三維地質建模在煤礦地質可視化中的應用分析

張平松， 李潔， 李圣林， 郭立全

(安徽理工大學地球與環境學院， 淮南 232001)

隨著煤炭行業的發展，煤礦智能化是未來發展的必然方向。2020年年初，國家發展改革委、國家能源局、應急部、國家煤礦安監局、工業和信息化部、財政部、科技部、教育部研究制定了《關于加快煤礦智能化發展的指導意見》，明確了煤炭行業未來智能化發展的目標、主要任務和保障措施，對采掘、運輸、通風、供電、選煤等環節的智能化發展具有重要的指導意義，《關于加快煤礦智能化發展的指導意見》的出臺將進一步加快煤礦智能化的進程。三維地質建模及可視化技術是煤礦智能化建設的基礎，能夠為真三維組態和四維地理信息系統提供地層支持，實現地形、煤巖層、斷層、陷落柱、井巷系統等的真三維呈現。

回顧整個三維地質建模相關技術的發展歷程，在20世紀80 年代就出現了許多具備一定三維空間數據處理功能的三維地質建模和可視化的系統，為地質、礦山領域的地質數據處理、分析及顯示提供了一定的支持，隨后加拿大學者Houlding[1]在20世紀90年代初提出了“三維地質建模”概念；法國學者Mallet[2-3]提出的離散平滑插值(discrete smooth interpolation，DSI)方法使這一技術進一步走向成熟。經歷了長達幾十年的發展，國外的三維地質建模技術已經達到了較為成熟的規模。從國內來看，自20世紀80年代引入Earth Vision以來，中國也開始了地質領域與采礦行業的三維建模研究，90年代韓國建等[4]和陳云浩等[5]以礦山開采為研究對象，基于八叉樹理論開發了礦體信息存儲結構模型。緊接著，針對三維地質建模技術理論和方法、三維地質建模軟件開發等方面，許多學者在各自不同的領域也進行了大量的探索和研究，為描述三維地質空間提出了許多理論和有針對性的思路。在最近的研究建設中，專家學者對三維地質建模及可視化技術從各自的領域加以解讀，提出了玻璃地球[6]、透明礦山[7]、透明工作面[8]、虛擬地理環境[9]等新的學術名詞。

煤礦信息屬于空間信息的范疇，煤礦生產過程與三維空間有密切關系。高精度三維地質模型是煤礦開采設計的基礎，是礦山生產、安全管理系統和調度系統的依據，可實現準確的資源量計算和煤質預報。相對于國外三維地質建模的發展和應用，中國礦山領域在三維數據的獲取、建模以及數據標準等核心技術研究方面目前還處于攻堅階段，理論研究和現場實際應用的結合還有待進一步提高。針對這一問題，現結合當前三維地質建模在煤礦地質可視化中的技術發展趨勢，對相關研究和應用進行總結分析，并提出其在助力煤礦智能化發展中的一些思考和認識。

1 三維地質建模在煤礦地質可視化中的研究方向

三維地質建模就是將地質、測井、地球物理資料和各種解釋結果或者概念模型綜合在一起生成三維定量隨機模型，運用計算機相關技術手段，在虛擬的三維環境下，將地學數據的統計、地質信息的解釋、空間信息的整合、空間分析與預測、實體內容的分析以及圖形的可視化等工具結合起來，并應用于地質分析的技術[10]。三維地質建模在煤礦領域主要應用在成礦預測、透明化勘探、固體礦物儲量估算、礦山開采計劃與設計、智能化管控、災害模擬評價等方面，應用地理信息作為數據參考，最終做到三維呈現。

三維地質建模是地理信息技術中的一個重要組成部分，它不是指傳統意義上單一的科學計算，而是煤礦建設中三維信息數據獲取、三維空間數據建模、三維地質分析解釋、煤礦地質專題應用等系列技術方法。針對不同的細分領域，三維建模技術應用方式各不相同，研究應用方向也比較廣泛，在煤礦地質可視化方面的研究和應用方向如圖1所示。

