采關(guān)鍵技術(shù)、綜采工作面智能感知與智能控制關(guān)鍵技術(shù)等相關(guān)研究，并且在煤礦工作面進行了實踐應(yīng)用，初步實現(xiàn)了“透明工作面”保障煤礦智能化開采的功能[51-53]。

圖10 智能開采示意圖[50]Fig.10 Schematic diagram of intelligent mining[50]

圖11 采煤機定位導航與智能調(diào)高技術(shù)示意圖[50]Fig.11 Schematic diagram of shearer positioning navigation and intelligent height adjustment technology[50]

圖12 分布式協(xié)同控制示意圖[50]Fig.12 Schematic diagram of distributed cooperative control[50]

4.7 事故災害反演

災害事故反演一般使用數(shù)值模擬軟件開展不同災害活動的數(shù)值計算。通過整合井下水、火、瓦斯、煤塵、頂板等危險源的災害征兆數(shù)據(jù)進行三維建模，并結(jié)合可視化技術(shù)，導入數(shù)值模擬軟件進行時空過程模擬來展示各種災害事故場景，如圖13所示。從危險征兆出現(xiàn)到事故的發(fā)展過程及最終導致的后果進行完整的模擬展示，將事故處理現(xiàn)場的真實情況最大限度地展現(xiàn)出來，類似應(yīng)用于航天領(lǐng)域的飛行模擬，通過人機交互模式，增強煤礦相關(guān)人員對各種事故或者突發(fā)情況的了解認識以及反應(yīng)能力，比如忽略細節(jié)、操作不規(guī)范、反應(yīng)不及時等在事故反演中暴露來的問題，可以反復模擬練習，真正提升相關(guān)人員的技能水平[54-55]。當前數(shù)值模擬軟件與三維可視化系統(tǒng)沒有深度耦合，這方面的研究還不多見，三維程序需要從底層開展技術(shù)研究[16]。

4.8 環(huán)境監(jiān)測

基于三維地質(zhì)建模、地理信息技術(shù)和計算機三維可視化技術(shù)，可實現(xiàn)煤礦生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)場的可視化[56]。三維可視化系統(tǒng)可以將地表地理信息、沉陷區(qū)、地下地質(zhì)模型以及開采信息等加以集成，在可視化平臺中提供查詢分析功能，可以為礦區(qū)地表塌陷區(qū)的環(huán)境治理、生態(tài)環(huán)境修復提供相應(yīng)數(shù)據(jù)和服務(wù)。目前，衛(wèi)星遙感技術(shù)和無人機遙感技術(shù)廣泛應(yīng)用在地表三維數(shù)據(jù)獲取和環(huán)境監(jiān)測中[57-58]。圖14為某礦高精度圖遙感基礎(chǔ)底圖，圖15為某礦植被覆蓋治理監(jiān)測示意圖。

圖13 巷道火災模擬示意圖Fig.13 Schematic diagram of roadway fire simulation

圖14 某礦高精度遙感基礎(chǔ)底圖[58]Fig.14 High precision remote sensing base map of a mine[58]

圖15 某礦植被覆蓋治理監(jiān)測示意圖[58]Fig.15 Schematic diagram of vegetation coverage control and monitoring in a mine[58]

4.9 煤礦生產(chǎn)全過程智能化管控

三維可視化系統(tǒng)是目前煤礦智能化建設(shè)中空間信息基礎(chǔ)支撐平臺的有機組成部分，煤礦的信息化建設(shè)已經(jīng)從數(shù)字礦山建設(shè)逐漸轉(zhuǎn)向了智慧礦山[59-60]。在煤礦生產(chǎn)方面，三維智能管控平臺也是智慧礦山建設(shè)的重要工作內(nèi)容。整個系統(tǒng)不僅能夠進行實時數(shù)據(jù)接入、監(jiān)測以及可視化輸出，而且可以與工業(yè)組態(tài)控制結(jié)合，利用可視化腳本編程功能實現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的遠程控制。例如，在智能掘進工作面建設(shè)中，三維管控平臺能夠?qū)⒅悄芑蜻M裝備與三維地質(zhì)、巷道空間信息耦合，進行綜合展示，實現(xiàn)掘進工作面全景感知和展現(xiàn)，同時還能夠提供巷道的成形質(zhì)量、裝備狀態(tài)等多系統(tǒng)融合的環(huán)境監(jiān)測以及掘進裝備多機協(xié)同控制等功能；在智能綜采工作面建設(shè)中，真實還原的開采場景，能夠?qū)C采工作面的采煤機、破碎機、液壓支架、運輸機、組合開關(guān)等設(shè)備進行遠程可視化協(xié)同控制；三維智能管控平臺可以整合全礦綜合自動化系統(tǒng)(通風、供電、抬升、皮帶系統(tǒng)、水泵系統(tǒng)等)所有生產(chǎn)相關(guān)子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，可直接在虛擬現(xiàn)實三維場景中進行實時顯示、報警和遠程控制，實現(xiàn)對全礦安全生產(chǎn)工況的實時掌握，如圖16所示。

圖16 智能化管控邏輯模型[49]Fig.16 Intelligent management and control logic model[49]

