三维地质建模技术及其在煤田构造中的应用

煤炭地质勘查的研究对象、勘探方法、数据资料在空间上都是三维的,适合于采用三维地质建模技术进行管理。根据三维地质建模与煤炭地质勘查是否同时,可将煤炭地质勘探三维地质建模分为两类,一类为勘探工作中,主要以钻孔数据为主,用于制作三维地质模型的原型,生成煤层底板等高线、剖面图草图,供地质工程师进一步加工,构建精细的三维地质模型;另一类为勘探工作后,即以已经做好的煤层底板等高线图、剖面图为主要数据源,构建精细的三维地质模型。精细的三维地质模型可用于煤矿设计、数字矿山建设。三维地质建模技术的应用有利于煤炭地质构造的研究,主要表现在:第一,可对地面、钻探、物探、化探多种手段获得的探测资料进行集成与同化处理,提高信息空间的一致性;第二,地质构造要素表达具有直观性与三维立体性,如断层的表达,其在三维环境中不仅可表达为一个面,并且能清晰反映断层与地层、以及断层与断层之间的相互切割关系,弥补了平、剖面图上仅表现为一条断层线的不足;第三,可平、剖面三维联动编辑,很好地保证平面图与剖面图的空间一致性;第四,可以在剖面上以画草图的方式确定剖面上煤层对比与断层切割方案。     

“平、剖面三维联动编辑”的实现途径

基于对平、剖面三维联动编辑的概念、动因的探讨及相关研究成果的认识,提出了平、剖面三维联动编辑的几何原理与实现途径,如:地质曲面的表达、基于等高线的曲面构建、剖面图的构建、以及平面图与剖面图的联动修改方法。并对三维地质建模的需求、矿产资源勘探应提交的三维地质模型、三维地质建模的数据标准以及广义的三维联动编辑等问题进行了延伸讨论。认为平、剖面三维联动编辑可能成为三维建模软件推广应用中的"杀手级应用"。     

基于线框架模型的三维地质断层结构模型及其构建技术

基于地质断层构造的特点,文中提出了一种适合三维断层模拟的数据模型——线框架模型,并基于该数据模型详细描述三维断层结构模型的构建方法,实现了从层面结构的地质模型向块体结构的地质模型进行自动转换的关键算法。线框架模型以方向线框架来表达地质模型的骨架,以方向TIN网来表达地质模型的血肉,具备地质断层结构模型所要表达的各种几何元素与拓扑关系。基于线框架模型的三维地质断层构模技术将地质界面之间的交切在地质界面三角网形成之前就进行处理,将面与面之间的切割操作简化为线与线之间的操作,这种方法不仅能有效地减轻断层地质体构模的复杂程度,而且可以将线与线之间的交线作为地质界面三角网构建时的约束边,从而有效地保证了地质界面之间交切关系的正确性。     

地质曲面“三维联动编辑”的一种实现方法

为提高地质曲面建模的精确度和合理性,完善三维地质建模软件的平、剖面三维联动编辑功能,针对"地质工程师三维助手"建模软件中构建的不规则三角网模型,提出了三角网交换边算法,并在此软件中编码实现并验证了此算法的可行性。结果显示:三角网交换边算法在编辑二维和三维三角网的同时,能够联动编辑对应的等高线平面图和剖面图,并自动更新三角网的拓扑关系。      

基于子面模板库的第四纪三维地质模型快速构建

为了实现第四纪地质三维地质模型的快速半自动构建,利用地表地形图、第四系分区图、钻孔、剖面等第四系相关数据源,按照第四系具有的严格自上而下的标准层序,依次计算每一地层的地层分区.将所有地层分区图在一张平面图上进行叠加分析,得到平面分区求交后的碎小多边形集合即地层二维子面模板库.从二维子面模板库中提取各个地层所包含的子面,并利用钻孔、剖面上相应地层的高程样本数据插值得到地层的三维顶面和底面模型,进行拓扑处理建立三维地质模型.该方法完全参照第四系三维地质填图工作的基本流程,引入二维子面模板库的概念,通过将三维地层面构建分解为地层平面分布各子区域构建和地层子面高程计算两个部分,将三维建模过程中大量计算工作转化到二维平面中完成,在保证三维地质模型精度的前提下,大大提高了建模的效率.      

