煤炭是我国主要能源资源之一。煤炭开采技术已经积累了丰富的基础，但复杂地质因素仍是影响智能开采的关键问题。井下探测、煤岩识别、采煤机自动化等技术受复杂地质因素的限制，尚无法满足煤矿井下智能化开采的实际需求，实现地质透明化是当前矿山智能化的核心目标，而复杂三维地质建模技术是构建透明地质的基础和前提。
目前，在矿山领域常见的三维地质建模方法是构建矿床内部矿体模型，数据来源主要包括矿产勘查和矿山开发过程中得到的大量钻孔、剖面等地质信息。此模型为静态模型，用于描述井田构造区域内矿体空间形态。煤炭开采为动态过程，涉及开采装备运行、工作面推进及地质体变化等因素，矿体静态模型无法满足对煤矿动态开采的指导和安全保障需求。
构建矿区范围内复杂地质体模型，利用地质模型指导工作面动态开采并精确预警地质风险，实现三维地质模型与开采过程的实时交互，国内外的研究成果相对较少且缺乏系统性。本文以张集井田为案例，构建井田不规则多面体元网格复杂地质模型和精细化工作面三维地质模型，研究煤矿复杂地质建模技术在煤矿开采中的应用，为提升煤矿智能化水平、满足智慧矿山技术需求提供参考依据。
三维地质建模
矿山三维地质模型常采用实体与块体混合建模方法，实体/壳体模型代表矿体边界，块体模型填充实体模型内部并表达矿体比重、品位、岩性等属性。国外研发的矿山开采数字化软件有Datamine、Surpac、Micromine 等，国内研发的矿业软件包括3DMine、Dimine、LongRuan GIS 等。目前，国内研究与研发三维地质建模技术的专业团队很少，绝大多数产品都基于某个开源图形引擎进行应用功能开发，如龙软科技开发的LongRuan GIS、中国地质大学（武汉） 开发的GeoEngine、中地数码公司开发的MapGIS 等都是基于GIS 图形引擎，中南大学团队的Dimine 采用VTK 图形引擎。基于图形引擎描绘的地质模型无法满足地质透明化需求。地质体的复杂性表现为形态不规则，有限范围内只有少量已知数据。
北京航天航空大学的杨钦团队自主研发的深探地学建模软件（DepthInsight，DI） 以计算几何和计算机图形学为基础，兼容基于离散数学算法，具有复杂地质体快速建模、多模态数据融合建模、无缝拼接与局部动态更新、网格剖分等能力。其选用DI开展煤矿复杂地质建模工作，以实现煤矿地质透明化，为矿山生产提供地质信息依据。
建模方法
DI 针对不同源数据类型和应用场景提供离散点源法、剖面框架法和多源数据融合法等多种建模方法，采用多种空间插值算法来实现地质建模，其中包括三角测量法（TIN）、反距离权重法（IDW）、克里金法（Kriging）、序贯高斯模拟等常用方法，以及最小曲率法、离散光滑插值（DSI）、界面演化法（LevelSet） 等自研方法。此类算法根据不同需求和数据特点，灵活进行地质建模和数据插值，提供更全面、准确的地质信息。
最小曲率法是DI 默认生成方法，生成速度快且生成模型层面平滑，能够处理各种复杂的断裂情况。DI 采用界面演化法实现仅窄带遍历的断裂层面的演化算法，生成复杂不规则岩体。每个岩体都在特定局部工区内完成，局部模型可自动嵌入到构造框架中形成整体。此外， DI 使用离散光滑插值法（DSI），在断层网络分割地质空间网格模型上构建隐函数。通过调整权重模型的粗糙度约束、梯度约束、离散点约束和不等式约束，共同限制地层面重构算法的插值效果。为了求解目标函数最优解，DI在GPU上实现了共轭梯度法。离散光滑插值法适用于倒转、断裂等情况的层面生成。
在构建断层模型和地层模型时，根据采样数据的密度选择不同算法。对于数据密集区域，可使用最小曲率法生成模型；对于数据稀疏区域，采用DSI 算法。基于实测剖面、勘探线剖面等数据，采用剖面框架法，通过曲面构造生成各层位面表达三维地质模型。属性建模采用IDW、指示克里金法、序贯高斯模拟等方法。用于计算不同位置的属性值，如岩性、地质年代等。对于高精度复杂地质模型，增加约束信息细化初始地质模型。多源数据融合法统一相关信息，包括数据坐标系统、地质语义一致性、地质认知等。
