矿井导水构造三维精细模型构建与转换技术

樊 娟，侯恩科，靳德武，乔 伟，南生辉

矿井导水构造三维精细模型构建与转换技术

樊 娟1,2,3，侯恩科1，靳德武2,3，乔 伟2,3，南生辉2,3

1. 西安科技大学 地质与环境学院，陕西 西安 710054；2. 中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077；3. 陕西省煤矿水害防治技术重点实验室，陕西 西安 710077)

为了解决矿井导水构造精细刻画与三维地质模型灵活继承中存在的陷落柱内部岩石结构刻画不精细、多源数据融合不准确等技术问题，开展了矿井导水构造多源数据融合实体模型构建方法、精细模型构建过程与模型转换系统开发等方面的研究。基于数据融合分布式结构理论，采用地质数据耦合、实体模型耦合和构建模式耦合3个层次的耦合策略，建立一套水文地质勘探多源数据融合为三维地质实体模型的构建方法，通过多源异构地质数据标准化预处理、跟踪与分类、数据配准、关联与融合等4个关键步骤，构建矿井导水构造多源数据融合实体模型。在地质统计学研究的基础上，以陷落柱为例，提出“矿井精细导水构造模型”与“广域概略模型”的基本概念，同时构建了陷落柱广域概念模型与精细模型。根据SURPAC和FLAC3D2种三维模型的属性与数据结构特点，提出了矿井导水构造SURPAC和FLAC3D模型转换方法，利用JAVA语言和TCL语言研发了SURPAC-FLAC3D模型转换系统，该系统同时支持本地、网络操作与多用户多台机器的远程控制，最终实现了导水构造实体耦合模型转换为FLAC3D计算模型的目标，为矿山地质条件精细勘查与融合构建、矿山水害精准预测与防治提供技术支撑。

多源数据融合；导水构造刻画；精细模型构建方法；模型转换技术

随着煤矿开采深度的不断增加，其水文地质条件也趋于复杂，致使生产过程中水害事故时有发生[1-2]。其中较为关键的原因之一，是水文地质工作者对于目标矿井的导水构造缺乏清晰具体的认识。

目前常用钻探、瞬变电磁法、三维地震法等水文地质勘探技术获取导水构造的二维地质信息，但是由于导水构造空间分布的复杂性、模糊性与不确定性[3]的影响，构建形象、科学的矿井三维导水构造精细模型，使其不但将地质钻探数据、地球物理数据等多源多尺度数据融合进来，还可以揭示地质体内部结构、空间复杂的变化规律以及属性参数的分布特征，是值得深入研究的科学问题[4-7]。

业内学者针对性的开展了研究，矿井导水构造三维精细模型构建与转换技术主要源自于构建“智慧矿山”的需求，早在20世纪90年代，由芬兰矿业专家提出“智能矿山”基本概念，并根据实际矿山开采的需求创建综合自动化项目[8-9]。国内煤矿山的发展同样深受国际矿山智能信息化的影响，科研人员及专家学者已陆续推进矿山数字化、智能化、信息化的发展，在2002年，侯恩科等[10-11]提出利用三维地学模拟与数值模拟耦合来简化复杂数值模拟前处理的思路，开发的耦合系统不仅使数值模拟的前处理得到简化，而且拓宽了三维地学模拟的应用领域；陈建平等[12]提出了一种“基于三维可视化技术的隐伏矿体预测”理论，把三维可视化技术与基于基础地质、物探、化探、遥感的传统综合信息成矿预测结合起来，成功应用于云南个旧锡矿资源隐伏矿体预测；武强等[13]实现了一种多源数据集成应用的三维地质建模方法，并在此基础上研发了Geo-系统；罗周全等[14]研究了基于surpac复杂地质体的FLAC3D模型生成技术；胡斌等[15]采用FORTRAN语言编写了FLAC3D的前处理程序，对于地表形态复杂、岩层和地质结构较单一的地质体实现了快速、便捷的建模。

以上研究主要以广域概略单数据来源模型构建与“模型—模型”单数据转换应用为主，针对数值模拟所需的高精度导水构造精细化模型构建技术涉及较少。为解决多源环境下矿井导水构造精细刻画与三维地质模型灵活继承中存在的诸多问题，笔者基于SURPAC平台开展矿井导水构造多源数据融合实体模型构建方法、精细模型构建方法与模型转换平台开发等方面的研究，为增强矿井导水构造的精细化表达水平，提高矿床水害防治能力提供技术保障。

