基于三維地質(zhì)建模技術(shù)的煤礦隱蔽致災(zāi)因素透明化研究

王嘉偉，王海軍，，吳漢寧，吳艷，韓珂，程鑫，董敏濤

（1.西北大學(xué) 地質(zhì)學(xué)系，陜西 西安 710069；2.西北大學(xué) 大陸動力學(xué)國家重點(diǎn)實驗室，陜西 西安 710069；3.中煤科工西安研究院（集團(tuán)）有限公司，陜西 西安 710077）

0 引言

煤礦智能化是煤炭產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的核心技術(shù)支撐，而隱蔽致災(zāi)因素是制約煤礦智能化建設(shè)的關(guān)鍵因素。近年來，煤礦生產(chǎn)過程中發(fā)生的水害、火災(zāi)、頂板、瓦斯等重大災(zāi)害事故與隱蔽致災(zāi)因素關(guān)系密切。為保證煤礦安全生產(chǎn)，利用計算機(jī)技術(shù)實現(xiàn)隱蔽致災(zāi)因素的地質(zhì)透明化對于揭示隱蔽致災(zāi)因素類型及分布范圍、提供數(shù)據(jù)支撐、協(xié)助制定治理方案具有重要作用，而三維地質(zhì)建模是實現(xiàn)隱蔽致災(zāi)因素地質(zhì)透明化的關(guān)鍵技術(shù)手段[1-3]。相較于傳統(tǒng)二維圖件中對隱蔽致災(zāi)因素的描述，三維地質(zhì)模型能將礦區(qū)開展的隱蔽致災(zāi)因素普查、鉆探、物探、采樣測試等地質(zhì)勘查階段和礦井生產(chǎn)階段的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)以圖像形式呈現(xiàn)，能夠?qū)崟r、直觀地呈現(xiàn)隱蔽致災(zāi)因素的分布范圍和變化，是當(dāng)前對隱蔽致災(zāi)因素的監(jiān)測、預(yù)警及精確治理較為有效的技術(shù)手段[4-5]。

國際上三維地質(zhì)建模技術(shù)的發(fā)展主要從21 世紀(jì)開始。當(dāng)前主流建模軟件GOCAD 以J.L.Mallet 提出的離散平滑插值（Discrete Smooth Interpolation，DSI）算法為理論支撐[6]進(jìn)行開發(fā)，并不斷迭代形成了一套以算法為關(guān)鍵、數(shù)據(jù)存儲和交互為核心、工作流程為主體的半智能化建模軟件，在油氣勘探、地質(zhì)勘探、礦山開采、地下工程規(guī)劃等領(lǐng)域應(yīng)用較廣[7-8]。同時，隨著三維地質(zhì)建模技術(shù)在煤炭行業(yè)的應(yīng)用及國產(chǎn)三維地質(zhì)建模技術(shù)的發(fā)展成熟，國內(nèi)學(xué)者在煤礦透明地質(zhì)保障技術(shù)[9]、三維地質(zhì)建?？梢暬夹g(shù)綜合找礦[10]、智能化開采地質(zhì)構(gòu)造三維可視化模型構(gòu)建[11]及智能開采透明工作面地質(zhì)模型梯級優(yōu)化[12]等方面相繼取得成果。目前國產(chǎn)三維地質(zhì)建模軟件在復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造建模、數(shù)字礦山建設(shè)、煤炭勘探[13-14]等領(lǐng)域逐漸普及。其中DepthInsight 三維地質(zhì)建模軟件通過Delaunay 三角網(wǎng)格中的對偶Voronoi 邊與曲線的交點(diǎn)來獲取限定曲線段在網(wǎng)格中的逼近邊，實現(xiàn)在三角網(wǎng)格中呈現(xiàn)出平滑曲線的效果，利用閉合區(qū)塊構(gòu)造算法生成封閉實體，達(dá)到構(gòu)建復(fù)雜地表形態(tài)、區(qū)域地質(zhì)體、深部地質(zhì)構(gòu)造和地層屬性模擬的效果[15-16]。相較于國內(nèi)外其他建模軟件，該軟件對礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造及地層屬性還原度較高，降低了對使用者知識儲備量的要求，并通過調(diào)節(jié)網(wǎng)格大小構(gòu)建不同精度的地質(zhì)模型，對復(fù)雜地質(zhì)條件下的地質(zhì)體及地層屬性描述較為詳細(xì)。

