基于GMS的某关闭矿井三维地层模型的建立

赵晗博

(1.中煤科工生态环境科技有限公司，北京 100013； 2.天地科技股份有限公司生态科技事业部，北京 100013)

1 研究区概况

井田位于济东煤田(章丘煤田)的中南部，矿区东北距章丘市区11 km，西距济南市50 km，东距淄博市(张店)80 km，行政区划属山东省章丘市。井田范围，东以文祖断层(F13)为界，西以亭山断层(F1)为界，南北均以采矿许可证批准的范围为界。极值地理坐标为东经117°24′27″～117°30′59″、北纬36°34′55″～36°42′23″。经过四十余年的开采，井田范围内1、3煤层探明的可采储量接近枯竭，并于2015年9月30日闭坑。项目区下方及附近主要开采1煤、3煤和9-1煤层，开采方法采用上、下山单翼或双翼采区、单一工作面布置方式，走向长壁后退式采煤方法[1]。回采方式为高档普采，村庄下压煤、承压水体上采用条带开采和穿采(村庄保护煤柱范围内)，回采工作面采用单体支柱配合铰接顶梁支护，全部陷落法管理顶板。

2 建模软件的选用

三维地质建模是关于三维空间数据组织的概念和方法，反映了自然界空间实体的几何形态及实体间的相互关系，是很多相关领域研究的热点和难点。目前国内外应用比较多的三维地质建模软件有GMS、Surpac Vision、3D Mine Plus、Go CAD等。

2.1 GMS软件简介

GMS(Groundwater Modeling System)是一种综合性的图形界面软件，集多种模块于一体，能够从钻孔到地层结构、从平面到空间、从单元到系统的综合性、系统性、全面性的软件，不仅能实现地质结构体的可视化，还具有地下水模拟、地下水溶质运移模拟的功能。

2.2 GMS软件的优点

(1)录入信息方便。GMS软件可实现图片、CAD文件及excel表格文件的直接导入，与GIS、CAD、CorelDRAW软件实现无缝对接，利于地信工作者的便捷工作。

(2)三维可视化。在建立地质数据库的基础上，GMS软件可以对三维地质体任意剖面进行切割剖分，直观表达剖面地质情况，便于检验勘察成果。

(3)与地下水模块相结合。众所周知，地下水是地质研究的重要组成部分，GMS软件可以实现地下水资源量预测和地下水溶质运移模拟以及地下水环境研究。在三维地质建模的基础上结合该研究区地下水的研究成果，将使得模型更具有参考性和实用性。

(4)概念模型(Conceptual Models)方法，是GMS软件建立三维地质模型最有效的手段。通过这种方法，一个概念模型可以通过GIS要素(点——points、弧线——arcs、多边形——polygons)和高程数据(立体——solid、散点——scatter points、钻孔——borehole)建立。概念模型建立后，可以通过转换工具将概念模型数据转化到grid的单元格。而大多数地质建模软件只能通过grid的方法来建立模型。

3 三维建模的总体思路

为了在现有勘察成果基础上粗略立体展示项目区地质与采空区分布情况，选用GMS软件建立项目区三维可视化立体模型。

分两步开展三维建模工作：

第一步，在收集前人所做的井田现有勘察成果的基础上，通过地质剖面、地质构造、地质报告以及相关的成果报告等的地层数据人工分解录入，建立三维可视化模型，立体展示井田地质体情况与断层分布情况；

第二步，在采空区综合勘察实施过程中，依据新的钻探和综合物探成果形成地质资料数据库，及时对三维模型进行补充完善，形成项目区地质体与采空区综合勘察成果的管理数据库，构建三维可视化模型，多角度立体展示项目区地质和采空区分布情况。

4 利用GMS建模

4.1 资料准备

构建三维可视化地质模型需要的资料较多，包括三维地层参数、煤层空间分布参数、断层等构造三维产状参数等。本次所收集的资料主要是近5年前人钻探和物探的工作量形成的成果，收集的资料有：项目区勘探线地质剖面图、钻孔信息统计表、煤层采掘工程平面图、井田地基稳定性评价报告，等。经整理，6条地质勘探线分别是西2勘探线、西3勘探线、西4勘探线、西5勘探线、西6勘探线、西7勘探线，共布设原始钻孔24个。

4.2 圈定研究区范围

进行三维建模的第一步是圈定研究区范围。一般建立的研究区范围多为矩形或者多边形，相比于圆形，矩形的可视化效果更好。圈定范围步骤：第一，将纸质底图扫描为CAD所支持的格式的文件，在CAD里面对底图进行配准，赋予自定义坐标系。在CAD中提取矿区边界文件，将文件导入图新地球中，选择合适的投影带使得矿区边界文件显示在地图影像中，截取图像导出为tiff文件。第二，打开GMS软件，导入井田底图tiff文件，选择Map模块，点击new coverage建立边界文件，用直线工具对底图进行矢量化，研究区范围就圈定完毕。

4.3 建立钻孔数据库

录入钻孔数据有两种方法，一种是选择Borehole模块中的borehole(钻孔)，直接在模块中输入钻孔数据(包括坐标、标高、地层数据等)，另一种是将钻孔信息整理成Excel表格，导入GMS中生成单个钻孔。本次建立数据库选用后一种方法。

建立煤层钻孔情况表，包括钻孔编号和坐标、煤层顶底板标高、地层编号、岩性编号等，首先整理好已有的钻孔编号信息和平面坐标信息，其次对照井田勘探线剖面图对单个钻孔进行地质分层并编号，地质分层分为第四系、二叠系上统、二叠系下统、石炭系、奥陶系、1#煤、3#煤、9#煤等钻孔分层。

导入钻孔信息表之后软件自动生成每个钻孔，利用钻孔编辑器对钻孔数据进行编辑，自上而下编排层与层接触面ID，设置每个地层所对应的颜色。图例中Q表示第四系、P2表示二叠系上统、P1表示二叠系下统、C表示石炭系、O表示奥陶系(见图1)，回到主界面中，便可看到每个钻孔的三维立体形状。

图1 钻孔编辑器

4.4 形成剖面

选择Boreholes模块中的Auto-fill blank cross sections来自动生成剖面。以ZK82和ZK68所切剖面为例，经与西4勘探线剖面图的岩层情况进行对比，结果基本吻合，证明所形成的地层模型符合要求。然后通过Horizon Solid命令，把钻孔数据转变成Solid立体模型[2]，这就是地层结构模型(见图2)。

图2 建立三维地质模型

4.5 三维地质模型标注

各煤层采空区位置根据项目区1、3、9煤层采掘工程平面图及资源储量图标注。初步建立的三维地质模型还展示了项目区范围、工业广场煤柱、道路、勘探线编号等信息。项目区内落差较大的断层为F7和F8，最大落差均达到了40 m，属于项目区的最大断层。

5 结论与不足

(1)资料收集不足。现有的采空区和地质资料存在不真实、不完整、不详实的情况，导致建立的三维地质模型不够完善，仅能为后期的设计和勘察提供一定的参考。因采空区本身有其特殊性，所以只重点针对采空区、覆岩及围岩勘察，而没有对整个区域的地质体勘察；打钻过程中，易出现掉钻、卡钻、钻孔报废等现象，需要特殊钻探工艺；需要专业人员对采空区裂隙带及垮落带高度进行判定。

(2)GMS软件语言支持不足。图件中的图例不能显示中文，模型工程文件不能用中文名，否则每次重新打开工程文件的时候出现“could not open namefile”错误，使得模拟文件丢失，影响工作进度。