圖1展示了整個三維可視化技術在研究和應用方向上有3個主要方面。

(1)在礦產資源開發方面，通過地質、地理信息數據綜合應用三維地質建模進行透明化勘探，從而進行成礦預測以及后期的儲量估算管理等。

(2)在采礦工程設計方面，應用前期的三維數據支撐，建設礦山開采系統、通風模擬系統以及智能化開采系統等。

(3)在礦山安全生產方面，在巷道掘進或者工作面回采過程中，為保證安全生產，透明地質條件、事故災害模擬和環境監測系統顯得尤為重要。

圖1 煤礦地質可視化的研究和應用方向Fig.1 Research and application direction of coal mine geological visualization

2 三維地質建模軟件使用情況

從大類上來看，三維地質建模軟件是地理信息系統的一個分支。三維地質建模主要針對地下空間，三維地理信息系統(geographic information system，GIS)主要針對地上空間，兩者在應用領域與實現技術方面有很大的不同。三維地質建模軟件從20世紀70年代開始研發，已經走過近50年的發展歷史，中外有許多研究學者與團體為此進行了堅持不懈的努力。

國外從20世紀90年代開始有穩定的產品問世，并不斷改進、成熟。國外與煤礦三維地質相關的主要產品情況見表1。

之前的很多年內，中國一直沒有優秀的三維地質建模軟件產品出現，但近幾年中國在此領域發展快速，軟件功能也在穩步提高。中國與煤礦三維地質相關的主要產品情況見表2。

表1 國外主要三維地質建模軟件產品[10-12]Table 1 Main foreign 3D geological modeling software products[10-12]

表2 中國主要三維地質建模軟件產品[10-12]Table 2 Main 3D geological modeling software products in China[10-12]

表2所示的國產三維地質建模軟件，雖然與國際先進產品相比仍然存在一定差距，但近年來迅速發展，大多已具備地下三維地質建模功能，能夠滿足大多數三維地質建模的應用需求。

3 三維數據的獲取、處理與建模

三維地質模型是將地下三維空間及其不規則的地質構造、礦體、勘探工程(鉆探、物探、化探、巷探)、巷道等以直觀的方式展示出來，并且在計算機中建立出能反映地質體形態和各要素之間的關系以及地質體物理化學屬性的空間分布等地質特征。中國作為一個采礦大國，將三維可視化技術和地質理論知識相結合，對各類地質空間和結構進行解釋，對煤礦行業的發展具有一定的促進作用。

近幾年， 中國學者通過對具體軟件(包括Micromine、Go CAD、3Dmine、Longruan、Surpac等)的示范研究，總結出了煤礦三維地質建模技術一般化流程[13-14]， 主要包括資料收集整理、數據庫建立、三維模型構建、模型應用等，在建模過程中質量控制貫穿始終，整理的詳細流程如圖2所示。

圖2 三維地質建模一般化流程[13，15]Fig.2 General process of 3D geological modeling[13，15]

3.1 地質數據的獲取與建模技術

常見的三維地質數據信息可以通過鉆探、物探等技術獲得地下煤層及其頂底板巖層、斷層、富水區、沖刷帶等信息，進而建立煤層、標志層、斷層、采空區、陷落柱、高瓦斯聚集區、富水區等三維模型，開展三維地質可視化，使礦山地質環境更直觀地表現出來[16]。鉆探數據的獲取包括地面鉆探、井下鉆探、現場揭露數據等，得出的三維數據也比較準確、有效。然而其最大的缺點是已知的鉆探點獲得的數據量少，且達不到空間均勻分布，所得出的可視化模型精確度不能滿足當前實際應用的需求。相對鉆探數據，物探數據的優勢比較明顯，手段也多種多樣，包括三維地震、高密度電法、瞬變電磁、槽波探測、地質雷達、微震監測等，能夠得到高精度的地層界線、構造的空間位置以及煤層厚度等信息，最終獲得精細化的解釋數據，并建立高精度的三維地質模型[17]。

