礦井導(dǎo)水構(gòu)造三維精細模型構(gòu)建與轉(zhuǎn)換技術(shù)

樊 娟，侯恩科，靳德武，喬 偉，南生輝

礦井導(dǎo)水構(gòu)造三維精細模型構(gòu)建與轉(zhuǎn)換技術(shù)

樊 娟1,2,3，侯恩科1，靳德武2,3，喬 偉2,3，南生輝2,3

1. 西安科技大學 地質(zhì)與環(huán)境學院，陜西 西安 710054；2. 中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077；3. 陜西省煤礦水害防治技術(shù)重點實驗室，陜西 西安 710077)

為了解決礦井導(dǎo)水構(gòu)造精細刻畫與三維地質(zhì)模型靈活繼承中存在的陷落柱內(nèi)部巖石結(jié)構(gòu)刻畫不精細、多源數(shù)據(jù)融合不準確等技術(shù)問題，開展了礦井導(dǎo)水構(gòu)造多源數(shù)據(jù)融合實體模型構(gòu)建方法、精細模型構(gòu)建過程與模型轉(zhuǎn)換系統(tǒng)開發(fā)等方面的研究?；跀?shù)據(jù)融合分布式結(jié)構(gòu)理論，采用地質(zhì)數(shù)據(jù)耦合、實體模型耦合和構(gòu)建模式耦合3個層次的耦合策略，建立一套水文地質(zhì)勘探多源數(shù)據(jù)融合為三維地質(zhì)實體模型的構(gòu)建方法，通過多源異構(gòu)地質(zhì)數(shù)據(jù)標準化預(yù)處理、跟蹤與分類、數(shù)據(jù)配準、關(guān)聯(lián)與融合等4個關(guān)鍵步驟，構(gòu)建礦井導(dǎo)水構(gòu)造多源數(shù)據(jù)融合實體模型。在地質(zhì)統(tǒng)計學研究的基礎(chǔ)上，以陷落柱為例，提出“礦井精細導(dǎo)水構(gòu)造模型”與“廣域概略模型”的基本概念，同時構(gòu)建了陷落柱廣域概念模型與精細模型。根據(jù)SURPAC和FLAC3D2種三維模型的屬性與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)特點，提出了礦井導(dǎo)水構(gòu)造SURPAC和FLAC3D模型轉(zhuǎn)換方法，利用JAVA語言和TCL語言研發(fā)了SURPAC-FLAC3D模型轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，該系統(tǒng)同時支持本地、網(wǎng)絡(luò)操作與多用戶多臺機器的遠程控制，最終實現(xiàn)了導(dǎo)水構(gòu)造實體耦合模型轉(zhuǎn)換為FLAC3D計算模型的目標，為礦山地質(zhì)條件精細勘查與融合構(gòu)建、礦山水害精準預(yù)測與防治提供技術(shù)支撐。

多源數(shù)據(jù)融合；導(dǎo)水構(gòu)造刻畫；精細模型構(gòu)建方法；模型轉(zhuǎn)換技術(shù)

隨著煤礦開采深度的不斷增加，其水文地質(zhì)條件也趨于復(fù)雜，致使生產(chǎn)過程中水害事故時有發(fā)生[1-2]。其中較為關(guān)鍵的原因之一，是水文地質(zhì)工作者對于目標礦井的導(dǎo)水構(gòu)造缺乏清晰具體的認識。

目前常用鉆探、瞬變電磁法、三維地震法等水文地質(zhì)勘探技術(shù)獲取導(dǎo)水構(gòu)造的二維地質(zhì)信息，但是由于導(dǎo)水構(gòu)造空間分布的復(fù)雜性、模糊性與不確定性[3]的影響，構(gòu)建形象、科學的礦井三維導(dǎo)水構(gòu)造精細模型，使其不但將地質(zhì)鉆探數(shù)據(jù)、地球物理數(shù)據(jù)等多源多尺度數(shù)據(jù)融合進來，還可以揭示地質(zhì)體內(nèi)部結(jié)構(gòu)、空間復(fù)雜的變化規(guī)律以及屬性參數(shù)的分布特征，是值得深入研究的科學問題[4-7]。