1 矿井导水构造多源数据融合实体模型构建方法

多源数据融合并非简单地将地质信息数字与集成化，而是将同一研究区来源不同、格式不一、多元多尺度的空间数据整合起来，综合分析数据信息与研究目标的关系，消除研究对象在不同模型间的描述差异、在不同分类标准中的属性差异及在不同采集目的中的特征差异[16]。

矿井导水构造三维模型的数据源普遍具有基础信息多源性、空间几何多边性和面向应用多样性等特征[17]。依据数据模型差异和应用目的的不同，矿井导水构造多源数据模型耦合构建技术，采用多源数据融合、实体模型耦合和构建模式耦合3个层次的耦合策略，将多源异构地质数据进行有效融合集成为矿井导水构造多源数据融合实体模型(图1)。

为提高多源数据融合的准确率，综合现有三维建模理论研究和应用开发的实际情况，在充分考虑数据来源的多源性、复杂性等特点前提下，笔者根据Heristrand提出的数据融合分布式结构理论模型[16]，探索出将水文地质勘探多源数据融合为三维地质实体模型的构建方法。所提出的构建方法如图2所示，分为以下4个步骤：

①多源异构地质数据标准化预处理。将地质测绘、钻探工程、三维地震、电法勘探等多源多尺度的原始数据进行同一性识别，按照统一的格式标准处理，非三维数据增加高程值，上升为三维数据，同时开展数据筛查，剔除噪声和不可信数据，为下一步跟踪与分类奠定基础。

②跟踪与分类。基于三维地质体的空间分布特征，将数据按功能进行划分，概括为地质模型数据与属性模型数据。其中，地质模型数据[18]，如空间坐标，顺次进入数据配准环节；属性模型数据，如岩石类型、岩石性质等则按逻辑关系，进入关联与融合环节，进一步刻画形成包含空间拓扑关系的耦合实体模型。

图1 矿井导水构造多源数据融合实体模型耦合策略

图2 矿井导水构造多源数据融合实体模型构建流程

③数据配准。地质模型的数据虽来源于同一构建目标，却是在各自的参考框架内探查获取到的，在数据配准环节，将所有数据统一到地理坐标系，消除异构数据在测量维度上的不匹配，在最大程度上降低数据不一致性。

④关联与融合。针对三维地质实体对象的空间几何形态和实体对象间的关系，形成有限个目标元素的源模型。在同一参考系下，将源模型进行空间耦合，按照模型与属性间的匹配关系，加载对应属性，得到含有全部地质特征的耦合实体模型。

为后续应用，耦合实体模型通过人机接口(转换平台)转换为计算模型，将属性特征与三维空间几何元素，导入数值模拟FLAC3D软件中，并同时划分有限元网格，实现导水构造数值模拟建模和计算分析应用。

2 矿井导水构造精细模型构建方法

水害防治工作经常遇到的导水构造有含导水断层、岩溶陷落柱、破碎岩体含水带等。陷落柱由于其复杂的地质构造特征，是三维建模领域长期以来的一大难题。目前，国内外学者通过地震勘探正演模拟对陷落柱进行大量探讨，但较少对陷落柱内部岩层结构进行精细刻画。为进一步研究陷落柱精细模型，笔者从建模精度概念对陷落柱精细导水构造模型进行分类。

由于建模数据来源相对较广泛，耦合实体模型模拟的区域一般为矿区(100 km)级别的地质范围，所对应解决的地质问题相对笼统[19]，即在给定的边界内构建基本导水构造模型，笔者将其称为之“广域概略模型”，如图3—图5所示。

图3 塔山煤矿矿区广域概略地层模型

1—地形及地层模型；2—陷落柱模型

1—地形及地层模型；2—陷落柱模型

矿井精细导水构造模型，借助于“广域概略模型”，在空间尺度上对构建目标进行详尽的表达，比一般耦合实体模型更逼近于真实地质构造，模拟区域一般为工作面(km)级别，所对应解决的地质问题是对于煤矿具体工作面水害防治工程的预测与优化(图6)。