多年來，中國研究人員一直致力于構建煤炭資源開發地質保障技術體系，“三維地震主導，多手段配合，井上下聯合”的立體式綜合勘探模式經過多年的持續攻關得到了廣泛應用，物探技術得到了很好的發展[18]。當前三維地質建模的地質數據信息更傾向于采用多源綜合地球物理探測數據，以保證數據的全面性以及模型的精細化表達，也更便于對地質體內的屬性變化情況進行把控。

應用于煤炭精準開采的物探技術可分為地面物探技術及井下綜合物探技術。高分辨率三維地震、地面直流電法以及瞬變電磁法為地面物探技術的代表，其中最重要的方法是高分辨率三維地震勘探技術，能夠獲得煤礦開采超前構造地質數據和水文地質數據。多年來，該方法的研究和應用取得了突破性的進展，為采區精細勘探開辟了新途徑[19]。礦井物探方法多種多樣，電磁場類、地震波場類等測試技術，接觸與非接觸式，主動源與被動源，反射、透射、散射等處理技術，在井下地質條件探查、評價與監測中發揮著重要作用，是礦井地質工作的主要技術手段和數據來源。目前，井下地球物理探測技術已經形成了一定的規范[20-24]，獲得的數據類型概況整理見表3。

通過對上述物探手段得到的數據進行人工解釋后，生成帶有地理坐標的地質點數據、線數據、面數據和體數據模型，結合鉆孔等已知控制點數據，綜合開展三維地質建模和可視化表達。多源數據集成利用可以較大程度地提高建模精度，因此目前多源數據融合是三維地質建模研究的熱點[25]。

在礦山領域三維地質建模多選用不規則三棱柱模型(triangular prism model，TPM)作為建立地質模型的基本體元，也可以采用平行輪廓線或者交叉剖面等表達地層界線或構造的不規則表面。在地質建模數據更新方面，將已知點加入模型后，采用平面-剖面對應算法、膨脹搜索算法、樣條曲面擬合算法、平滑過渡算法等關鍵技術，對原地層模型進行局部動態修正[26]。應用模型動態修正技術，煤礦三維地質模型可以及時更新數據，實時反映煤礦生產的真實狀況，提高三維地質模型的動態更新自動化程度及實用性。

3.2 巷道數據的采集與建模技術

除了地質數據，煤礦三維可視化系統還有一個重要的數據來源是巷道三維工程模型。圖3展示了部分巷道的三維全景。傳統的測繪技術以電子經緯儀、測距儀和全站儀為主，將導線成果點展繪到采掘工程平面圖、地表工業廣場圖、地質地形圖等之上。在煤礦三維可視化系統中，巷道三維模型多采用巷道中心線加巷道斷面拉伸建模方法，自動處理巷道交叉點。這種方法優點在于數據源簡單，自動化建模程度高；缺點在于缺乏三維模型的細節，只能用于宏觀展示。目前有幾種新型三維數據獲取和建模方法，具體相關信息整理見表4[27-28]。井上工業廣場、井下巷道等重點場所都是礦山生產活動的主要場所，如何快速、高效、低成本獲取井上下重點場所三維數據，并在此基礎上快速建模是三維可視化系統的難點問題。設計能夠規避各自缺點、進入環境復雜的井下工作，集成深度相機、全景相機、激光掃描技術于一體的智能三維數據采集設備及系統可能是未來研究的熱點。

圖3 全景巷道示意圖Fig.3 Schematic diagram of panoramic roadway

4 三維地質建模在煤礦地質可視化中的應用

三維地質建模是一項非常復雜的工作，除需要熟練的軟件操作技巧外，還需要有豐富的專業知識和實際工作經驗綜合加以判斷和構思。通過對地質數據庫、圖形庫、知識信息庫與三維動態模擬系統的集成，進而建立三維地質模型的過程，也是對地質資料集成和二次開發的過程。以此形成的形象、直觀、準確、能動態反映豐富信息的三維地質模型，更有助于地質學者挖掘這些材料中的深層次信息和內在聯系，以及傳統模式下提取不了的信息。由于地質現象的復雜性和不確定性的特點，這就需要考慮多種地質因素和復雜條件進行地學模擬，在可行范圍內，建立多種類型模型，綜合得出最符合地質規律的方案[29]。