掘进工作面前方煤层底板高程动态预测的试验研究

快速掘进急需构建掘进前方高精度二维地质模型。以沁水煤田某矿区XY-S工作面为例,基于三维地震解释成果,利用巷道掘进过程中煤层底板高程实测信息,动态刷新三维地震平均速度场,更新掘进前方煤层底板高程,最后对掘进前方预测的精度进行统计分析。结果表明:通过不断利用掘进实测煤层底板高程,刷新平均速度场,更新掘进前方煤层底板地质剖面,掘进前方煤层底板剖面与实际揭露剖面之间误差逐渐越小,实测点前方25 m和50 m范围的煤层底板高程最小绝对误差可达0.2 m和0.45 m。若实测点数据密度大、分布均匀,预测精度将会进一步得到提高,可为快速掘进提供高精度煤层底板导航数据。      

煤田地震勘探中断层产状的确定方法

在分析断煤交线与断层面走向线之间关系的基础上，详细讨论了由煤层底板等高线图，定量描述断层产状（即走向、真倾向和真倾角）的方法。     

东胜煤田北部地段3D煤层模型的动态构建及不确定性评估

以内蒙古东胜煤田北部艾来五库沟-台吉召地段勘查区为例,针对三维地质建模方法在多源多类地质数据应用、动态建模及建模结果不确定性评估等方面存在的不足进行研究,并实现了煤层三维建模.煤层三维建模要领是:先按照数据的内在逻辑关系和几何结构两个层次进行数据融合处理,将钻孔、剖面及断层等数据转化为形式简单、结构一致的离散化样品数据;再以这些数据和各类边界线为基础,通过距离幂次反比(inverse distance weighting,IDW)法插值得到煤层顶底板高程,并结合这些属性值和TIN(triangulated irregular network)剖分技术动态生成煤层结构模型;然后利用一个与煤层顶底板高程估值结果相对应的算子——插值方差,完成对煤层模型的局部不确定性评估.详细讨论了煤层三维建模的整体流程并基于三维地学信息系统平台QuantyView加以实现.实际应用结果表明,所提方法具有显著的实际应用价值.      

多源地质数据综合三维建模及地质学分析——以青海木里三露天勘探区为例

常规的二维地质图件难以直观地表达煤炭资源的三维空间展布。基于青海木里三露天勘探区的钻孔数据、二维平面地形地质图、煤层底板等高线和地质勘探剖面图,对该地区地形、煤层底板和断层的三维空间形态及温度场进行了重构。三维重建结果清晰明确地展示了三露天勘探区煤层的形态特征、各个沉积旋回的聚煤范围和强度、构造轮廓特征以及地下地温特征等。结果表明,基于多源地质数据的三维可视化技术可直观形象地反映煤层等地质体的形态和属性特征,可有效地分析复杂断层在地质历史中产生的先后顺序及古构造应力场特征。使用三维建模技术重构地质体对沉积构造及地质体属性特征分析是一种行之有效的手段。      

来自煤矿设计单位的信息——希望地质资料计算机化

笔者最近从兰州、太原、北京等煤矿设计研究院了解到他们希望煤田地质勘探单位所提供的某些地质资料能计算机化。具体地说,就是在近期能提供煤层底板等高线(储量计算)图、勘探线剖面图的CAD绘图交换文件的计算机软盘,更长远的要求是提供勘探区地质体立体模型的计算机软盘或磁带。传统的煤矿设计是用煤层底板等高线(储量计算)图并参照勘探线剖面图以手工方式绘制设计图件。现在,随着计算机性能不断提高和成本的迅速降     