業(yè)內(nèi)學者針對性的開展了研究，礦井導(dǎo)水構(gòu)造三維精細模型構(gòu)建與轉(zhuǎn)換技術(shù)主要源自于構(gòu)建“智慧礦山”的需求，早在20世紀90年代，由芬蘭礦業(yè)專家提出“智能礦山”基本概念，并根據(jù)實際礦山開采的需求創(chuàng)建綜合自動化項目[8-9]。國內(nèi)煤礦山的發(fā)展同樣深受國際礦山智能信息化的影響，科研人員及專家學者已陸續(xù)推進礦山數(shù)字化、智能化、信息化的發(fā)展，在2002年，侯恩科等[10-11]提出利用三維地學模擬與數(shù)值模擬耦合來簡化復(fù)雜數(shù)值模擬前處理的思路，開發(fā)的耦合系統(tǒng)不僅使數(shù)值模擬的前處理得到簡化，而且拓寬了三維地學模擬的應(yīng)用領(lǐng)域；陳建平等[12]提出了一種“基于三維可視化技術(shù)的隱伏礦體預(yù)測”理論，把三維可視化技術(shù)與基于基礎(chǔ)地質(zhì)、物探、化探、遙感的傳統(tǒng)綜合信息成礦預(yù)測結(jié)合起來，成功應(yīng)用于云南個舊錫礦資源隱伏礦體預(yù)測；武強等[13]實現(xiàn)了一種多源數(shù)據(jù)集成應(yīng)用的三維地質(zhì)建模方法，并在此基礎(chǔ)上研發(fā)了Geo-系統(tǒng)；羅周全等[14]研究了基于surpac復(fù)雜地質(zhì)體的FLAC3D模型生成技術(shù)；胡斌等[15]采用FORTRAN語言編寫了FLAC3D的前處理程序，對于地表形態(tài)復(fù)雜、巖層和地質(zhì)結(jié)構(gòu)較單一的地質(zhì)體實現(xiàn)了快速、便捷的建模。

以上研究主要以廣域概略單數(shù)據(jù)來源模型構(gòu)建與“模型—模型”單數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換應(yīng)用為主，針對數(shù)值模擬所需的高精度導(dǎo)水構(gòu)造精細化模型構(gòu)建技術(shù)涉及較少。為解決多源環(huán)境下礦井導(dǎo)水構(gòu)造精細刻畫與三維地質(zhì)模型靈活繼承中存在的諸多問題，筆者基于SURPAC平臺開展礦井導(dǎo)水構(gòu)造多源數(shù)據(jù)融合實體模型構(gòu)建方法、精細模型構(gòu)建方法與模型轉(zhuǎn)換平臺開發(fā)等方面的研究，為增強礦井導(dǎo)水構(gòu)造的精細化表達水平，提高礦床水害防治能力提供技術(shù)保障。

1 礦井導(dǎo)水構(gòu)造多源數(shù)據(jù)融合實體模型構(gòu)建方法

多源數(shù)據(jù)融合并非簡單地將地質(zhì)信息數(shù)字與集成化，而是將同一研究區(qū)來源不同、格式不一、多元多尺度的空間數(shù)據(jù)整合起來，綜合分析數(shù)據(jù)信息與研究目標的關(guān)系，消除研究對象在不同模型間的描述差異、在不同分類標準中的屬性差異及在不同采集目的中的特征差異[16]。

礦井導(dǎo)水構(gòu)造三維模型的數(shù)據(jù)源普遍具有基礎(chǔ)信息多源性、空間幾何多邊性和面向應(yīng)用多樣性等特征[17]。依據(jù)數(shù)據(jù)模型差異和應(yīng)用目的的不同，礦井導(dǎo)水構(gòu)造多源數(shù)據(jù)模型耦合構(gòu)建技術(shù)，采用多源數(shù)據(jù)融合、實體模型耦合和構(gòu)建模式耦合3個層次的耦合策略，將多源異構(gòu)地質(zhì)數(shù)據(jù)進行有效融合集成為礦井導(dǎo)水構(gòu)造多源數(shù)據(jù)融合實體模型(圖1)。