4.1 透明化勘探

透明化勘探是指通過鉆探、物探等各種勘探手段精細化探明地下煤層、標志層、斷層、采空區、陷落柱、高瓦斯聚集區、積水區等地質對象的屬性特征和空間分布特征，使三維地質體直觀化、可視化；同時能清楚地了解瓦斯、水文、沖擊地壓等災害及巖石的力學特征的分布狀態。滿足地質大數據分析以及煤礦智能化發展中智能開采、智能掘進等建設的需求。

表3 煤礦井下地球物理探測技術方法及探測地質數據統計Table 3 Geophysical exploration technology and geological data statistics in coal mine

表4 新型三維數據獲取和建模方法Table 4 New 3D data acquisition and modeling method

三維可視化系統能夠管理和顯示目標區域的工程地質資料、水文地質資料、電法勘探數據、地震數據、探地雷達數據、鉆探資料、測井資料等，能夠提供三維地震動態解釋方法以及多源數據綜合預處理、分析、融合等，并提供三維地質模型顯示、地質剖面、柵欄圖、等值線、等值面、等值體生成、空間量測、開挖分析、推進分析等三維地質空間分析工具，服務于儲量估算與管理、礦體預測、地質分析、安全生產管控等。

其中，隨著煤礦智能化的推進，透明工作面是透明化勘探中的熱點問題。透明工作面三維可視化平臺通過整合工作面多源地質勘探數據，建立高精度工作面三維動態地質模型，同時與采煤成套裝備達到空間位置耦合和數據集成聯動，不僅可以獲取向采煤裝備控制平臺推送的三維截割曲線，同時可以獲取采煤裝備實時位置信息從而對三維地質模型進行實時修正，逐級、漸次實現工作面三維地質建模精度的提升，最終逼近工作面地質透明化的理念。程建遠等[30-31]以工作面地質建模前有無掘進巷道、采掘工程揭露的范圍大小以及工作面地質模型的精度高低3個要素為依據，提出了透明化地質工作面的梯級模型(表5)，即“黑箱”“灰箱”“白箱”和“透明”模型(示意圖參考圖4)，并進行了優化實驗研究，為煤炭智能化精準開采透明工作面模型建立流程提供了很好的參考。在技術方法上，為滿足煤礦智能化開采對高精度地質模型的需求，劉再斌等[32]提出透明工作面多屬性動態建模方法，并進行了實例應用，其多屬性融合技術將多源異構探測數據歸一化，交叉驗證方法提高了解釋精度，聯合反演實現了多屬性融合、提高了探測數據空間分辨率并豐富屬性信息，動態可視化建模技術實現信息快速局部更新和可視化。

4.2 成礦預測

隨著人類的不斷開發，地表礦及淺部礦逐漸減少，尋找隱伏礦和深部礦成為現在主要找礦方向。面對找礦預測發展的新形勢，利用三維地質建模技術進行成礦預測逐漸成為近幾年礦產資源預測研究的熱點之一。

由于礦體的隱伏性質，難以預見其空間展布規律，對礦床的整體空間展布特征及變化規律也缺乏直觀的認識，如此一來，礦山勘探局面就常常陷入被動，礦山資源勘探的風險加大，礦山的資源前景問題也就難以從根本上解決。礦山地質建模可以將礦山多年開采和補充勘探積累的大量的多源勘探資料進行整合分析，以三維的方式形象地表達出來，定量描述礦床地質特征信息，對礦體分布規律進行更深層次的總結認識，從而對礦床外圍及深部成礦進行有效的預測[14]，增大預測準確性。

在三維地質建模技術及三維成礦預測方法的不斷發展基礎上，地質大數據技術逐步融入進來，礦產資源預測研究取得了顯著成效，三維礦產資源定量預測評價流程也逐漸趨于成熟。例如，“地質信息集成-成礦信息提取-立體預測”深部礦產資源三維預測方法[33]，基于平均最鄰近距離的Kriging 插值的煤質預測[34]以及基于地學大數據三維/四維建模與深層次集成的資源預測體系[35]等。袁峰等[36]綜合以往研究，提出了“四步式”三維成礦預測法，具體如圖5所示。