目前煤礦三維地質(zhì)建模技術(shù)以幾何建模為主、屬性建模為輔，缺少對制約煤礦安全、高效、綠色、智能開采的隱蔽致災(zāi)因素的“靜態(tài)+動態(tài)”地質(zhì)分析的災(zāi)害屬性建模。針對上述問題，本文以某智能化建設(shè)礦井為工程背景，在完成多源異構(gòu)二維地質(zhì)數(shù)據(jù)同化處理的基礎(chǔ)上，采用DepthInsight 軟件進(jìn)行三維地質(zhì)幾何、屬性建模，并根據(jù)工程勘查、地質(zhì)建模的結(jié)果從全礦井和工作面2 個尺度分析煤礦的地質(zhì)幾何及其隱蔽致災(zāi)因素災(zāi)害屬性特征，探索三維地質(zhì)建模技術(shù)在煤礦隱蔽致災(zāi)因素地質(zhì)透明化等方面的應(yīng)用和可行性。

1 開采地質(zhì)概況

1.1 礦井地質(zhì)特征

礦井位于陜北黃土高原地區(qū)，地貌特征為典型的黃土丘陵溝壑單元，地表支離破碎、溝壑縱橫，整體地勢為東北-西南由高向低展布，構(gòu)造類型簡單，地表、煤層及其煤系沿溝谷大面積出露，屬于半掩蓋式煤田；礦井主要涌水量來源為采空區(qū)積水，直接充水含水層為煤層頂板砂巖水和沿溝谷區(qū)域的地表水；煤層頂板巖性以曲流河三角洲形成的砂巖為主，煤層頂板穩(wěn)定性中等；煤層自燃瓦斯以氮?dú)鉃橹鳎趸忌倭炕蛭⒘?，甲烷微量或零，屬于低瓦斯礦井。煤塵具有爆炸危險性且屬于I 類易于自燃煤層。

制約礦井安全開采的關(guān)鍵隱蔽致災(zāi)因素包括采空區(qū)積水、煤層頂?shù)装鍢?gòu)造起伏及煤層厚度變化、淺埋煤層過溝谷開采等，其中淺埋煤層過溝區(qū)域具有水害、火災(zāi)、頂板等多災(zāi)害耦合的特點(diǎn)。

研究區(qū)構(gòu)造如圖1 所示。針對該礦井的建模任務(wù)主體地層為延安組地層，而全新統(tǒng)河流沖積層只在溝谷之中有所分布，第四系上、中更新統(tǒng)與全新統(tǒng)河流沖積層全部劃歸為第四系地層，不作單獨(dú)區(qū)分。

圖1 研究區(qū)構(gòu)造Fig.1 Geological map of the study area

1.2 采掘工程部署

區(qū)內(nèi)主力開采煤層為5-2煤，煤層厚度為2.6～5.2 m，平均厚度為3.95 m，煤層埋深為47.31～292.92 m，采用綜合機(jī)械化采煤方式。采空區(qū)頂板采用自然垮落法管理，目前開采工作面為智能開采工作面，工作面寬度為300 m，傾向長度為3.50 km；針對智能開采煤礦采用自動推溜拉架，采煤機(jī)采用記憶截割為主、人工為輔助的自動采煤工藝。在工作面的智能開采過程中發(fā)現(xiàn)采煤工作面煤層厚度、煤層頂板起伏構(gòu)造形態(tài)是目前影響工作面智能化的關(guān)鍵性地質(zhì)因素，依據(jù)地質(zhì)勘查鉆孔間距建立的地質(zhì)模型無法滿足智能開采的精度要求，需要利用精度更高的鉆孔數(shù)據(jù)和相關(guān)地質(zhì)資料構(gòu)建礦區(qū)三維地質(zhì)模型來實現(xiàn)生產(chǎn)指導(dǎo)和地質(zhì)透明化。

2 三維地質(zhì)建模

對研究區(qū)內(nèi)三維地質(zhì)建模任務(wù)進(jìn)行分析，確立“煤礦地質(zhì)數(shù)據(jù)庫建立—三維幾何建?！S屬性建?！钡娜S地質(zhì)建模流程，如圖2 所示。

圖2 三維地質(zhì)建模流程Fig.2 3D geological modeling flow

2.1 煤礦地質(zhì)數(shù)據(jù)庫建立

利用無人機(jī)傾斜攝影成像、航空瞬變電磁勘探、鉆孔數(shù)字化錄入、鉆孔-剖面地層精細(xì)劃分對比技術(shù)完成對地質(zhì)資料、物探、鉆探等成果的數(shù)字化工作，建立煤礦地質(zhì)數(shù)據(jù)庫，包括鉆孔數(shù)據(jù)和地質(zhì)資料數(shù)據(jù)。提煉鉆孔綜合柱狀圖、抽水試驗成果表中鉆孔井位（鉆孔編號、坐標(biāo)、深度）、鉆孔分層（鉆孔編號、地層編號、頂深）、鉆孔屬性（鉆孔編號、深度、富水系數(shù)、滲透率）等數(shù)據(jù)，完成鉆孔數(shù)字化；通過AutoCAD 對地質(zhì)地形圖中地表等高線、煤層底板等高線、工作面邊界、采空區(qū)邊界和積水區(qū)邊界賦值，利用ArcGIS 格式轉(zhuǎn)換模塊生成.shp 文件。此外，利用無人機(jī)航測RTK+傾斜攝影技術(shù)對區(qū)內(nèi)地表進(jìn)行三維成像，并對溝谷、河流、建筑物等進(jìn)行拍攝成像，生成數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）。