為提高多源數(shù)據(jù)融合的準確率，綜合現(xiàn)有三維建模理論研究和應(yīng)用開發(fā)的實際情況，在充分考慮數(shù)據(jù)來源的多源性、復(fù)雜性等特點前提下，筆者根據(jù)Heristrand提出的數(shù)據(jù)融合分布式結(jié)構(gòu)理論模型[16]，探索出將水文地質(zhì)勘探多源數(shù)據(jù)融合為三維地質(zhì)實體模型的構(gòu)建方法。所提出的構(gòu)建方法如圖2所示，分為以下4個步驟：

①多源異構(gòu)地質(zhì)數(shù)據(jù)標準化預(yù)處理。將地質(zhì)測繪、鉆探工程、三維地震、電法勘探等多源多尺度的原始數(shù)據(jù)進行同一性識別，按照統(tǒng)一的格式標準處理，非三維數(shù)據(jù)增加高程值，上升為三維數(shù)據(jù)，同時開展數(shù)據(jù)篩查，剔除噪聲和不可信數(shù)據(jù)，為下一步跟蹤與分類奠定基礎(chǔ)。

②跟蹤與分類?；谌S地質(zhì)體的空間分布特征，將數(shù)據(jù)按功能進行劃分，概括為地質(zhì)模型數(shù)據(jù)與屬性模型數(shù)據(jù)。其中，地質(zhì)模型數(shù)據(jù)[18]，如空間坐標，順次進入數(shù)據(jù)配準環(huán)節(jié)；屬性模型數(shù)據(jù)，如巖石類型、巖石性質(zhì)等則按邏輯關(guān)系，進入關(guān)聯(lián)與融合環(huán)節(jié)，進一步刻畫形成包含空間拓撲關(guān)系的耦合實體模型。

圖1 礦井導(dǎo)水構(gòu)造多源數(shù)據(jù)融合實體模型耦合策略

圖2 礦井導(dǎo)水構(gòu)造多源數(shù)據(jù)融合實體模型構(gòu)建流程

③數(shù)據(jù)配準。地質(zhì)模型的數(shù)據(jù)雖來源于同一構(gòu)建目標，卻是在各自的參考框架內(nèi)探查獲取到的，在數(shù)據(jù)配準環(huán)節(jié)，將所有數(shù)據(jù)統(tǒng)一到地理坐標系，消除異構(gòu)數(shù)據(jù)在測量維度上的不匹配，在最大程度上降低數(shù)據(jù)不一致性。

④關(guān)聯(lián)與融合。針對三維地質(zhì)實體對象的空間幾何形態(tài)和實體對象間的關(guān)系，形成有限個目標元素的源模型。在同一參考系下，將源模型進行空間耦合，按照模型與屬性間的匹配關(guān)系，加載對應(yīng)屬性，得到含有全部地質(zhì)特征的耦合實體模型。

為后續(xù)應(yīng)用，耦合實體模型通過人機接口(轉(zhuǎn)換平臺)轉(zhuǎn)換為計算模型，將屬性特征與三維空間幾何元素，導(dǎo)入數(shù)值模擬FLAC3D軟件中，并同時劃分有限元網(wǎng)格，實現(xiàn)導(dǎo)水構(gòu)造數(shù)值模擬建模和計算分析應(yīng)用。

2 礦井導(dǎo)水構(gòu)造精細模型構(gòu)建方法

水害防治工作經(jīng)常遇到的導(dǎo)水構(gòu)造有含導(dǎo)水斷層、巖溶陷落柱、破碎巖體含水帶等。陷落柱由于其復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造特征，是三維建模領(lǐng)域長期以來的一大難題。目前，國內(nèi)外學者通過地震勘探正演模擬對陷落柱進行大量探討，但較少對陷落柱內(nèi)部巖層結(jié)構(gòu)進行精細刻畫。為進一步研究陷落柱精細模型，筆者從建模精度概念對陷落柱精細導(dǎo)水構(gòu)造模型進行分類。