1為地形；2為CDP網絡；3為設計工作面投影；4為地面鉆孔；5為上部地層；6為鉆鄰近透明區；7為煤 層；8為設計工作面；9為斷層 (a)工作面“黑箱”模型

1為工作面中部中度透明區；2為巷道鄰近高度透明區；3為地震波波陣面；4為潛在斷層；5為檢波器；6為順煤層鉆；7為開 切眼；8為潛在陷落柱；9為底抽巷；10為上向瓦斯抽放孔 (b)工作面“白箱”模型

1為工作中部低度透明區；2為巷道鄰近中度透明 區；3為CDP網絡投影；4為掘進巷道 (c)工作面“灰箱”模型

1為孔中檢波器串；2為工作面前方地質透明區；3為采后塌陷 區；4為采后煤厚測點；5為隨采地震波 (d)工作面“透明”模型

表5 工作面地質透明化階梯模型[30]Table 5 Geological transparent step model of working face[30]

隨著找礦預測的要求越來越高，礦產資源預測是在不確定性下制訂最優決策的工作，如何解決制約當前三維成礦預測發展的關鍵問題，還需要進行深入廣泛的研究。

圖5 “四步式”三維成礦預測方法[36]Fig.5 “Four step” 3D metallogenic prediction method[36]

4.3 儲量估算與管理

三維成礦預測是以建立三維地質體模型為基礎，地質統計方法為手段，對成礦規律的分析及找礦模型的建立是研究的核心，它們都是為實現成礦預測、靶區圈定及資源儲量估算而服務的。其中礦產儲量估算是三維成礦預測的目標之一，主要是針對預測結果的資源潛力估算，礦產儲量估算的特性也貫穿在整個預測評價中，包括對成礦要素的定量分析和綜合處理[37]。利用三維地質建模與可視化技術進行資源儲量估算是一個較復雜的系統工程，其根據勘查工程獲取的信息對礦床的礦體形態、礦石質量、品位、伴生元素分布、礦石量、金屬量等關鍵信息綜合進行科學的估算，盡管不同礦產、不同勘探階段資源儲量估算方法側重點會有所不同，但都具有相似的工作流程，如圖6所示。

圖6 煤礦三維可視化儲量估算流程示意圖Fig.6 Flow chart of 3D visualization reserves estimation in coal mine

在成礦區域礦產資源進行三維礦體建模的基礎上，對礦產資源的儲量進行估計，實現礦產資源定量評價。通常固體礦產儲量計算公式為

R=∑ρVg(1-j)

(1)

式(1)中：R為研究區內某種元素的資源量；V為三維立方體預測模型中單個單元塊的體積；ρ為區域內巖石的平均質量；g為單元塊體內元素不同的品位值；j為夾石率。

此外，常用的儲量估算方法還有體積估計法和豐度估計法。把已知地區有代表性的單位體積礦產平均含量估計值外推到研究地區體積內的資源，這種估計方法稱體積估計法。在進行某一地區資源估算時，通過求出已知地區成礦元素的富集系數，并外推到預測區的辦法來求預測資源，這就是豐度估計法[37]。

煤礦儲量管理研究以及儲量成果的可視化，是煤礦儲量精細化管理的主要內容，也是煤礦資源管理的基礎工作、核心內容和關鍵環節，只有搞好儲量管理，摸清家底，認清形勢，才能合理有效地管理好煤炭資源[38-39]。現在中國已經有很多學者在致力于煤炭儲量動態管理系統的研究和開發，如張鵬鵬等[40]研究了基于GIS的煤炭儲量管理系統，王功文等[35]研究了基于大數據挖掘的三維/思維建模的資源定量評價體系，姬龍建[41]研究了基于多源信息的儲量管理設計以及車德福等[39]研究了基于二三維可視化的管理系統。其中系統各方面功能和設計大多考慮以下幾個方面，如圖7所示。

