基于GMS的某關閉礦井三維地層模型的建立

趙晗博

(1.中煤科工生態環境科技有限公司，北京 100013； 2.天地科技股份有限公司生態科技事業部，北京 100013)

1 研究區概況

井田位于濟東煤田(章丘煤田)的中南部，礦區東北距章丘市區11 km，西距濟南市50 km，東距淄博市(張店)80 km，行政區劃屬山東省章丘市。井田范圍，東以文祖斷層(F13)為界，西以亭山斷層(F1)為界，南北均以采礦許可證批準的范圍為界。極值地理坐標為東經117°24′27″～117°30′59″、北緯36°34′55″～36°42′23″。經過四十余年的開采，井田范圍內1、3煤層探明的可采儲量接近枯竭，并于2015年9月30日閉坑。項目區下方及附近主要開采1煤、3煤和9-1煤層，開采方法采用上、下山單翼或雙翼采區、單一工作面布置方式，走向長壁后退式采煤方法[1]。回采方式為高檔普采，村莊下壓煤、承壓水體上采用條帶開采和穿采(村莊保護煤柱范圍內)，回采工作面采用單體支柱配合鉸接頂梁支護，全部陷落法管理頂板。

2 建模軟件的選用

三維地質建模是關于三維空間數據組織的概念和方法，反映了自然界空間實體的幾何形態及實體間的相互關系，是很多相關領域研究的熱點和難點。目前國內外應用比較多的三維地質建模軟件有GMS、Surpac Vision、3D Mine Plus、Go CAD等。

2.1 GMS軟件簡介

GMS(Groundwater Modeling System)是一種綜合性的圖形界面軟件，集多種模塊于一體，能夠從鉆孔到地層結構、從平面到空間、從單元到系統的綜合性、系統性、全面性的軟件，不僅能實現地質結構體的可視化，還具有地下水模擬、地下水溶質運移模擬的功能。

2.2 GMS軟件的優點

(1)錄入信息方便。GMS軟件可實現圖片、CAD文件及excel表格文件的直接導入，與GIS、CAD、CorelDRAW軟件實現無縫對接，利于地信工作者的便捷工作。

(2)三維可視化。在建立地質數據庫的基礎上，GMS軟件可以對三維地質體任意剖面進行切割剖分，直觀表達剖面地質情況，便于檢驗勘察成果。

(3)與地下水模塊相結合。眾所周知，地下水是地質研究的重要組成部分，GMS軟件可以實現地下水資源量預測和地下水溶質運移模擬以及地下水環境研究。在三維地質建模的基礎上結合該研究區地下水的研究成果，將使得模型更具有參考性和實用性。

(4)概念模型(Conceptual Models)方法，是GMS軟件建立三維地質模型最有效的手段。通過這種方法，一個概念模型可以通過GIS要素(點——points、弧線——arcs、多邊形——polygons)和高程數據(立體——solid、散點——scatter points、鉆孔——borehole)建立。概念模型建立后，可以通過轉換工具將概念模型數據轉化到grid的單元格。而大多數地質建模軟件只能通過grid的方法來建立模型。

3 三維建模的總體思路

為了在現有勘察成果基礎上粗略立體展示項目區地質與采空區分布情況，選用GMS軟件建立項目區三維可視化立體模型。

分兩步開展三維建模工作：

第一步，在收集前人所做的井田現有勘察成果的基礎上，通過地質剖面、地質構造、地質報告以及相關的成果報告等的地層數據人工分解錄入，建立三維可視化模型，立體展示井田地質體情況與斷層分布情況；

第二步，在采空區綜合勘察實施過程中，依據新的鉆探和綜合物探成果形成地質資料數據庫，及時對三維模型進行補充完善，形成項目區地質體與采空區綜合勘察成果的管理數據庫，構建三維可視化模型，多角度立體展示項目區地質和采空區分布情況。