在陷落柱精细模型中，笔者着重刻画陷落柱外部空间形态与陷落柱内部空间结构，借助SURPAC提供的实体模型工具，在广域概略模型基础上，对真实陷落的煤层和破碎垮落带范围进行计算，剪切不符合实际的煤层平面，重新构建陷落侧面模型和垮落带平面模型，组合形成陷落柱内部整体陷落但仍连续的厚煤层模型，以及已破碎垮落到奥陶系灰岩上顶界面部分完整的薄煤层模型。

然后利用SURPAC块体模型工具，将陷落柱的属性数据按照地层逻辑关系与地质模型耦合，得到包含空间拓扑关系的陷落柱精细耦合实体模型(图7)，为后续实现导水构造数值模拟建模和计算分析应用打下良好基础。

1—地形及地层模型；2—陷落柱精细模型；3—厚煤层；4—薄煤层

图7 塔山煤矿陷落柱精细模型

2018年5月国家煤矿安全监察局印发《煤矿防治水细则》[1]，细则第四十一条明确要求工作面回采前应当查清采煤工作面及周边老空水、含水层富水性和断层、陷落柱含(导)水性等情况，意味着防治水工作由过程治理为主向源头预防为主转变，因此，导水构造精细空间属性模型，是进一步揭示导水构造发育特征与富水性的桥梁，也是多平台复杂地质模型耦合的最终成果。

3 SURPAC-FLAC3D模型转换平台开发

3.1 SURPAC和FLAC3D模型转换原理

矿井导水构造三维精细模型的优势在于能完整地描述导水构造空间结构、几何形态与空间边界。若通过转换平台可让具备强大力学计算功能的FLAC3D直接继承三维精细模型的数据，对分析存在导水构造时采矿过程中的力学仿真提供前提必要条件。

笔者在三维精细耦合实体模型基础上利用SURPAC软件进一步构建块体模型，研究SURPAC块体模型单元与FLAC3D中网格单元的相互对应关系与数据结构的差别，为研发SURPAC-FLAC3D转换数据平台提供理论基础。

FLAC3D网格单元存储的是单元8个节点(0—7)的三维坐标和单元分组(图8a)，SURPAC块体模型构成单元为八节点六面体(图8b)，存储的是矩形体质心的地理坐标P(0,0,0)及各边边长1,2,3和单元属性[20]。FLAC3D网格单元节点坐标与SURPAC单元质心坐标的对应关系为：

同理，可得到3—7各点的空间节点坐标，由此可进行SURPAC和FLAC3D的数据转换。

图8 FLAC3D与SURPAC几何数据特征

由于FLAC3D的体元模型采用三维栅格结构(图9a)，将研究对象按一定规则划分成一系列大小相等的体元，每个体元所含的属性元素、含量等可以不同。SURPAC的体元模型采用八叉树结构(图9b)，将研究对象按照属性类型划分为8个体元，若属性一致，立方体停止分解，若属性不均一，递归判断后继续分解为8个体元，直至体元属性达到均质或达到预先设定的最小尺寸为止[21]。

图9 FLAC3D与SURPAC数据结构特征

八叉树数据结构的优势在于可满足复杂精细块体模型的外部形态构建要求，且数据存储空间较小，但失去三维栅格模型的规则性，数据查询效率较低。为克服八叉树数据结构对转换数据带来的不利影响，笔者在研发SURPAC和FLAC3D转换平台时对网格划分参数进行统一修正，将在块体模型存贮的属性数据，如三维方向的尺寸、方向和倾角及矿岩的类型和物理力学参数等，通过对应关系式转换为FLAC3D所能够识别的3—7端点的几何数据，从而实现将SURPAC中所有单元的信息转换为FLAC3D单元信息。具体流程(图10)总结如下。

图10 SURPAC与FLAC3D转换平台工作流程图

将SURPAC单元质心的坐标、属性等数据信息导出为块体质心的.csv或.txt格式文件，按照对应关系，通过转换平台转换为FLAC3D能够识别的几何数据，利用FLAC3D中“CALL”命令建立模型的几何与应力边界条件、物理力学参数、物理特征关系与外荷载。模型建立后，在后续计算中通过“restoret”命令进行调用，开展数值计算，根据SURPAC建模中的单元信息，利用FLAC3D中的命令流构建Brick单元模型，并将网格在//三个方向均划分为1，从而实现三维精细模型的灵活继承。