圖7 儲量管理系統功能概況Fig.7 Overview of reserve management system functions

4.4 煤礦采掘設計

煤礦地質現象極其復雜，周圍地質體的成因、規模、結構、構造形態差別較大，給煤礦開采設計帶來較大的困難。應用三維地質建模及可視化技術進行采掘設計規劃，對礦山技術人員和前期的勘探人員具有巨大的意義：一是通過三維地質模型，清晰認識礦產的整體情況，充分分析礦產周邊的其他地質形態，對勘探和開采有方向指引性作用；二是通過三維地質模型的建立，分析礦產區域及工作面可形成完整礦產剖面圖，從而能夠計算礦產儲量，為采掘設備設計參數做出參考；三是通過三維地質模型，進行巷道的設計、掘進路線的設計、開采的整體支撐結構，使開采計劃可行性更高，提高開采能力，保證安全生產；四是通過礦山三維地質模型，可以便捷地發現可能發生地質災害的區域，及時采取措施，盡量降低災害發生的可能性[42]。

在礦山模型的構建過程中，需要及時逐步建立地表地形的模型，確保煤層模型的穩步構建以及井下巷道實體模型的適時構建，即逐個將頂部點線面數據輸入整體數據庫里，而后使用三維建模完成井下巷道的實際模型，可以很好地表達出整體采掘系統與地面物體聯絡的相關性，把其中任意兩個個體相結合，建立不一樣的三維建模[43-44]。圖8展示了三維地質體建模和可視化技術在煤礦采掘工程設計中的部分應用。

圖8 地下采礦設計示意圖[45]Fig.8 Underground mining design diagram[45]

4.5 通風系統

保障礦井安全生產、職工安全的重要環節莫過于礦井通風系統的安全穩定運行，同時穩定安全的通風系統也是解決井下粉塵、瓦斯和礦井火災的有效途徑[46]。通風模擬時空分析與模擬礦井通風系統是礦山系統設計非常重要的部分，三維通風模擬和可視化是智能通風系統的重要組成部分。傳統的通風模擬大多是根據經驗以及在大量手工計算的基礎上進行的，精確度和實際效果難以達到預期。新型的礦井通風系統在三維巷道虛擬模型的基礎上，采集通風機和風門等參數數據，構建通風設施模型，從而生成完整的礦井通風系統三維模型和礦井資源數據庫[47]。三維可視化系統將三維巷道與通風網絡解算、通風監測進行耦合，實現三維通風設計、風機選型和通風過程動態模擬，延伸開來還可以實現火災模擬、有毒氣體擴散模擬。在三維場景模擬中合理、有效、經濟的選擇通風方法，在保證通風安全的前提下可以節約通風成本，實現風流動狀態下的真實動態模擬效果，對設計礦山通風系統具有參考和指導意義[48]。圖9為三維通風系統示意圖。

4.6 智能化開采

煤礦動態智能開采是中國煤炭工業技術發展的必經之路，是煤礦企業進一步發展的主要目標[49-50]。礦山是一個多介質的復雜結構空間體，隨著開采的不斷推進，礦山壓力和圍巖運動都在不斷地發展變化，采動引起的圍巖動力災害發生的條件隨時可能達到，斷層、含水體、陷落柱等隱蔽地質體可能導致的地質災害也隨時可能發生，一旦監測不到位導致決策失誤或者措施不及時，都可能會導致重大事故。

圖9 井下通風系統示意圖[45]Fig.9 Schematic diagram of underground ventilation system[45]