由于建模數(shù)據(jù)來源相對較廣泛，耦合實體模型模擬的區(qū)域一般為礦區(qū)(100 km)級別的地質(zhì)范圍，所對應(yīng)解決的地質(zhì)問題相對籠統(tǒng)[19]，即在給定的邊界內(nèi)構(gòu)建基本導(dǎo)水構(gòu)造模型，筆者將其稱為之“廣域概略模型”，如圖3—圖5所示。

圖3 塔山煤礦礦區(qū)廣域概略地層模型

1—地形及地層模型；2—陷落柱模型

1—地形及地層模型；2—陷落柱模型

礦井精細導(dǎo)水構(gòu)造模型，借助于“廣域概略模型”，在空間尺度上對構(gòu)建目標進行詳盡的表達，比一般耦合實體模型更逼近于真實地質(zhì)構(gòu)造，模擬區(qū)域一般為工作面(km)級別，所對應(yīng)解決的地質(zhì)問題是對于煤礦具體工作面水害防治工程的預(yù)測與優(yōu)化(圖6)。

在陷落柱精細模型中，筆者著重刻畫陷落柱外部空間形態(tài)與陷落柱內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)，借助SURPAC提供的實體模型工具，在廣域概略模型基礎(chǔ)上，對真實陷落的煤層和破碎垮落帶范圍進行計算，剪切不符合實際的煤層平面，重新構(gòu)建陷落側(cè)面模型和垮落帶平面模型，組合形成陷落柱內(nèi)部整體陷落但仍連續(xù)的厚煤層模型，以及已破碎垮落到奧陶系灰?guī)r上頂界面部分完整的薄煤層模型。

然后利用SURPAC塊體模型工具，將陷落柱的屬性數(shù)據(jù)按照地層邏輯關(guān)系與地質(zhì)模型耦合，得到包含空間拓撲關(guān)系的陷落柱精細耦合實體模型(圖7)，為后續(xù)實現(xiàn)導(dǎo)水構(gòu)造數(shù)值模擬建模和計算分析應(yīng)用打下良好基礎(chǔ)。

1—地形及地層模型；2—陷落柱精細模型；3—厚煤層；4—薄煤層

圖7 塔山煤礦陷落柱精細模型

2018年5月國家煤礦安全監(jiān)察局印發(fā)《煤礦防治水細則》[1]，細則第四十一條明確要求工作面回采前應(yīng)當查清采煤工作面及周邊老空水、含水層富水性和斷層、陷落柱含(導(dǎo))水性等情況，意味著防治水工作由過程治理為主向源頭預(yù)防為主轉(zhuǎn)變，因此，導(dǎo)水構(gòu)造精細空間屬性模型，是進一步揭示導(dǎo)水構(gòu)造發(fā)育特征與富水性的橋梁，也是多平臺復(fù)雜地質(zhì)模型耦合的最終成果。

3 SURPAC-FLAC3D模型轉(zhuǎn)換平臺開發(fā)

3.1 SURPAC和FLAC3D模型轉(zhuǎn)換原理

礦井導(dǎo)水構(gòu)造三維精細模型的優(yōu)勢在于能完整地描述導(dǎo)水構(gòu)造空間結(jié)構(gòu)、幾何形態(tài)與空間邊界。若通過轉(zhuǎn)換平臺可讓具備強大力學計算功能的FLAC3D直接繼承三維精細模型的數(shù)據(jù)，對分析存在導(dǎo)水構(gòu)造時采礦過程中的力學仿真提供前提必要條件。

筆者在三維精細耦合實體模型基礎(chǔ)上利用SURPAC軟件進一步構(gòu)建塊體模型，研究SURPAC塊體模型單元與FLAC3D中網(wǎng)格單元的相互對應(yīng)關(guān)系與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的差別，為研發(fā)SURPAC-FLAC3D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)平臺提供理論基礎(chǔ)。