2.2 初始地層三維幾何建模

本文三維地質(zhì)建模分為幾何建模和屬性建模2 個部分。幾何建模主要內(nèi)容包括地表模型、地層、地質(zhì)體模型、煤層、工作面、回采實測、采空區(qū)及積水區(qū)模型；屬性建模的內(nèi)容是富水系數(shù)、滲透率模型。

研究區(qū)面積約為16 km2，針對不同時期地質(zhì)認(rèn)識、地層單元、煤層編號、層段及地層界限劃分不統(tǒng)一的問題，依據(jù)地層旋回、巖性組合、煤層底板標(biāo)高、標(biāo)志層法、古生物化石等綜合對比技術(shù)實現(xiàn)對區(qū)內(nèi)層序地層格架的建立，并根據(jù)層序地層格架對所有施工的137 個鉆孔在統(tǒng)一刻度下的地層及煤層組段進(jìn)行劃分，將5-2煤層至地表共劃分為26 個層段，實現(xiàn)全礦井層面劃分，層序清晰且地層全區(qū)閉合。考慮工作站性能及數(shù)據(jù)處理量等，初始模型單位網(wǎng)格尺寸為200 m×200 m，地質(zhì)體模型單位網(wǎng)格尺寸為20 m×20 m，并利用拐點(diǎn)數(shù)據(jù)確定工區(qū)范圍，以工區(qū)東南角為原點(diǎn)、工區(qū)東西方向為X軸、南北方向為Y軸、地層垂向為Z軸建立工區(qū)空間直角坐標(biāo)系。三維地質(zhì)幾何模型的建立遵循“點(diǎn)-線-面-體”的原則，將數(shù)據(jù)庫中鉆孔分層數(shù)據(jù)以地層控制點(diǎn)的形式對地層進(jìn)行約束，并相互連接形成網(wǎng)格線，控制地層整體走向、起伏和地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)?；谝陨蠑?shù)據(jù)和地層面、地質(zhì)體生成算法可生成初始層面模型（圖3（a））及初始地質(zhì)體模型（圖3（b））。

圖3 初始層面及初始地質(zhì)體模型Fig.3 Initial level and initial geologic body model

2.3 模型精細(xì)修正

研究區(qū)初始模型中相鄰地層互相穿插，地層關(guān)系不正確。針對模型穿層現(xiàn)象展開分析，總結(jié)歸納為層面劃分不清和數(shù)據(jù)不足2 種原因造成。

模型中單一層面突然隆起或凹陷，是由于部分區(qū)域?qū)用鎰澐植磺鍖?dǎo)致鉆孔分層出現(xiàn)誤差，與同一層面其他鉆孔井位比較，異常位置分層數(shù)據(jù)過淺或過深造成異常現(xiàn)象。

相鄰地層之間穿層現(xiàn)象，例如圖3（a）中左側(cè)頂面出現(xiàn)新近系保德組地層與下伏2-2煤頂板地層相互穿插，并且在初始地質(zhì)體模型中會看到地質(zhì)體西南部有穿層現(xiàn)象。這種穿層現(xiàn)象主要由數(shù)據(jù)不足導(dǎo)致。對于下伏地層而言，2 組地層在穿層位置沒有分層數(shù)據(jù)進(jìn)行控制，地層生成算法會默認(rèn)延續(xù)周圍控制點(diǎn)所示地層走向，即持續(xù)抬升或持續(xù)凹陷導(dǎo)致穿過相鄰地層；對于地表而言，由于這一階段生成的地表數(shù)據(jù)主要來源于鉆孔分層數(shù)據(jù)，此類數(shù)據(jù)雖能較好地反映地表下伏地層的整體走向，但是對于形態(tài)復(fù)雜的地表而言數(shù)據(jù)體量太小，無法顯示其與下伏地層的接觸關(guān)系和復(fù)雜的地形地貌。