通過建立礦山地質體三維模型、明確各采掘工程之間的空間關系、形象分析和監測相關圍巖的穩定性、實時監視開采狀態等等，能夠為礦山安全開采提供強有力的數據支撐。隨著煤礦智能化開采的深入發展，機械化、信息化技術短板正在被逐步完善，在礦井地質條件日益復雜、安全生產要求日益嚴格、生產環境要求日益提高的形勢下，在三維地質建模技術的支持下，智能開采(圖10)、設備精準定位導航(圖11)以及重型綜采裝備分布式協同控制(圖12)等關鍵核心技術越發成熟，煤礦智能化開采技術也在逐步完善。目前中國已經開展了基于精確大地坐標的煤礦透明化智能綜采工作面自適應割煤關鍵技術、煤礦千米深井智能開采關鍵技術、綜采工作面智能感知與智能控制關鍵技術等相關研究，并且在煤礦工作面進行了實踐應用，初步實現了“透明工作面”保障煤礦智能化開采的功能[51-53]。

圖10 智能開采示意圖[50]Fig.10 Schematic diagram of intelligent mining[50]

圖11 采煤機定位導航與智能調高技術示意圖[50]Fig.11 Schematic diagram of shearer positioning navigation and intelligent height adjustment technology[50]

圖12 分布式協同控制示意圖[50]Fig.12 Schematic diagram of distributed cooperative control[50]

4.7 事故災害反演

災害事故反演一般使用數值模擬軟件開展不同災害活動的數值計算。通過整合井下水、火、瓦斯、煤塵、頂板等危險源的災害征兆數據進行三維建模，并結合可視化技術，導入數值模擬軟件進行時空過程模擬來展示各種災害事故場景，如圖13所示。從危險征兆出現到事故的發展過程及最終導致的后果進行完整的模擬展示，將事故處理現場的真實情況最大限度地展現出來，類似應用于航天領域的飛行模擬，通過人機交互模式，增強煤礦相關人員對各種事故或者突發情況的了解認識以及反應能力，比如忽略細節、操作不規范、反應不及時等在事故反演中暴露來的問題，可以反復模擬練習，真正提升相關人員的技能水平[54-55]。當前數值模擬軟件與三維可視化系統沒有深度耦合，這方面的研究還不多見，三維程序需要從底層開展技術研究[16]。

4.8 環境監測

基于三維地質建模、地理信息技術和計算機三維可視化技術，可實現煤礦生產環境監測數據場的可視化[56]。三維可視化系統可以將地表地理信息、沉陷區、地下地質模型以及開采信息等加以集成，在可視化平臺中提供查詢分析功能，可以為礦區地表塌陷區的環境治理、生態環境修復提供相應數據和服務。目前，衛星遙感技術和無人機遙感技術廣泛應用在地表三維數據獲取和環境監測中[57-58]。圖14為某礦高精度圖遙感基礎底圖，圖15為某礦植被覆蓋治理監測示意圖。

圖13 巷道火災模擬示意圖Fig.13 Schematic diagram of roadway fire simulation

圖14 某礦高精度遙感基礎底圖[58]Fig.14 High precision remote sensing base map of a mine[58]

圖15 某礦植被覆蓋治理監測示意圖[58]Fig.15 Schematic diagram of vegetation coverage control and monitoring in a mine[58]

4.9 煤礦生產全過程智能化管控

三維可視化系統是目前煤礦智能化建設中空間信息基礎支撐平臺的有機組成部分，煤礦的信息化建設已經從數字礦山建設逐漸轉向了智慧礦山[59-60]。在煤礦生產方面，三維智能管控平臺也是智慧礦山建設的重要工作內容。整個系統不僅能夠進行實時數據接入、監測以及可視化輸出，而且可以與工業組態控制結合，利用可視化腳本編程功能實現對現場設備的遠程控制。例如，在智能掘進工作面建設中，三維管控平臺能夠將智能化掘進裝備與三維地質、巷道空間信息耦合，進行綜合展示，實現掘進工作面全景感知和展現，同時還能夠提供巷道的成形質量、裝備狀態等多系統融合的環境監測以及掘進裝備多機協同控制等功能；在智能綜采工作面建設中，真實還原的開采場景，能夠對綜采工作面的采煤機、破碎機、液壓支架、運輸機、組合開關等設備進行遠程可視化協同控制；三維智能管控平臺可以整合全礦綜合自動化系統(通風、供電、抬升、皮帶系統、水泵系統等)所有生產相關子系統的數據，可直接在虛擬現實三維場景中進行實時顯示、報警和遠程控制，實現對全礦安全生產工況的實時掌握，如圖16所示。