5 三維地質(zhì)建模在煤礦地質(zhì)可視化中的分析

基于對三維地質(zhì)建模在煤礦地質(zhì)可視化技術(shù)現(xiàn)狀分析，提出以下幾個方面的思考和認識。

(1)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合建模技術(shù)將使三維可視化模型的精度進一步提高，這將更加依賴于地震、測井、電法、重、磁等物探數(shù)據(jù)的分析和應(yīng)用。高精度三維地震勘探技術(shù)可以極大地提高地質(zhì)勘探精度；測/錄井數(shù)據(jù)對于巖性物性參數(shù)的表達可以對鉆井取芯采樣數(shù)據(jù)有極好的補充；電法勘探對含水層等特殊目的層有極強的針對性；重、磁勘探也具有其特有的優(yōu)勢。因此，三維地質(zhì)建模將越來越依賴于各種物探數(shù)據(jù)，多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合建模技術(shù)將是高精度地質(zhì)模型構(gòu)建的關(guān)鍵。

(2)地質(zhì)體屬性變化的精細化展示是確保煤礦工程質(zhì)量的關(guān)鍵，要達到煤礦地質(zhì)透明化還需要推進屬性建模的深入與全面。三維幾何構(gòu)造形態(tài)的表達是更高級應(yīng)用的基礎(chǔ)，隨著三維地質(zhì)建模應(yīng)用的深入，就迫切地需要從早期的注重形態(tài)建模向形態(tài)與屬性并重的方向轉(zhuǎn)變，越來越多的應(yīng)用除了要求地質(zhì)體幾何形態(tài)的三維表達外，還要求對地質(zhì)體內(nèi)的屬性變化情況(例如巖性、某種物質(zhì)含量、密度、孔隙度、彈性模量等屬性)進行描述，以此來滿足未來對煤礦地質(zhì)更精細化表達的需求。

(3)為滿足煤礦安全高效生產(chǎn)的需求，三維地質(zhì)建模相關(guān)技術(shù)還需要進一步提升其實用性，并加強在煤炭行業(yè)的推廣應(yīng)用。在技術(shù)操作層面上，3D建模程序復雜，難以為基層的地質(zhì)作圖人員所掌握，不利于數(shù)據(jù)的采集與實時更新；約束條件要求嚴，工作量大；建模標準還不完善，涉及的數(shù)據(jù)共享難的問題還存在。未來還需深入地探討技術(shù)共性，抽象出更一般、更通用的工作流程，使得三維地質(zhì)建模軟件能像日常辦公軟件那樣能夠靈活運用。在應(yīng)用方面，煤炭行業(yè)在中國是較早開展三維地質(zhì)建模研究的行業(yè)之一，近幾年隨著煤礦智能化發(fā)展的推動雖然取得了有不少的成果，但大部分的煤礦企業(yè)信息化程度仍不高，信息系統(tǒng)仍以二維為主。因此，三維地質(zhì)建模在煤礦行業(yè)的應(yīng)用應(yīng)該朝著廣泛化、精細化和現(xiàn)實化的方向發(fā)展。

(4)三維地質(zhì)建模平臺將逐步成為地質(zhì)大數(shù)據(jù)的處理平臺。未來必將是智能化的時代，三維地質(zhì)建模將深度融合大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、自動控制等IT主流技術(shù)，實現(xiàn)透明化勘探、成礦預測、儲量估算管理、煤礦采掘設(shè)計、通風系統(tǒng)、智能化開采、事故災害反演、環(huán)境監(jiān)測、煤礦生產(chǎn)過程智能化管控全過程的安全高效智能運行。地質(zhì)信息的集成，將逐步提升對地質(zhì)問題的云判識與診斷能力和水平。

6 結(jié)論

當前，中國各大煤礦企業(yè)均在進行煤礦智能化建設(shè)，煤礦智能化是煤炭生產(chǎn)力和生產(chǎn)方式革命的新方向。三維地質(zhì)建模及其可視化技術(shù)作為礦山智能化空間信息平臺的重要組成部分，迎來了巨大的機遇，同時也面臨著巨大的挑戰(zhàn)。在深入剖析三維地質(zhì)建模當前的研究方向和存在的問題基礎(chǔ)上，歸納了三維地質(zhì)建模在煤礦地質(zhì)可視化中的研究方向，總結(jié)了煤礦地質(zhì)三維建模軟件的使用和各自的特色，剖析了基礎(chǔ)三維數(shù)據(jù)的獲取與建模，比較系統(tǒng)全面地介紹了三維地質(zhì)建模在煤礦三維系統(tǒng)中的應(yīng)用和技術(shù)組成，并針對煤礦地質(zhì)可視化存在的一些問題提出了對未來的展望。中國的煤炭生產(chǎn)經(jīng)過幾十年的發(fā)展取得了很多歷史性的成績，生產(chǎn)能力和生產(chǎn)安全方面也是變化巨大。煤礦智能化總體上還處于發(fā)展的初級階段，三維可視化系統(tǒng)不應(yīng)局限于屬性查詢和便于直觀的層面，還需要逐漸充分深入到煤礦生產(chǎn)的每一個環(huán)節(jié)，使勘探、分析預測更精細，生產(chǎn)管控更智能。