煤矿三维地质与巷道建模方法研究及应用

贾庆仁

国防科技大学电子科学学院，湖南 长沙 410073

煤层地质空间三维建模及空间分析方法的研究已成为助力数字矿山、智能矿山建设与发展的研究热点。论文将煤层与对其开采过程中常涉及的自然实体(如地层、断层)、人工实体(如巷道)等多种类型的三维实体及其所占有的三维空间定义为煤层地质空间。三维地质建模技术可以构建科学的地质空间的几何及拓扑，为地下资源分布与工程构筑物的直观可视化和资源开发决策提供保障。

煤层地质空间三维建模技术的关键问题是如何将从煤矿地质、勘探、测量等工作中获得的离散数据准确地映射为三维结构化的几何模型。针对上述问题与挑战，论文开展的研究和取得的进展主要包括：

(1) 分析了煤层地质空间典型数据的类别和特征。对煤矿环境下通过不同技术手段获取到的数据进行了分类，给出从多源数据中提取所需煤层地质空间离散数据的预处理方法，并为数据存储和程序开发设计了数据结构。

(2) 研究提出了针对煤层异质异构数据的空间插值方法。①针对各向异性、非均匀地质离散点插值问题，结合各向异性变换和空间多尺度处理的方法，提出了各向异性多尺度紧支撑径向基函数插值方法。该方法比距离反比插值、普通克里金插值方法更高效，且精度更高。②针对煤层异构数据(地质离散点和断煤交线)的插值，提出了一种CD-TIN(constrained delaunay triangular irregular network)约束的克里金方法，该方法以断煤交线为线性约束与离散地质点结合构建CD-TIN来约束克里金邻域搜索过程，再通过插值完成含断层地层三维建模。与几种现有的插值方法对比，该方法具有较高的时间效率，在断层影响域内有更好的插值精度。

(3) 提出了针对煤矿单一地层和跨地层断层的建模方法。①针对单一地层格网上的断层建模，提出了一种基于位移向量插值的断层建模方法。该方法通过插值断煤交线上的断层位移向量，能更准确地在地层上构建正、逆断层和相交断层。②针对单一地层上侧翼结构的建模需求，引入定义在离散地层网格上标量场、梯度场及散度，然后通过调整断煤交线与地层的接触角度、插值断煤交线上的空间变换参数来控制梯度参数在地层格网上的传播，最后根据网格上的场求解泊松方程，更新断层结构，完成断层精细侧翼结构的重建。③针对跨地层的断层的三维重建需求，基于参数化方法构建断层局部参考坐标系，然后在此坐标系内为所有相交地层计算断层位移。该方法能在统一的空间参考体系下为跨地层的断层建模，提高建模效率和模型的可解释性。

(4) 提出了针对复杂巷道的组件式建模方法。该方法首先定义了巷道基本组件及其三维建模方法，然后通过深度优先遍历巷道中心线双向图自动生成巷道双边线和基本组件区域，最后对基本组件分别建模以实现巷道网络三维模型构建。该方法解决了从巷道中心线网络到复杂巷道(曲线巷道、相交巷道)的无缝建模问题，并且在实践中建模时间随着巷道中心线数的增长呈线性增长，稳定性较好。

(5) 研发了针对煤矿生产运营的三维建模与应用软件模块。根据笔者提出的煤层地质空间三维建模方法，采用面向对象的程序设计与计算机可视化技术，开发了煤层地质空间三维建模与应用软件模块。论文介绍了软件的架构设计、用户界面、功能设计与应用模块。结合在唐山市钱家营煤矿收集的实际数据，从矿区和综采工作面两个尺度详细介绍了煤层地质空间三维建模、模型更新和基于模型的统计应用实例，并给出了针对煤矿具体应用场景设计的基于三维模型的工作面采煤量统计、矿井涌水量、采空区积水计算和虚拟钻孔设计等潜在应用。