圖16 智能化管控邏輯模型[49]Fig.16 Intelligent management and control logic model[49]

5 三維地質建模在煤礦地質可視化中的分析

基于對三維地質建模在煤礦地質可視化技術現狀分析，提出以下幾個方面的思考和認識。

(1)多源異構數據融合建模技術將使三維可視化模型的精度進一步提高，這將更加依賴于地震、測井、電法、重、磁等物探數據的分析和應用。高精度三維地震勘探技術可以極大地提高地質勘探精度；測/錄井數據對于巖性物性參數的表達可以對鉆井取芯采樣數據有極好的補充；電法勘探對含水層等特殊目的層有極強的針對性；重、磁勘探也具有其特有的優勢。因此，三維地質建模將越來越依賴于各種物探數據，多源異構數據融合建模技術將是高精度地質模型構建的關鍵。

(2)地質體屬性變化的精細化展示是確保煤礦工程質量的關鍵，要達到煤礦地質透明化還需要推進屬性建模的深入與全面。三維幾何構造形態的表達是更高級應用的基礎，隨著三維地質建模應用的深入，就迫切地需要從早期的注重形態建模向形態與屬性并重的方向轉變，越來越多的應用除了要求地質體幾何形態的三維表達外，還要求對地質體內的屬性變化情況(例如巖性、某種物質含量、密度、孔隙度、彈性模量等屬性)進行描述，以此來滿足未來對煤礦地質更精細化表達的需求。

(3)為滿足煤礦安全高效生產的需求，三維地質建模相關技術還需要進一步提升其實用性，并加強在煤炭行業的推廣應用。在技術操作層面上，3D建模程序復雜，難以為基層的地質作圖人員所掌握，不利于數據的采集與實時更新；約束條件要求嚴，工作量大；建模標準還不完善，涉及的數據共享難的問題還存在。未來還需深入地探討技術共性，抽象出更一般、更通用的工作流程，使得三維地質建模軟件能像日常辦公軟件那樣能夠靈活運用。在應用方面，煤炭行業在中國是較早開展三維地質建模研究的行業之一，近幾年隨著煤礦智能化發展的推動雖然取得了有不少的成果，但大部分的煤礦企業信息化程度仍不高，信息系統仍以二維為主。因此，三維地質建模在煤礦行業的應用應該朝著廣泛化、精細化和現實化的方向發展。

(4)三維地質建模平臺將逐步成為地質大數據的處理平臺。未來必將是智能化的時代，三維地質建模將深度融合大數據、云計算、物聯網、人工智能、自動控制等IT主流技術，實現透明化勘探、成礦預測、儲量估算管理、煤礦采掘設計、通風系統、智能化開采、事故災害反演、環境監測、煤礦生產過程智能化管控全過程的安全高效智能運行。地質信息的集成，將逐步提升對地質問題的云判識與診斷能力和水平。

6 結論

當前，中國各大煤礦企業均在進行煤礦智能化建設，煤礦智能化是煤炭生產力和生產方式革命的新方向。三維地質建模及其可視化技術作為礦山智能化空間信息平臺的重要組成部分，迎來了巨大的機遇，同時也面臨著巨大的挑戰。在深入剖析三維地質建模當前的研究方向和存在的問題基礎上，歸納了三維地質建模在煤礦地質可視化中的研究方向，總結了煤礦地質三維建模軟件的使用和各自的特色，剖析了基礎三維數據的獲取與建模，比較系統全面地介紹了三維地質建模在煤礦三維系統中的應用和技術組成，并針對煤礦地質可視化存在的一些問題提出了對未來的展望。中國的煤炭生產經過幾十年的發展取得了很多歷史性的成績，生產能力和生產安全方面也是變化巨大。煤礦智能化總體上還處于發展的初級階段，三維可視化系統不應局限于屬性查詢和便于直觀的層面，還需要逐漸充分深入到煤礦生產的每一個環節，使勘探、分析預測更精細，生產管控更智能。