針對單一層面突然隆起或凹陷的位置，與層序地層格架對比復(fù)核鉆孔分層，和前期區(qū)域勘探報告交叉驗證，明確層位劃分，更新鉆孔分層數(shù)據(jù)并提取生成地層；對于相鄰地層之間的穿層現(xiàn)象，根據(jù)算法判斷穿層位置附近其他控制點(diǎn)所生成的層面整體走向來確定是下伏上穿或上覆下穿，根據(jù)地表標(biāo)高、煤層底板等高線、地層傾角和煤層厚度變化趨勢，結(jié)合周邊鉆孔柱狀圖插入虛擬鉆孔數(shù)據(jù)并校準(zhǔn)層面；對煤層底板、地表等重要層面利用等高線數(shù)據(jù)通過離散點(diǎn)和控制點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)合控制；人工指定地層關(guān)系，即除第四系地層和新近系保德組出露地層關(guān)系設(shè)置為上切下關(guān)系，其余地層均設(shè)置為下切上關(guān)系，統(tǒng)一地層產(chǎn)狀。應(yīng)保證層面之間關(guān)系清晰，層序正確并調(diào)整網(wǎng)格步長為20 m×20 m，檢驗地層面模型效果（圖4）。

圖4 地層面模型Fig.4 Ground level model

利用地層體生成算法在地層面模型的基礎(chǔ)上充填層間空隙、刻畫地表起伏和剝蝕形態(tài)，生成地質(zhì)體模型（圖5）。

圖5 地質(zhì)體模型Fig.5 Geological body model

2.4 地表、煤層、工作面三維幾何建模

利用無人機(jī)航測RTK+傾斜攝影技術(shù)獲取區(qū)內(nèi)DEM，并加載圖像，針對區(qū)內(nèi)工作面進(jìn)行地表建模。采用圖像耦合技術(shù)對DEM 與地質(zhì)體模型中地表進(jìn)行耦合處理，生成地表模型（圖6）。加載數(shù)據(jù)庫中工作面邊界，運(yùn)用切割算法切除其余地表模型，僅保留工作面部分，并單獨(dú)顯示溝谷、梁峁、地表水流等地貌特征。

圖6 工作面地表模型Fig.6 Surface model of working face

基于地質(zhì)體模型建立5-2煤層三維地質(zhì)模型。為反映煤層厚度變化和頂?shù)装鍢?gòu)造起伏形態(tài)，采取單層建模，關(guān)閉上覆地層數(shù)據(jù)，提升運(yùn)算速率。調(diào)整網(wǎng)格步長為10 m×10 m，重新校準(zhǔn)煤層底板等高線和控制點(diǎn)數(shù)據(jù)并生成煤層模型（圖7）。在模型表面和側(cè)面進(jìn)行網(wǎng)格填充來凸顯層厚變化和起伏。

圖7 煤層模型Fig.7 Coal seam model

為指導(dǎo)工作面智能開采，同時考慮到建模硬件運(yùn)行環(huán)境，依據(jù)工作站性能，選取5 m×5 m 的網(wǎng)格步長，從數(shù)據(jù)庫中導(dǎo)入工作面邊界，采用切割算法保留邊界內(nèi)煤層。將工作面邊界與工作面模型（圖8）組合，圈定隆起區(qū)和洼陷區(qū)并標(biāo)注煤層厚度變化區(qū)。

圖8 工作面模型Fig.8 Working face model

2.5 采空區(qū)、積水區(qū)三維幾何建模

進(jìn)行采空區(qū)三維建模時需恢復(fù)被切割的煤層模型，并從煤礦地質(zhì)數(shù)據(jù)庫中提取采空區(qū)范圍，以離散點(diǎn)集的形式在層面呈現(xiàn)其輪廓。利用離散點(diǎn)提取命令分別提取煤層頂?shù)装宀煽諈^(qū)邊界線內(nèi)所有離散點(diǎn)并以.dat 文件格式導(dǎo)入煤礦地質(zhì)數(shù)據(jù)庫。加載巖體建模模塊，將采空區(qū)作為煤層中的異常巖體進(jìn)行處理。以5-2煤層底板作為參考面，在巖體面集中加載數(shù)據(jù)庫中頂?shù)装咫x散點(diǎn)集文件，并在參考面上勾勒出采空區(qū)邊界后生成頂?shù)酌婧桶j(luò)面，生成采空區(qū)模型（圖9），并對采空區(qū)內(nèi)氣體、溫度等信息進(jìn)行標(biāo)注。

圖9 采空區(qū)模型Fig.9 Gob model

將采空區(qū)模型數(shù)據(jù)與煤層模型數(shù)據(jù)進(jìn)行鏈接，重新生成層面和地質(zhì)體模型，采空區(qū)數(shù)據(jù)以巖體形式耦合到煤層模型中并標(biāo)注遺煤區(qū)，生成回采實測模型（圖10）。