利用Delaunay三角网插值煤层零点线的方法研究

煤层零点线在煤田地质三维建模、编制煤层底板等高线图、等厚线图时都承担着很重要的角色。根据Delaunay三角网的两个特性及与人工产生零点线方法的差异,介绍了基于Delaunay三角形面积求零点的方法。本方法能有效克服手工确定零点连线方法产生的易出错及丢线难题,方法简单实用,易于操作,在计算机制图时可自动生成结果,快速准确。     

基于MapGIS-K9软件的城市三维地质建模方法探讨——以武汉市为例

随着我国城市化的快速发展,城市地上地下一体化规划和建设的需求逐渐增大,城市三维地质建模的作用日益重要。以武汉市为例,针对该城市地质条件复杂的情况,运用一种分区交互式建模方法。该方法通过地层剖面数据与水平方向的中断面或地质图所形成的网格作为最小单位,结合断层等特殊地质情况,手动构建地质体,并最终完成整个区域的三维地质模型建立。论文罗列了在模型建立过程中出现的问题,并给出了具体建议。所建三维地质模型已通过野外验证,表明本方法能够很好地应用于城市三维地质建模。     

基于规则网格的复杂断层网络处理与建模

断层建模是三维地质结构建模中的主要过程之一。断层面建模过程中需要根据断层间的空间接触或者切割关系进行几何曲面的裁剪,目前方法利用三角网求交算法进行曲面裁剪,但是该算法处理复杂断层面切割关系时往往不稳定。笔者等提出了基于规则网格的复杂断层网络处理与自动化建模的方法和流程,详细讨论了基于网格化的断层网络模型形式化理论表达、建模流程中的断层网络空间关系构建以及相交裁剪处理算法等核心步骤。利用测试数据和煤矿三维地震构造解释数据进行了验证,表明该方法可以有效处理多条互相切割、主辅关系复杂的断层网络,具有较好的算法稳定性;与SKUA—GOCAD断层建模方法对比,能够减少交互过程,提高断层建模的自动化程度。     

三维地质建模过程中综合地质剖面构建方法研究

综合地质剖面是三维地质建模重要的数据源,在地质构造复杂地区运用综合地质剖面构建三维地质模型的方法应用较为广泛。本文以成都市为例,详细介绍了综合地质剖面构建需要准备的地质资料、剖面的部署原则和构建方法,并解决了剖面构建过程中遇到的同时代、同层位的不同地层之间的连接问题。实践表明,通过综合地质剖面的构建,可以充分发挥地质技术人员在三维地质建模中的主观能动性,准确刻画复杂地质体在三维空间的展布情况,有效实现复杂地质体交互式半自动建模,提高三维地质建模的效率和精准度。     

基于航磁数据的三维地质建模研究

随着浅地表矿床发现的难度增大,资源勘查深度增加,三维建模技术在深部找矿中作用更加突出。三维地质模型的精确程度直接决定了对地质背景及成矿条件的认知程度,为此提出了一套基于航磁资料处理与三维可视化相结合的三维地质建模技术。对研究区选取适当剖面进行二维反演,获得各剖面地质模型。通过剖面相连法构建各地质单元的三维地质模型后,引入起伏地形三维块体磁场正演技术,对构建的三维初始模型正演计算,从而获取全区三维地质模型及各地质单元的航磁异常理论响应。与实测结果对比分析后,合理添加地质约束条件,重新修正模型,使得构建的模型最大程度接近实际情况,这样模型既能很好地反映地质信息,又能满足观测场与理论场的拟合误差最小,最大限度发挥地质学家的经验和对区域地质的理解。利用主块体和次级块体思想对地质体进行剖分建模,在保证模型精度的同时,减少总的模型块体个数,大幅提高模型正演运算速度,有效解决三维反演建模方法在建模过程中对模型复杂度和规模的限制,可方便构建形态复杂、不同规模的三维地质模型。并将该方法应用于湖北大冶铁矿区,构建大冶铁矿研究区三维地质模型,验证了该方法的可行性及合理性。     