FLAC3D網(wǎng)格單元存儲的是單元8個節(jié)點(0—7)的三維坐標和單元分組(圖8a)，SURPAC塊體模型構(gòu)成單元為八節(jié)點六面體(圖8b)，存儲的是矩形體質(zhì)心的地理坐標P(0,0,0)及各邊邊長1,2,3和單元屬性[20]。FLAC3D網(wǎng)格單元節(jié)點坐標與SURPAC單元質(zhì)心坐標的對應(yīng)關(guān)系為：

同理，可得到3—7各點的空間節(jié)點坐標，由此可進行SURPAC和FLAC3D的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

圖8 FLAC3D與SURPAC幾何數(shù)據(jù)特征

由于FLAC3D的體元模型采用三維柵格結(jié)構(gòu)(圖9a)，將研究對象按一定規(guī)則劃分成一系列大小相等的體元，每個體元所含的屬性元素、含量等可以不同。SURPAC的體元模型采用八叉樹結(jié)構(gòu)(圖9b)，將研究對象按照屬性類型劃分為8個體元，若屬性一致，立方體停止分解，若屬性不均一，遞歸判斷后繼續(xù)分解為8個體元，直至體元屬性達到均質(zhì)或達到預(yù)先設(shè)定的最小尺寸為止[21]。

圖9 FLAC3D與SURPAC數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)特征

八叉樹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢在于可滿足復(fù)雜精細塊體模型的外部形態(tài)構(gòu)建要求，且數(shù)據(jù)存儲空間較小，但失去三維柵格模型的規(guī)則性，數(shù)據(jù)查詢效率較低。為克服八叉樹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)帶來的不利影響，筆者在研發(fā)SURPAC和FLAC3D轉(zhuǎn)換平臺時對網(wǎng)格劃分參數(shù)進行統(tǒng)一修正，將在塊體模型存貯的屬性數(shù)據(jù)，如三維方向的尺寸、方向和傾角及礦巖的類型和物理力學參數(shù)等，通過對應(yīng)關(guān)系式轉(zhuǎn)換為FLAC3D所能夠識別的3—7端點的幾何數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)將SURPAC中所有單元的信息轉(zhuǎn)換為FLAC3D單元信息。具體流程(圖10)總結(jié)如下。

圖10 SURPAC與FLAC3D轉(zhuǎn)換平臺工作流程圖

將SURPAC單元質(zhì)心的坐標、屬性等數(shù)據(jù)信息導(dǎo)出為塊體質(zhì)心的.csv或.txt格式文件，按照對應(yīng)關(guān)系，通過轉(zhuǎn)換平臺轉(zhuǎn)換為FLAC3D能夠識別的幾何數(shù)據(jù)，利用FLAC3D中“CALL”命令建立模型的幾何與應(yīng)力邊界條件、物理力學參數(shù)、物理特征關(guān)系與外荷載。模型建立后，在后續(xù)計算中通過“restoret”命令進行調(diào)用，開展數(shù)值計算，根據(jù)SURPAC建模中的單元信息，利用FLAC3D中的命令流構(gòu)建Brick單元模型，并將網(wǎng)格在//三個方向均劃分為1，從而實現(xiàn)三維精細模型的靈活繼承。

3.2 SURPAC-FLAC3D模型轉(zhuǎn)換平臺開發(fā)

3.2.1 系統(tǒng)開發(fā)語言

在模型轉(zhuǎn)換原理的基礎(chǔ)上，基于Surpac軟件平臺，采用JAVA語言和TCL語言開發(fā)了SURPAC-FLAC3D模型轉(zhuǎn)換平臺，實現(xiàn)將SURPAC中建立的導(dǎo)水構(gòu)造模型轉(zhuǎn)換為FLAC3D計算模型，為融合含有導(dǎo)水構(gòu)造的采煤工作面水文地質(zhì)數(shù)值模擬計算提供平臺支撐[22-23]。