圖10 回采實測模型Fig.10 Mining measurement model

利用井下物探、探放水等成果資料，在數(shù)字化的基礎(chǔ)上，采用巖體建模技術(shù)和巖體耦合技術(shù)對采空區(qū)中3 處積水區(qū)進(jìn)行建模。關(guān)閉采空區(qū)模型數(shù)據(jù)鏈接，重新生成煤層地質(zhì)體，恢復(fù)工作面中采空區(qū)耦合區(qū)域。從數(shù)據(jù)庫中提取積水邊界并在煤層底板上以離散點(diǎn)形式展示，從而劃定積水區(qū)范圍。與采空區(qū)相比，積水區(qū)只存在于煤層底板，因此在積水區(qū)煤層底板文件基礎(chǔ)上，為深度值附加積水深度，得到積水區(qū)水深文件，生成積水區(qū)模型（圖11）。重新載入采空區(qū)模型，并檢驗積水區(qū)與采空區(qū)耦合效果。

圖11 積水區(qū)模型Fig.11 Waterlogged area model

2.6 水文屬性三維建模

針對富水系數(shù)和滲透率參數(shù)進(jìn)行水文屬性三維建模，數(shù)據(jù)來源于區(qū)內(nèi)鉆孔抽水試驗和泉眼調(diào)查實測數(shù)據(jù)。以地質(zhì)體模型為基礎(chǔ)，對數(shù)據(jù)采用連續(xù)屬性建模的方法進(jìn)行建模。

在網(wǎng)格及屬性建模模塊中新建大工區(qū)，設(shè)置屬性數(shù)據(jù)儲存路徑。在大工區(qū)中定義平面網(wǎng)格幾何信息及縱向分層。在平面網(wǎng)格幾何信息中，根據(jù)研究區(qū)域面積和屬性數(shù)據(jù)量設(shè)置網(wǎng)格精度，通過調(diào)整網(wǎng)格步長的參數(shù)大小來設(shè)置單一網(wǎng)格的長和寬；而縱向分層是通過設(shè)置網(wǎng)格的高度來對地層進(jìn)行剖分。研究區(qū)直接充水含水層薄厚不均，最厚含水層平均厚度為28.37 m，最薄含水層平均厚度僅1.18 m。為保證對地層屬性準(zhǔn)確描述，選擇等比例算法剖分網(wǎng)格，建立160 m×160 m×2 m 的截斷網(wǎng)格模型。

在截斷網(wǎng)格模型基礎(chǔ)上選取建模子區(qū)域建立網(wǎng)格化格架模型，對地質(zhì)體模型進(jìn)行網(wǎng)格模擬，搭建屬性模擬地層。從煤礦地質(zhì)數(shù)據(jù)庫中提取鉆孔模型，并添加在大工區(qū)屬性列表下。將2 種屬性數(shù)據(jù)分別提取到屬性模型集下，生成地層屬性列表并進(jìn)行鉆孔屬性粗化。屬性粗化的目的在于保證原有地層屬性信息不變的前提下最大程度地減少網(wǎng)格計算量，提升計算機(jī)運(yùn)算效率。針對滲透率和涌水量，利用調(diào)和函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)粗化。在數(shù)據(jù)分析中利用變差函數(shù)對富水系數(shù)和滲透率的空間分布范圍進(jìn)行數(shù)據(jù)描述，調(diào)節(jié)扇形搜索區(qū)域和函數(shù)曲線，使其涵蓋所有數(shù)據(jù)點(diǎn)。運(yùn)用序貫高斯模擬算法分別對2 種水文屬性進(jìn)行條件概率分布模擬，在網(wǎng)格化模型上獨(dú)立呈現(xiàn)，生成富水系數(shù)模型（圖12（a））和滲透率模型（圖12（b））。

圖12 富水系數(shù)模型及滲透率模型Fig.12 Water-rich coefficient model and permeability model

3 三維地質(zhì)模型分析

針對關(guān)鍵性隱蔽致災(zāi)因素，從地層、煤層及工作面、采空區(qū)及其積水區(qū)、水文屬性4 個方面，結(jié)合三維地質(zhì)模型從隱蔽致災(zāi)因素的角度進(jìn)行分析，并對三維幾何模型進(jìn)行屬性化賦能，實現(xiàn)屬性建模的災(zāi)害解譯功能。

3.1 地層特征分析

地質(zhì)體模型展現(xiàn)全區(qū)地層劃分、厚度變化、地形地貌和煤層分布位置。根據(jù)地質(zhì)體模型顯示，區(qū)內(nèi)地表溝壑縱橫，梁峁走向為西北—東南延伸，并且在梁峁頂部被砂土層和黏土層覆蓋，屬典型黃土丘陵溝壑區(qū)地貌單元，模型地層劃分從上到下分別為第四系地層、新近系保德組和延安組Ⅰ-Ⅴ段，其中主要含煤地層為延安組I-Ⅲ段。

延安組Ⅰ段地層由西向東呈逐漸增厚的趨勢，地層產(chǎn)狀有較小起伏，頂部賦存有5-2煤層。東部存在隆起，隆起兩翼5-2煤層與上覆延安組Ⅱ段砂巖層呈不整合接觸關(guān)系。