用似倾斜投影法绘制钻孔弯曲校正图

在钻探过程中,由于地质或钻探技术方面的原因,常会产生钻孔弯曲。为了保证地质资料的可靠性,必须对孔斜进行校正,计算出见煤点、构造点的三度空间位置。将钻孔中心轴线的实际位置投影到所在或附近的勘探线剖面图上,以获得各点在剖面图上的准确位置,从而绘制出比较符合实际的勘探线剖面图,作为绘制煤层底板等高线图及储量计算图的基础图件。因此,如何选择正确的投影方法,使其效果尽量符合地质体的客观状况,对于提高地质报告的质量具有实际的意义。      

异源点集下三维断层建模方法

用于断层建模的异源点集,因其具有不同特征而影响到建模途径和方法。以三维断层模型的3D GIS应用为目标,分析了原始地质观测点集、钻孔点集、剖面点集和平面点集的信息构成特征,提出了异源点集下三维断层数据模型的构建方法和流程。原始地质观测点集和钻孔点集间接表达了断层的空间特征,通过空间平面、曲面和曲线构建了断层面、地层面和断层交线的数学模型,并借助于连续模型的离散化,实现了独立断层建模点集的重建;剖面点集和平面点集可直接用于断层建模。以双TIN面模型为例阐述了断层三维模型的构建方法。      

分块区域三维地质建模方法

区域三维地质建模是区域三维地质调查的关键。在大量反复实践的基础上,提出了分块三维地质建模方法,该方法的主要步骤为：以断裂、岩体边界和不整合等为边界,把复杂的三维地质建模区域分解为内部构造相对简单的建模块或建模地质单元;分别对各建模块进行地质地球物理综合研究,编制深部地质剖面,揭示深部地质结构;采用基于剖面的建模方法按照全区统一的坐标系统构建三维地质模型;在完成全区所有建模块三维地质模型构建之后,把各个建模块的三维地质模型集成在统一的三维空间框架下,形成全区的三维地质模型。该方法具有能够简化三维地质建模过程、易于修改完善模型、易于集成模型等优势,能够克服常规的基于剖面的三维地质建模方法中存在的问题,突破了大规模区域三维地质建模的瓶颈。在本溪-临江深部地质调查中的应用表明,采用该方法可以有效构建研究区的三维地质模型,并能充分表达复杂的地下深部地质结构,为开展复杂地区大规模区域三维地质建模提供了一个重要途径。     

多源数据三维地质结构模型约束的属性建模方法：以北京市通州城市副中心为例

支持多源异构数据的三维地质建模方法一直是三维地质建模研究的重点和难点之一。本文以北京市通州城市副中心工程地质勘察为例,设计了一种多源数据三维地质模型自动建模方法。该方法首先在数据预处理阶段,利用剖面、地震剖面解译及等值面(线)等数据生成虚拟钻孔,从而将异构的多源数据统一转换成同构的虚拟钻孔数据,然后利用钻孔和虚拟钻孔实现三维地质结构的自动化建模;根据已构建的三维地质结构创建属性模型结构约束,采用六面体网格或四面体的单元结构构建属性模型网格;属性模型网格中的每个属性块通过三维空间插值方法进行属性赋值,然后将属性变化映射为颜色变化,建立了相应的三维地质属性模型,实现了多源数据三维地质结构模型约束的属性建模。该方法已经应用在工程地质勘察和城市地下空间开发等领域,通过使用多源异构的建模数据,使构建的三维地质模型更加完善,有助于三维地质模型的推广和应用。     

非拓扑一致性三维地质块体建模算法研究

三维块状地质建模方法是一种重要的地质建模方法,被广泛应用于多种主流地质建模软件中。三维块体追踪技术是块状地质建模最为核心的技术之一,现有的块体追踪技术都基于模型的交线拓扑结构,当曲面模型在交线处存在一定拓扑错误,或者存在漏缝或交越现象时,将无法自动建立正确的块体模型。为此这里研究了一种完全不依赖模型交线拓扑结构的非拓扑一致性三维块体建模算法,该算法仅根据曲面模型自身形态进行块体构建,利用视觉观察技术自动追踪块体边界三角网,大幅降低了对曲面模型的要求,提高了块状建模的成功率和效率。