4 利用GMS建模

4.1 資料準備

構建三維可視化地質模型需要的資料較多，包括三維地層參數、煤層空間分布參數、斷層等構造三維產狀參數等。本次所收集的資料主要是近5年前人鉆探和物探的工作量形成的成果，收集的資料有：項目區勘探線地質剖面圖、鉆孔信息統計表、煤層采掘工程平面圖、井田地基穩定性評價報告，等。經整理，6條地質勘探線分別是西2勘探線、西3勘探線、西4勘探線、西5勘探線、西6勘探線、西7勘探線，共布設原始鉆孔24個。

4.2 圈定研究區范圍

進行三維建模的第一步是圈定研究區范圍。一般建立的研究區范圍多為矩形或者多邊形，相比于圓形，矩形的可視化效果更好。圈定范圍步驟：第一，將紙質底圖掃描為CAD所支持的格式的文件，在CAD里面對底圖進行配準，賦予自定義坐標系。在CAD中提取礦區邊界文件，將文件導入圖新地球中，選擇合適的投影帶使得礦區邊界文件顯示在地圖影像中，截取圖像導出為tiff文件。第二，打開GMS軟件，導入井田底圖tiff文件，選擇Map模塊，點擊new coverage建立邊界文件，用直線工具對底圖進行矢量化，研究區范圍就圈定完畢。

4.3 建立鉆孔數據庫

錄入鉆孔數據有兩種方法，一種是選擇Borehole模塊中的borehole(鉆孔)，直接在模塊中輸入鉆孔數據(包括坐標、標高、地層數據等)，另一種是將鉆孔信息整理成Excel表格，導入GMS中生成單個鉆孔。本次建立數據庫選用后一種方法。

建立煤層鉆孔情況表，包括鉆孔編號和坐標、煤層頂底板標高、地層編號、巖性編號等，首先整理好已有的鉆孔編號信息和平面坐標信息，其次對照井田勘探線剖面圖對單個鉆孔進行地質分層并編號，地質分層分為第四系、二疊系上統、二疊系下統、石炭系、奧陶系、1#煤、3#煤、9#煤等鉆孔分層。

導入鉆孔信息表之后軟件自動生成每個鉆孔，利用鉆孔編輯器對鉆孔數據進行編輯，自上而下編排層與層接觸面ID，設置每個地層所對應的顏色。圖例中Q表示第四系、P2表示二疊系上統、P1表示二疊系下統、C表示石炭系、O表示奧陶系(見圖1)，回到主界面中，便可看到每個鉆孔的三維立體形狀。

圖1 鉆孔編輯器

4.4 形成剖面

選擇Boreholes模塊中的Auto-fill blank cross sections來自動生成剖面。以ZK82和ZK68所切剖面為例，經與西4勘探線剖面圖的巖層情況進行對比，結果基本吻合，證明所形成的地層模型符合要求。然后通過Horizon Solid命令，把鉆孔數據轉變成Solid立體模型[2]，這就是地層結構模型(見圖2)。

圖2 建立三維地質模型

4.5 三維地質模型標注

各煤層采空區位置根據項目區1、3、9煤層采掘工程平面圖及資源儲量圖標注。初步建立的三維地質模型還展示了項目區范圍、工業廣場煤柱、道路、勘探線編號等信息。項目區內落差較大的斷層為F7和F8，最大落差均達到了40 m，屬于項目區的最大斷層。

5 結論與不足

(1)資料收集不足。現有的采空區和地質資料存在不真實、不完整、不詳實的情況，導致建立的三維地質模型不夠完善，僅能為后期的設計和勘察提供一定的參考。因采空區本身有其特殊性，所以只重點針對采空區、覆巖及圍巖勘察，而沒有對整個區域的地質體勘察；打鉆過程中，易出現掉鉆、卡鉆、鉆孔報廢等現象，需要特殊鉆探工藝；需要專業人員對采空區裂隙帶及垮落帶高度進行判定。

(2)GMS軟件語言支持不足。圖件中的圖例不能顯示中文，模型工程文件不能用中文名，否則每次重新打開工程文件的時候出現“could not open namefile”錯誤，使得模擬文件丟失，影響工作進度。