延安組Ⅱ段地層是區(qū)內(nèi)厚度最大的地層，整體地層平整，起伏較小，遵循地勢變化規(guī)律，地層中有煤層賦存，煤厚較薄。層內(nèi)砂巖層底板起伏較大，厚度變化不均；由西向東砂巖層厚度逐漸增大，東部砂巖層底板受下伏延安組Ⅰ段隆起的影響被剝蝕，形成不整合接觸。

延安組Ⅲ段之上所有地層均遭受地表流水侵蝕，地質(zhì)體模型邊緣呈現(xiàn)出溝谷密布的形態(tài)，導(dǎo)致延安組Ⅲ段出露位置分布在溝谷兩側(cè)。地層整體產(chǎn)狀平整，局部略有起伏，層內(nèi)有煤層賦存。地層?xùn)|部明顯受擠壓形成隆起，頂部地層產(chǎn)狀相對平整。

延安組Ⅳ段地層厚度分布均勻，整體形態(tài)受溝谷流水侵蝕嚴(yán)重，出露區(qū)域均分布在溝谷兩側(cè)。地層產(chǎn)狀較為平整，砂巖層厚度分布均勻。但是由于地層受地表水侵蝕的作用強(qiáng)烈，導(dǎo)致地層殘缺不全，僅局部有煤層分布且不具備開采價值。

延安組Ⅴ段地層在區(qū)內(nèi)基本被剝蝕，僅在梁峁頂部殘存。上覆新近系保德組地層為黏土層，主要分布于梁峁頂部及溝谷兩側(cè)，與延安組Ⅴ段地層呈不整合接觸；第四系上、中更新統(tǒng)地層以黃土為主，僅零星分布于梁峁之上，與新近系保德組亦呈不整合接觸。

3.2 煤層及工作面特征分析

全礦井主力開采煤層為5-2煤，根據(jù)煤層模型顯示，5-2煤為中厚煤層，煤厚由南向北呈增厚變化，西南部煤層最薄，厚度為2.60 m；煤層中部存在局部洼陷區(qū)；在煤層?xùn)|北部受地層擠壓應(yīng)力影響出現(xiàn)局部隆起，導(dǎo)致煤層與上覆砂巖層底板存在不整合接觸關(guān)系，同時隆起兩翼也是5-2煤層厚度最大的位置，為5.20 m?？傮w上5-2煤層具有煤厚變化均勻、結(jié)構(gòu)簡單、全區(qū)賦存的特點(diǎn)。

工作面位于5-2煤層西部，方向由西向東延伸，根據(jù)工作面模型顯示，工作面東西兩側(cè)以中厚煤層為主，厚度為2.60 m，在中部位置出現(xiàn)小規(guī)模隆起，隨后向下凹陷形成洼陷區(qū)，在洼陷區(qū)煤層厚度為4.29～4.31 m，是該工作面煤層最厚的位置。工作面整體起伏較小，煤厚變化均勻。

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查和工作面地表模型顯示，工作面范圍內(nèi)地表分布有5 條溝谷，并且有1 條常流性河流經(jīng)過。整體地勢相對平緩，地表被風(fēng)積層覆蓋，植被稀疏。主要地表形態(tài)為丘陵，溝谷切割、梁峁相間，流水侵蝕和風(fēng)化堆積發(fā)育，水土流失現(xiàn)象嚴(yán)重，是典型的黃土高原型地貌。溝谷兩側(cè)有多組地層出露且下切深度大，最大下切深度為39.27 m，與5-2煤頂板最小距離為47.31 m。

將工作面煤層模型和地表模型從不同層次結(jié)合分析可知，雖然工作面煤厚變化均勻，無較大起伏，是較為穩(wěn)定的可采區(qū)域，但地表地質(zhì)條件復(fù)雜，受地形地貌影響，工作面存在過溝開采、潰頂、潰砂、潰水、涌土、漏風(fēng)等多災(zāi)害耦合發(fā)生的風(fēng)險。工作面煤層模型中洼陷區(qū)所處位置對應(yīng)工作面地表模型中常流性河流所處位置，因此在工作面洼陷處需做好對水害等隱蔽致災(zāi)因素防治措施，將此處作為冬季寒凍、結(jié)冰等環(huán)境災(zāi)害的重點(diǎn)防治區(qū)。