3.2 SURPAC-FLAC3D模型转换平台开发

3.2.1 系统开发语言

在模型转换原理的基础上，基于Surpac软件平台，采用JAVA语言和TCL语言开发了SURPAC-FLAC3D模型转换平台，实现将SURPAC中建立的导水构造模型转换为FLAC3D计算模型，为融合含有导水构造的采煤工作面水文地质数值模拟计算提供平台支撑[22-23]。

3.2.2 系统架构与设计

系统采用完全分布式架构，数据转换任务由多个服务器形成的分布式集群共同协作完成，将Manager、Worker、协同模块、日志数据库等模块可分别部署在多台服务器上，实现强大的计算能力，在并行计算、数据吞吐量、转换效率、系统稳定性等方面提高性能，并可通过增加服务器节点水平扩展，支持百万级甚至千万级大型地质建模数据转换的需求。

用户可通过浏览器访问Manager节点地址，提交要转换的SURPAC数据文件，进行数据转换，本系统支持IE/Edge/FireFox/Chrome等主流浏览器。用户登陆系统界面(图11)，在首页输入正确的用户名、密码、验证码后即可进入转换系统。

图11 SURPAC-FLAC3D模型转换系统

3.2.3 系统应用情况

在SURPAC-FLAC3D模型转换系统中，提交SURPAC数据模型文件(表1)并执行转换操作，系统能快速完成SURPAC模型数据到FLAC3D数据的转换。系统完成数据转换后，输出的FLAC3D数据文件，见表2。

表1 SURPAC数据模型文件数据样例

4 应用实例

通过现场收集山西塔山煤矿水文地质勘探多源多尺度数据，构建多源数据融合实体耦合模型，如图12所示。

为其中的陷落柱精细实体模型(图13a)加载对应的地质属性数据，划分单位大小，合并同类型单元格，并对重要网格进行加密，得到陷落柱块体模型(图13b)。

表2 FLAC3D数据文件

1—地形；2—陷落柱模型； 3—断层；4—电法勘探富水区；5—巷道

利用SURPAC-FLAC3D模型转换系统对块体模型数据文件进行转换，生成可供FLAC3D读取的命令行批处理文件，输入FLAC3D软件得到包含5 976个单元的计算模型，如图14所示。

通过对比转换前后的模型，可以看到导入FLAC3D后的计算模型与SURPAC中的属性块体模型外部形状完全一致，证实转换系统已具备良好的适用性。

5 讨论与展望

矿井导水构造三维精细模型构建与转换技术伴随着大数据、云计算和人工智能等新兴科学技术革命的发展应运而生，可以广泛应用于以下3个方面：

a.地质保障领域 煤炭资源赋存地质条件精细勘查与三维建模是采前煤炭绿色开采地质保障的核心内容[24]，矿井导水构造三维精细模型构建与转换技术不但可以从三维空间里对导水构造空间特征进行精细刻画与描述，还可以揭示其与含煤地层、煤层之间的空间关系，耦合实体模型转换为块体属性计算模型为研究煤炭开采过程中的地质条件与应力场的变化奠定基础。

图14 陷落柱FLAC3D计算模型

b.智慧煤矿多源数据融合方向 采掘过程中获得的多源实时数据信息融合管理是实现精准地质信息系统的基础，也是智慧煤矿的核心技术攻关[25]，以数据融合分布式结构理论模型为根基的矿井导水构造多源数据融合实体模型构建方法在多源异构数据预处理、异构数据统一计算、数据接入与整合贯通等方面为实现“智慧矿山–透明矿井–透明工作面”提供技术支撑。

c.灾害治理方面 矿井导水构造三维精细模型构建与转换技术已在冀中能源白涧铁矿、同煤塔山煤矿等煤矿山陆续得到实际应用。系统构建了金属矿山勘探工程三维设计模型(图15)和导水构造注浆封堵工程三维设计模型，将钻探、物探、化探等多源、多尺度地质、水文地质勘探数据全面融合进设计模型中。作为实际工程中三维辅助动态设计工具，避免错误信息的干扰，提高了设计施工质量，同时节约了勘探成本、缩短了施工周期。