建模流程
三维地质建模包括数据预处理、构造建模、煤岩层建模、网格化及属性建模等，三维地质建模技术路线如图1所示。
图1 三维地质建模技术路线
（1） 数据预处理
根据多源数据重构标准，从钻探、物探、地勘、测绘等信息中提取数据，采用GIS 软件工具建立建模源数据库。首先，将采集或搜集到的有关原始资料，通过扫描、矢量化、编辑、录入等方式进行数字化，完成后续处理和分析；其次，已经数字化的资料，进行分类整理、规范化处理，并纳入数据库中，包括数据标准化、统一坐标系统、统一单位等处理，确保数据一致性和可比性；最后，完成建模源数据库，为后续地质模型构建和属性建模提供基础数据，并确保数据的质量和准确性。
（2） 构造（结构） 建模
在数据标准化基础上，利用DI 提供的复杂地质建模技术进行结构模型构建。首先，使用Delaunay三角网格剖分算法和最小曲率插值法或DSI 算法生成断层模型，Delaunay 三角网格剖分算法将数据点连接成三角形网格，形成平滑的断层面，最小曲率插值法或DSI 算法通过对数据点插值来重建断层模型形态；其次，在断层模型约束下，自动构建地层模型，包括检验地层形态、设置断层和地层的接触关系，对于不合理部分，进行局部拓扑重建以符合地质实际情况；最后，在上、下分界面约束下，构建各地层体模型，界面约束来自采样数据、断层模型或其他地质信息，确保地层模型的合理性和准确性。
（3） 网格剖分与属性建模
在结构模型的基础上，采用截断矩形网格剖分技术网格剖分结构模型。截断网格是一种不规则多面体元网格，使用多面体单元描述非均质体物理对象的几何、视觉和属性等多模态混合特征。尤其在具有强烈各向异性和复杂几何形状的情况下，截断网格能准确描述地层、断层、地层尖灭地质要素及接触关系。
为了添加属性信息，建立空间数据与属性数据的对应关系，并通过赋值方式将属性信息添加到结构模型的网格单元。构成三维地质模型既是概念模型，也是数值模型。反映地质空间拓扑关系，也反映属性空间变化特征。以实现在真三维环境下由点到线、由线到面、由面到体的立体综合解释。
（4） 模型耦合
采用空间离散网格表达内部属性特征，以地质体结构模型作为场边界和空间网格约束条件，耦合2 个模型，实现地质体结构模型与属性模型实现一体化存储。在工作面更新过程中，使用网格布尔运算技术切割地质体模型，完成工作面模型与井田整体模型融合。通过切割地质体结构模型，融合工作面几何信息与井田整体模型，使得工作面与周围地质环境间的关系得到准确的表征和模拟。
关键技术
煤矿三维地质建模融合地质勘查、工程勘探多源数据，构建煤矿高精度多分辨率全要素地质模型，包括井田整体模型、工作面模型。为满足煤矿智能化各场景应用需求，建模过程所用关键技术如下。
（1） 多源数据融合分析技术
模型整合多种不同的空间数据和属性数据，其中包括但不限于地质图件（如地形地质图、地质剖面图、地层柱状图）、钻探数据、物探数据、化探数据以及遥感数据等。将以上数据进行标准化，并在三维场景下进行融合，包括数据格式、坐标系统、拓扑关系以及地质语义的一致性等问题。
通过多源数据融合，综合控制和识别矿井煤层构造、工作面煤层界面等目标。通过不同数据源的综合分析，获取更全面和准确的地质信息，确定煤矿煤层构造和工作面煤层界面等。
（2） 复杂地质建模技术
该技术是煤矿三维地质模型的构建的核心。基于本项技术可以对煤矿的地质环境进行完整映射，包括煤层的倾角、稳定性、断层、褶曲、陷落柱、瓦斯、水文等信息，提高煤炭资源储量分析的准确性。从而对开采过程中可能遇到的地质风险做出更准确的评估和预测，为矿井设计和矿产资源管理提供可靠的依据。
（3） 无缝拼接与动态更新技术。