3.3 采空區(qū)及其積水區(qū)特征分析

采空區(qū)模型可對采空區(qū)內(nèi)各項監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行三維顯示。對比工作面模型和采空區(qū)模型可知，采空區(qū)整體形態(tài)與工作面形態(tài)一致，工作面采掘工作基本完成，并在采空區(qū)模型中對監(jiān)測參數(shù)進(jìn)行顯示。從井下回傳數(shù)據(jù)中可知，影響采空區(qū)隱蔽致災(zāi)因素的關(guān)鍵性參數(shù)包括溫度、壓力、風(fēng)量、風(fēng)速及氣體濃度。監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示采空區(qū)溫度與壓力正常，CH4濃度和CO 濃度極低，O2和CO2濃度正常，井下風(fēng)量和平均風(fēng)速符合掘進(jìn)工作面巖巷風(fēng)速規(guī)定（0.15～4.0 m/s）。采空區(qū)模型為瓦斯、火災(zāi)等災(zāi)害防治提供了數(shù)據(jù)監(jiān)測顯示平臺。將工作面回采測量數(shù)據(jù)和回采實測模型對比，回采實測模型中采空區(qū)有部分區(qū)域呈現(xiàn)黑灰色交替，說明在較厚煤層賦存區(qū)存在遺煤分布，是礦井火災(zāi)重點(diǎn)防治區(qū)，并且在較薄煤層處存在底巖割頂現(xiàn)象，容易引起開采擾動，對頂板造成一定破壞。

采空區(qū)內(nèi)存在3 處積水。根據(jù)積水區(qū)模型顯示，3 處積水區(qū)分別位于采空區(qū)西部、中部和東部的洼陷區(qū)內(nèi)。1 號積水區(qū)最高水位標(biāo)高1 006.16 m，2 號積水區(qū)最高水位標(biāo)高1 009.94 m，3 號積水區(qū)最高水位標(biāo)高1 012.06 m。其中2 號積水區(qū)積水量最大，為21 672 m3。將積水區(qū)模型分別與工作面地表模型、回采實測模型等多尺度模型對比可知，3 處積水區(qū)所處位置均與地表溝谷相對應(yīng)，大氣降水多匯聚于此并向地下滲透，且積水區(qū)位置均與工作面割頂區(qū)域相吻合。對比3 處積水化學(xué)性質(zhì)發(fā)現(xiàn)其化學(xué)性質(zhì)一致，均為HCO3-Ca·Mg 型水，說明3 處積水區(qū)水源一致。據(jù)此可推斷采空區(qū)3 處積水是由于在采掘過程中割煤機(jī)對煤層頂板造成擾動，導(dǎo)致頂板裂隙發(fā)育形成導(dǎo)水通道，進(jìn)而頂板積水下滲。

3.4 水文屬性特征分析

研究區(qū)地表植被稀疏，水土流失嚴(yán)重。根據(jù)富水系數(shù)模型顯示，地層涌水量變化區(qū)域主要集中在區(qū)內(nèi)西、南、北側(cè)，占全區(qū)面積約50%。區(qū)內(nèi)整體富水性較弱，中等和弱富水性為主，局部區(qū)域出現(xiàn)強(qiáng)富水性，占比較小。

研究區(qū)內(nèi)整體為低滲地層，局部出現(xiàn)滲透率相對較高的區(qū)域。根據(jù)滲透率模型顯示，滲透率變化區(qū)域主要集中在研究區(qū)東西兩側(cè)，在西南部和北部僅有零星分布，總面積約占研究區(qū)30%。地層滲透率以中低滲為主，高滲區(qū)域相對占比小。但是研究區(qū)地表溝谷密布，溝谷中存在常流性河流與大氣降水形成的地表積水，因此局部區(qū)域出現(xiàn)滲透率相對較高的情況。

將水文屬性模型與回采實測模型結(jié)合分析可知，煤層采空區(qū)上覆地層對應(yīng)水文屬性模型中滲透率相對較高的區(qū)域，且富水性以中等富水和強(qiáng)富水為主，水文條件較為復(fù)雜，同時也是采空區(qū)形成積水的重要原因之一。

綜上所述，采空區(qū)存在火災(zāi)、水害、頂板等多災(zāi)害耦合的特點(diǎn)。隨著開采工作不斷推進(jìn)，研究區(qū)其他位置的水文屬性隨之改變，地層中水文隱蔽致災(zāi)因素將受到影響，對煤礦生產(chǎn)形成新的安全隱患。

4 討論

4.1 煤礦智能化開采保障技術(shù)

對煤礦隱蔽致災(zāi)因素進(jìn)行三維地質(zhì)建模的目的在于對煤礦生產(chǎn)進(jìn)行指導(dǎo)和為礦井作業(yè)人員提供安全保障[17-18]。根據(jù)建模成果顯示，礦區(qū)內(nèi)地表形態(tài)復(fù)雜，煤層厚度分布不均，影響工作面安全生產(chǎn)的隱蔽致災(zāi)因素在地表、煤層2 個層次中均有分布，并且煤礦中局部富水性、瓦斯?jié)舛取L(fēng)量、風(fēng)速、壓力等參數(shù)隨著開采的進(jìn)行而發(fā)生動態(tài)變化，導(dǎo)致隱蔽致災(zāi)因素的分布和危險性產(chǎn)生改變[19]。