3.2.2 系統(tǒng)架構(gòu)與設(shè)計

系統(tǒng)采用完全分布式架構(gòu)，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換任務(wù)由多個服務(wù)器形成的分布式集群共同協(xié)作完成，將Manager、Worker、協(xié)同模塊、日志數(shù)據(jù)庫等模塊可分別部署在多臺服務(wù)器上，實現(xiàn)強大的計算能力，在并行計算、數(shù)據(jù)吞吐量、轉(zhuǎn)換效率、系統(tǒng)穩(wěn)定性等方面提高性能，并可通過增加服務(wù)器節(jié)點水平擴展，支持百萬級甚至千萬級大型地質(zhì)建模數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的需求。

用戶可通過瀏覽器訪問Manager節(jié)點地址，提交要轉(zhuǎn)換的SURPAC數(shù)據(jù)文件，進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，本系統(tǒng)支持IE/Edge/FireFox/Chrome等主流瀏覽器。用戶登陸系統(tǒng)界面(圖11)，在首頁輸入正確的用戶名、密碼、驗證碼后即可進入轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。

圖11 SURPAC-FLAC3D模型轉(zhuǎn)換系統(tǒng)

3.2.3 系統(tǒng)應(yīng)用情況

在SURPAC-FLAC3D模型轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中，提交SURPAC數(shù)據(jù)模型文件(表1)并執(zhí)行轉(zhuǎn)換操作，系統(tǒng)能快速完成SURPAC模型數(shù)據(jù)到FLAC3D數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后，輸出的FLAC3D數(shù)據(jù)文件，見表2。

表1 SURPAC數(shù)據(jù)模型文件數(shù)據(jù)樣例

4 應(yīng)用實例

通過現(xiàn)場收集山西塔山煤礦水文地質(zhì)勘探多源多尺度數(shù)據(jù)，構(gòu)建多源數(shù)據(jù)融合實體耦合模型，如圖12所示。

為其中的陷落柱精細實體模型(圖13a)加載對應(yīng)的地質(zhì)屬性數(shù)據(jù)，劃分單位大小，合并同類型單元格，并對重要網(wǎng)格進行加密，得到陷落柱塊體模型(圖13b)。

表2 FLAC3D數(shù)據(jù)文件

1—地形；2—陷落柱模型； 3—斷層；4—電法勘探富水區(qū)；5—巷道

利用SURPAC-FLAC3D模型轉(zhuǎn)換系統(tǒng)對塊體模型數(shù)據(jù)文件進行轉(zhuǎn)換，生成可供FLAC3D讀取的命令行批處理文件，輸入FLAC3D軟件得到包含5 976個單元的計算模型，如圖14所示。

通過對比轉(zhuǎn)換前后的模型，可以看到導(dǎo)入FLAC3D后的計算模型與SURPAC中的屬性塊體模型外部形狀完全一致，證實轉(zhuǎn)換系統(tǒng)已具備良好的適用性。

5 討論與展望

礦井導(dǎo)水構(gòu)造三維精細模型構(gòu)建與轉(zhuǎn)換技術(shù)伴隨著大數(shù)據(jù)、云計算和人工智能等新興科學技術(shù)革命的發(fā)展應(yīng)運而生，可以廣泛應(yīng)用于以下3個方面：

a.地質(zhì)保障領(lǐng)域 煤炭資源賦存地質(zhì)條件精細勘查與三維建模是采前煤炭綠色開采地質(zhì)保障的核心內(nèi)容[24]，礦井導(dǎo)水構(gòu)造三維精細模型構(gòu)建與轉(zhuǎn)換技術(shù)不但可以從三維空間里對導(dǎo)水構(gòu)造空間特征進行精細刻畫與描述，還可以揭示其與含煤地層、煤層之間的空間關(guān)系，耦合實體模型轉(zhuǎn)換為塊體屬性計算模型為研究煤炭開采過程中的地質(zhì)條件與應(yīng)力場的變化奠定基礎(chǔ)。