无缝拼接技术支持多个局部模型间无缝衔接，解决模型精度与规模的矛盾。使用多元数据融合方法，利用无缝拼接技术，综合地质条件分析、探测资料，构建面向采煤工作面的高精度多分辨率多属性可动态更新的地质模型。工作面形成前，主要依据地勘、钻探、物探等建模源数据对地层架构进行整体控制，构建工作面初始模型；工作面形成后，建模源数据以巷道掘进揭露的顶底板、煤厚和构造等地质信息为主要约束，辅以开采前的地质信息，对初始模型进行再解译，校正煤层空间形态与构造分布范围，优化截割曲线。无缝拼接与动态更新技术，实现地质模型的高效构建和快速调整，提高了煤炭资源管理和矿井安全管理的水平。
（4） 三维网格剖分技术
网格模型是联接几何模型、拓扑模型与数值模型的纽带，是基于结构模型进行属性建模与数值模拟的基础。模型网格分为大数据技术与人工智能技术。DI 采用截断网格分技术，保障网格匹配地质构造模型的几何形状，避免其他绝大多数建模软件在地层断裂和尖灭出现锯齿效应等严重偏离现象。以此为基础，数值模拟分析可分为正演模拟和历史拟合。正演模拟可模拟煤矿开采过程，评估产量、瓦斯涌出和水文变化等关键参数；历史拟合可基于实际观测数据，通过反演和调整模型参数，使数值模拟结果与实际情况更加吻合。
（5） 工作面与三维地质模型一体化剖切技术
该技术可一体化剖切工程信息模型、采掘设备模型等与工作面模型等地质模型，实时获取顶底板曲线等信息，快速辅助综采设备完成割煤作业。一体化剖切技术既可将地质模型中预测好的地层信息与实际采煤过程相结合进行剖切，也可利用实测煤厚、顶底板高度等数据进行计算，形成较为真实的剖切曲面。通过实时监测和调整，始终保持工作面的合理形状和位置，提高采煤效率和安全性。
张集井田三维地质建模
地质概况
张集井田位于安徽省淮南市凤台县境内，地处江淮丘陵与黄淮平原交界处，地形复杂。矿井位于陈桥背斜的南翼、谢桥-古沟向斜的北翼，矿井构造是在与背斜形成有关的印支期南北向构造挤压应力场背景下形成的，属中朝准地台淮河台坳、淮南陷褶断带。煤矿地理坐标为东经116° 25′42″ ～116°35′20″，北纬32°43′42″～32°49′24″。
井田内沉积地层由老到新分别为寒武系（∈）、奥陶系中下统（O1+2）、石炭系（本溪组（C2b））、上统太原组（C3t）、二叠系（山西组（P1s）、下石盒子组（P1xs）、上石盒子组（P2ss）、孙家沟组（P2sj））、新近系（中新统（N1）、上新统（N2））、第四系（更新统（Qp）、全新统（Qh））。
井田内含煤地层为石炭系和二叠系。石炭系含煤岩系不稳定，不可采，无工业价值。二叠系含煤地层总厚约721 m，含定名煤30 余层，可采煤层14层见表1，山西组（P1s）、下石盒子组（P1xs）、上石盒子组（P2ss）、孙家沟组（P2sj）。其中：其中稳定煤层3 层（13-1、11-2、8 煤），平均厚度10.27 m；较稳定煤层2 层（6、1 煤），平均厚度9.10 m；不稳定煤层9 层（20、17-1、16-1、13-1 下、9-1、7-2、7-1、5、4-2煤），平均厚度7.86 m。
表1 二叠系含煤地层含煤情况统计
全矿井共发现断层1 657 条。按断层性质分：正断层1 588 条，逆断层69 条；按落差分：落差H≥100 m的断层9 条，50≤H<100 m的断层4 条，20≤H<50 m的断层35 条，10≤H<20 m的断层208 条，5≤H<10 m的断层575 条，H<5 m的断层826 条；按控制程度划分：查明断层1 157 条，基本查明断层414 条，推断断层86 条。
数据来源
建模原始资料均由张集井田提供，包括1、6、8、9-1、11-2、13-1煤层底板等高线图以及506 个钻孔柱状图、17 条勘探线剖面如图2b 所示，1 张地表等高线图、6 张采掘工程平面图、3 份属性要素数据等资料。
井田整体三维地质建模