利用三維地質(zhì)幾何及屬性建模技術(shù)在工作面正式投產(chǎn)前構(gòu)建全礦井和工作面尺度的三維地質(zhì)模型，實現(xiàn)全礦井地質(zhì)透明化，展示全礦區(qū)地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造及開采規(guī)劃，同時工作面尺度的三維地質(zhì)模型可針對采前規(guī)劃的綜采工作面進(jìn)行三維顯示[20-21]。從地表和煤層2 個層次顯示工作面煤厚、起伏形態(tài)、地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌等信息，為可能存在的過溝開采、潰水、潰砂、涌土、底巖割頂、遺煤等致災(zāi)因素的防治提供精準(zhǔn)靶區(qū)[22]。針對危險區(qū)隱蔽致災(zāi)因素的關(guān)鍵性參數(shù)，通過設(shè)置相應(yīng)的傳感器（如水位、壓力、氣體及溫度等傳感器）獲取或隨采掘工作探測關(guān)鍵地質(zhì)數(shù)據(jù)（如底板標(biāo)高、煤層厚度等）[23-24]。通過屬性模擬算法對采掘過程中搜集的隱蔽致災(zāi)因素數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬生成和模型對比，并根據(jù)實測災(zāi)害屬性變化對模型的生成算法進(jìn)行調(diào)整，使之與工作面正式投產(chǎn)后隱蔽致災(zāi)因素變化規(guī)律相吻合，從而實現(xiàn)利用三維地質(zhì)模型對制約工作面安全生產(chǎn)的隱蔽致災(zāi)因素進(jìn)行實時監(jiān)測和預(yù)警[25-26]，全程對隱蔽致災(zāi)因素進(jìn)行精準(zhǔn)防治，有效保障井下生產(chǎn)安全[27]。

4.2 煤礦三維地質(zhì)建模發(fā)展方向

煤礦三維地質(zhì)建模的發(fā)展方向是與其他先進(jìn)技術(shù)相結(jié)合，形成一整套完整的煤礦智能化協(xié)同體系[28]。三維地質(zhì)模型作為煤礦智能化建設(shè)的基底，可以實現(xiàn)對井下數(shù)據(jù)的三維呈現(xiàn)，不僅能夠指導(dǎo)煤礦生產(chǎn)工作，還能夠?qū)崿F(xiàn)隱蔽致災(zāi)因素地質(zhì)透明化[29]，對井下可能會造成災(zāi)害的危險因素進(jìn)行實時監(jiān)控，對隱蔽致災(zāi)因素引起的事故進(jìn)行模擬，提出防治方案，有效解決制約煤礦生產(chǎn)效率的安全問題，并以此為基礎(chǔ)發(fā)展成一套較為成熟的煤礦地質(zhì)保障體系[30-32]。利用人工智能的學(xué)習(xí)功能和采掘進(jìn)行時回傳的實時數(shù)據(jù)，開發(fā)動態(tài)修正三維地質(zhì)模型[33]，實現(xiàn)從遠(yuǎn)程控制采掘和災(zāi)害防治向智能化采掘和災(zāi)害防治的轉(zhuǎn)變[34-36]。

5 結(jié)論

1）利用DepthInsight 幾何建模和屬性建模功能建立了研究區(qū)三維地質(zhì)幾何模型和三維地質(zhì)屬性模型，實現(xiàn)對隱蔽致災(zāi)因素從全礦井到工作面、從地表到煤層的多尺度、多層次顯示及研究區(qū)水文屬性的地質(zhì)透明化。

2）從全礦井和工作面2 個尺度對三維地質(zhì)模型進(jìn)行地表和煤層的多層次對比分析，結(jié)果表明采煤工作面具有過溝開采、潰砂、潰水、涌土、漏風(fēng)等多災(zāi)害耦合發(fā)生的特點(diǎn)，并且采空區(qū)中存在頂板裂隙、遺煤、積水區(qū)等隱蔽致災(zāi)因素。

3）利用煤礦三維地質(zhì)建模技術(shù)從多尺度、多層次對礦井隱蔽致災(zāi)因素進(jìn)行透明化顯示，利用三維地質(zhì)模型對影響隱蔽致災(zāi)因素的關(guān)鍵性參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測和顯示。

4）研究成果可為煤礦隱蔽致災(zāi)因素的透明化管控、災(zāi)害精準(zhǔn)治理及災(zāi)害預(yù)警監(jiān)測提供精準(zhǔn)靶區(qū)，驗證三維地質(zhì)建模技術(shù)在煤礦隱蔽致災(zāi)因素透明化等方面應(yīng)用的可行性。