圖14 陷落柱FLAC3D計算模型

b.智慧煤礦多源數(shù)據(jù)融合方向 采掘過程中獲得的多源實時數(shù)據(jù)信息融合管理是實現(xiàn)精準地質(zhì)信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)，也是智慧煤礦的核心技術(shù)攻關(guān)[25]，以數(shù)據(jù)融合分布式結(jié)構(gòu)理論模型為根基的礦井導(dǎo)水構(gòu)造多源數(shù)據(jù)融合實體模型構(gòu)建方法在多源異構(gòu)數(shù)據(jù)預(yù)處理、異構(gòu)數(shù)據(jù)統(tǒng)一計算、數(shù)據(jù)接入與整合貫通等方面為實現(xiàn)“智慧礦山–透明礦井–透明工作面”提供技術(shù)支撐。

c.災(zāi)害治理方面 礦井導(dǎo)水構(gòu)造三維精細模型構(gòu)建與轉(zhuǎn)換技術(shù)已在冀中能源白澗鐵礦、同煤塔山煤礦等煤礦山陸續(xù)得到實際應(yīng)用。系統(tǒng)構(gòu)建了金屬礦山勘探工程三維設(shè)計模型(圖15)和導(dǎo)水構(gòu)造注漿封堵工程三維設(shè)計模型，將鉆探、物探、化探等多源、多尺度地質(zhì)、水文地質(zhì)勘探數(shù)據(jù)全面融合進設(shè)計模型中。作為實際工程中三維輔助動態(tài)設(shè)計工具，避免錯誤信息的干擾，提高了設(shè)計施工質(zhì)量，同時節(jié)約了勘探成本、縮短了施工周期。

6 結(jié)論

a. 基于數(shù)據(jù)融合分布式結(jié)構(gòu)理論，探索出將地質(zhì)、水文地質(zhì)多源勘探數(shù)據(jù)融合為三維地質(zhì)實體模型的構(gòu)建方法，通過多源異構(gòu)地質(zhì)數(shù)據(jù)標準化預(yù)處理、跟蹤與分類、數(shù)據(jù)配準、關(guān)聯(lián)與融合等4個關(guān)鍵步驟，構(gòu)建得到礦井導(dǎo)水構(gòu)造多源數(shù)據(jù)融合實體模型。

b. 在地質(zhì)統(tǒng)計學研究的基礎(chǔ)上，重新定義“廣域概略模型”與“礦井精細導(dǎo)水構(gòu)造模型”的基本概念，利用塔山煤礦陷落柱“廣域概略模型”實例，實現(xiàn)陷落柱內(nèi)部復(fù)雜的巖層結(jié)構(gòu)的精細刻畫，得到包含空間拓撲關(guān)系的陷落柱精細耦合實體模型，為后續(xù)實現(xiàn)導(dǎo)水構(gòu)造數(shù)值模擬建模和計算分析應(yīng)用打下良好基礎(chǔ)。

c. 根據(jù)SURPAC和FLAC3D2種模型的屬性和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)特點，提出了礦井導(dǎo)水構(gòu)造SURPAC和FLAC3D模型轉(zhuǎn)換方法，利用JAVA語言和TCL語言開發(fā)了SURPAC-FLAC3D模型轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，實現(xiàn)了導(dǎo)水構(gòu)造實體耦合模型轉(zhuǎn)換為FLAC3D計算模型的目標，為礦山地質(zhì)條件精細勘查與融合構(gòu)建、礦山水害精準預(yù)測與防治提供技術(shù)支撐。

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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

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TU457

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2020.06.025

1001-1986(2020)06-0186-09

2020-05-07；

2020-11-09

國家重點研發(fā)計劃項目(2017YFC0804100)；中煤科工集團西安研究院有限公司科技創(chuàng)新基金項目(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，山西臨汾人，博士研究生，從事煤礦水害防治工作. E-mail：fanjuan@cctegxian.com

侯恩科，1963年生，男，陜西扶風人，教授，博士生導(dǎo)師，從事煤田地質(zhì)與礦井地質(zhì)、礦井水害防治方面的教學與科研工作. E-mail：houek@xust.edu.cn

樊娟，侯恩科，靳德武，等. 礦井導(dǎo)水構(gòu)造三維精細模型構(gòu)建與轉(zhuǎn)換技術(shù)[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，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.

(責任編輯 周建軍)