张集井田整体三维地质模型在矿井范围内，地质勘探资料中主要煤层以及周边岩层和断层进行了构建，以满足地质透明化和矿井大范围设计需要。张集井田整体三维地质模型在真三维环境下实现了从地表至1 号煤底板的地质结构的可视化，直观展示了井田总体形态，为呈扇形展布的单斜构造，地层走向呈不完整的弧形转折，南部向斜轴附近断层比较发育。覆盖了张集煤矿范围内1 号煤层以上所有核实的地层和构造单元，包括48 条断层（落差H≥20 m）、26 个地层等，形成了全方位、全层次、多精度的三维地质信息体系。
（1） 建模步骤
根据井田总体大小及已有资料的控制程度进行网格精度设置，断层网格边长为40 m，地层网格边长为60 m；构建初始断层面、地层面，并对20、17-1、16-1、13-1、13-1 下、11-2、9-1、8、7-2、7-1等煤层进行尖灭处理及构造检验，进行断层交切关系、地层沉积序列及拓扑重建，进而生成三维地质体模型，如图2 所示。
图2 井田整体三维地质模型构建
（2） 钻孔及DEM模型
在处理地质信息时，数字化处理了506 个钻孔，并存入地质信息数据库中。在钻孔管理节点导入钻孔数据，生成了三维钻孔模型；数字化处理了井田地形图，转换为X、Y、Z 坐标的点数据，总计42.3万个，并生成了文本文件；构造建模模块生成了地表层面，并将地表影像附加在层面模型上，构建了数字高程模型（DEM）。井田地表地形相对平缓，地面标高一般为+21 — +26 m。总体地势西北部较高，东南部较低。张集煤矿矿区钻孔及数字地面模型如图2a所示。
（3） 断层建模
张集煤矿井田内断裂数量较多。利用 Delaunay三角网格剖分算法和最小曲率插值法，根据断层解释数据生成初始断层面，结合软件特有的断面交切处理技术进行断层交切处理，断层共计48 条（落差H≥20 m）。构建正确的断层模型。井田断层模型如图2c所示。
（4） 地层建模
以钻孔数据为地层的主要控制依据，结合底板等高线、勘探线剖面，在断层模型约束下采用最小曲率插值方法，精细构建井田地层26 层如图2f 所示，由老到新依次为第四系、基岩、23、20、17-1、13-1、11-2、9-1、8、7-2、7-1、6、4-2、1 等12 个矿井可采编号煤层及其顶底板，如图2d 所示。
（5） 构造检验
在地层建模结束后，检验解释的成果数据、建模方法以及建模精度。为保证模型的准确性和可靠性，利用DI 中的连井剖切、任意剖切、挖洞等可视化交互功能，对模型内部的构造形态进行检验。
回采工作面三维地质建模
张集井田1421 （3） 工作面三维地质模型建模地层，由新到老依次为基本顶、煤线、直接顶、13-1煤、13-1煤底、13-1 下煤，共计9 条断层如图3a 所示。矿井模型13-1煤层信息的基础上，增加回采巷道实测剖面数据等地质编录资料如图3b 所示，结合煤层底板等高线、等厚线数据，采用矿井数据与工作面精细地质资料联合进行地层的解释如图3c—图3e所示。
图3 工作面模型构建
基于张集井田整体模型的工作面初始模型，并结合井下勘探信息与新的实测地质编录资料和生产过程中新数据，迭代更新初始模型。利用实测数据校正模型的空间插值，辅助预测未掘进区的地层拓扑关系。
根据更新后的高精度工作面模型如图3d 所示，判断Fw201 断层为工作面两巷实际揭露的落差较大的断层，对工作面回采影响较大；F1422 （1） 80、Fw203、Fw213、F1421 （3） 80 断层的落差均大于1/2 煤厚，对工作面回采存在一定影响。
井田、工作面三维地质属性建模
采用截断网格剖分技术对地质体模型进行网格剖分。利用钻探、化探、实验成果资料中的属性要素信息，采用插值算法（如指示克里金法） 分别对井田和工作面范围内煤层的属性进行插值建模，包括矿井煤质、瓦斯、水文等属性。此插值建模方法，可根据有限数据点推断出更全面、连续和准确的属性分布情况。