6 结论

a. 基于数据融合分布式结构理论，探索出将地质、水文地质多源勘探数据融合为三维地质实体模型的构建方法，通过多源异构地质数据标准化预处理、跟踪与分类、数据配准、关联与融合等4个关键步骤，构建得到矿井导水构造多源数据融合实体模型。

b. 在地质统计学研究的基础上，重新定义“广域概略模型”与“矿井精细导水构造模型”的基本概念，利用塔山煤矿陷落柱“广域概略模型”实例，实现陷落柱内部复杂的岩层结构的精细刻画，得到包含空间拓扑关系的陷落柱精细耦合实体模型，为后续实现导水构造数值模拟建模和计算分析应用打下良好基础。

c. 根据SURPAC和FLAC3D2种模型的属性和数据结构特点，提出了矿井导水构造SURPAC和FLAC3D模型转换方法，利用JAVA语言和TCL语言开发了SURPAC-FLAC3D模型转换系统，实现了导水构造实体耦合模型转换为FLAC3D计算模型的目标，为矿山地质条件精细勘查与融合构建、矿山水害精准预测与防治提供技术支撑。

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Construction and transformation technology of three-dimensional fine model of mine water diversion structure

FAN Juan1,2,3, HOU Enke1, JIN Dewu2,3, QIAO Wei2,3, NAN Shenghui2,3

(1. College of Geology and Environment, Xi’an University of Science and Technology, Xi’an 710054, China; 2. Xi’an Research Institute Co. Ltd., China Coal Technology and Engineering Group Corp., Xi’an 710077, China; 3. Shaanxi Key Laboratory of Coal Mine Water Hazard Prevention and Control Technology, Xi’an 710077, China)

In order to solve the technical problems of fine depiction of mine water structures and flexible inheritance of 3D geological models, such as the lack of fine depiction of internal rock structure of trapped columns and inaccurate fusion of multi-source data, the research on the construction method of multi-source data fusion solid model of mine water guide structures, the fine model construction process and the development of model conversion system was carried out. Based on the theory of data fusion distributed structure, the three-level coupling strategy of geological data coupling, entity model coupling and construction model coupling was adopted to establish a set of construction methods for fusion of multi-source data of hydrogeological exploration into three-dimensional geological entity model. Through the four key steps of standardized preprocessing of multi-source heterogeneous geological data, tracking and classification, data registration, correlation and fusion, a solid model of multi-source data fusion of mine water-conducting structure was constructed. On the basis of geostatistical research, the basic concepts of “mine fine hydraulic structure model” and “wide area generalization model” were proposed, and the wide area conceptual model and fine model of the trapped column were constructed, taking the trapped column as an example. According to the properties and data structure characteristics of the two 3D models of SURPAC and FLAC3D, the conversion method between SURPAC and FLAC3Dmodels of mine hydraulic structures was proposed. Developed the SURPAC-FLAC3Dmodel conversion system using JAVA and TCL languages, which supports local, network operation and remote control of multiple machines for multiple users simultaneously. The system finally achieved the goal of converting the coupled model of water-guiding tectonic entities into the FLAC3Dcomputational model, which provides technical support for fine investigation and fusion construction of mine geological conditions and accurate prediction and prevention of mine water damage.

multi-source data fusion; characterization of water diversion structure; fine model construction method; model transformation technology

请听作者语音介绍创新技术成果等信息，欢迎与作者进行交流

TU457

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2020.06.025

1001-1986(2020)06-0186-09

2020-05-07；

2020-11-09

国家重点研发计划项目(2017YFC0804100)；中煤科工集团西安研究院有限公司科技创新基金项目(2015XAYMS20)

National Key R&D Program of China(2017YFC0804100)；Science and Technology Innovation Fund of Xi’an Research Institute of CCTEG(2015XAYMS20)

樊娟，1983年生，女，山西临汾人，博士研究生，从事煤矿水害防治工作. E-mail：fanjuan@cctegxian.com

侯恩科，1963年生，男，陕西扶风人，教授，博士生导师，从事煤田地质与矿井地质、矿井水害防治方面的教学与科研工作. E-mail：houek@xust.edu.cn

樊娟，侯恩科，靳德武，等. 矿井导水构造三维精细模型构建与转换技术[J]. 煤田地质与勘探，2020，48(6)：186–194.

FAN Juan，HOU Enke，JIN Dewu，et al. Construction and transformation technology of three-dimensional fine model of mine water diversion structure[J]. Coal Geology & Exploration，2020，48(6)：186–194.

(责任编辑 周建军)