张集井田整体模型设置体元网格单元为60 m×60 m×1 m，共计剖分网格262 万个，如图4a、图4b所示；1421 （3） 工作面模型设置体元网格单元大小为2 m×2 m×0.2 m，共计剖分网格717.5 万个如图4c、图4d 所示。
图4 网格模型可视化
（1） 煤质属性模型
基于井田、工作面网格模型，根据各煤层煤质分析成果表的相关检测成果，对模型中的煤层附加相关的煤质属性，主要为原煤发热量如图5所示。
（2） 瓦斯属性模型
根据各煤层气鉴定成果表，对模型中的相应煤层附加瓦斯含量属性， 直观展示原煤N2、CO2、CH4、重烃等成分的占比或含量数据，为智能化矿井瓦斯灾害防治和预警提供依据，为CH4含量分布如图6 所示。
图5 煤层发热量模型
图6 煤层气含量模型
（3） 水文属性模型
根据矿井主要含水层抽水、放水试验成果，对模型中的相应的含水层段附加水文地质相关属性，可在三维模型中直观地展示含水层给水度、单位涌水量、渗透系数等，具体如图7所示。
图7 井田含水层单位涌水量模型
三维地质建模在智能开采中的应用
以张集井田1421 （3） 工作面为研究对象，以工作面模型为基础，结合工程信息模型，导入精细化的开采辅助设备模型，在可视化平台上完成多模态模型融合，开采场景交互，对工作面智能化开采进行控制、管理、分析、预测。
多模态模型融合可视化
现阶段，对煤矿智能开采起到支撑作用的模型，如煤矿工作面三维地质模型、井巷工程信息模型、综采设备模型等，通常由多个单位或厂商提供，模型间存在格式转换、融合困难等问题。本研究以张集井田1421 （3） 工作面为例，依据煤层实际开采作业操作工序，结合各种设备工作状态，包括采煤机采煤过程，液压支架移动，刮板输送机运行状态等，基于不同三维模型的数据格式，在可视化平台进行了统一的处理和转换，实现了工作面地质模型、工程模型和设备模型等融合可视化，采煤机、刮板输送机、转载机等设备模型如图8所示。
图8 综采设备模型
图9 开采场景仿真
开采场景交互仿真
在完成了工作面三维地质模型、井巷工程信息模型与综采设备模型的高度融合的基础上，实现了真三维环境下矿井生产过程的模拟仿真。通过开采场景的交互仿真，直观指导生产，保障开采安全，如图9 所示。1421 （3） 工作面高精度模型如图9a 所示，工作面中采掘场景模拟仿真远景截如图9b 区域所示，交互模拟仿真动态场景中的综采设备模型和液压支架、刮板输送机模型如图9c、9d 区域所示。
总 结
本次研究以张集井田为研究对象，通过测量、地质勘查、矿山开采获取的地质信息，采用DI 软件结合复杂三维地质建模技术，构建了矿区整体模型和回采工作面模型，并与工程模型嵌套融合。弥补了以往仅构建矿体模型，模型功能单一的不足，也拓展了三维地质建模的研究领域和范围，网格化的属性模型更为后期开展数值模拟研究提供基础。该研究的继续深入将对煤田资源勘探和管理等领域产生积极的推动作用。
（1） 利用DI 软件构建地质数据库，综合利用已有地质资料，完成了张集井田整体模型的构建。描述了矿井近100 km²范围内自地表至5-3 下煤底板的26个煤岩层体，还完成了张集矿井三维地质模型中部分地层的水文、煤质等属性的建模。直观展示矿区所有煤层赋存状态。（2） 完成了1421 （3） 工作面高精度三维地质模型的构建。实现矿井和工作面地层、煤层、断层等三维地质信息的可视化，精细化展示了1421
（3）工作面内的构造情况，为后续其他区域的自动化掘进开采提供了示范和依据。（3） 初步实现了开采设备与三维地质模型的融合展示。在工作面模型的基础上，融入了巷道掘进和回采过程中的地质信息，并与综采设备模型进行了结合。嵌套融合使自然实体模型与人工实体模型相互补充，为工作面智能化开采提供了新的方法和研究方向。基于开采设备与地质模型的模拟仿真，准确评估开采过程中的地质风险，提高矿山生产效率并降低事故风险。
策划：李金松 编辑：王晓珍
