基于GOCAD方法的漳村煤礦三維地質建模

＊羅明坤 齊嘉義 榮海

（1.山西潞安環(huán)保能源開發(fā)股份有限公司漳村煤礦 山西 046000 2.遼寧工程技術大學 安全科學與工程學院 遼寧 125105 3.遼寧工程技術大學 礦業(yè)學院 遼寧 123000）

隨著科技的不斷發(fā)展進步及計算機軟件在各行業(yè)中的拓展應用，三維地質建模軟件在油藏、數字礦山、地質勘探等諸多領域得到了普及和重視[1]。

相比于以往只能通過結合多張二維平面圖紙抽象地描述一個地質區(qū)域，三維地質建模軟件能立體化、可視化地將地質構造表達出來的功能顯得更為方便及實用。正因如此，學者們不斷探究三維地質建模的技術方法及相關影響因素，并研發(fā)出了針對于不同領域的三維地質建模軟件[2-3]。GOCAD便是基于法國Nancy大學的Mallet教授提出的離散光滑插值理論，由美國PST油藏技術公司開發(fā)的在國際上公認功能極為強大的三維地質建模軟件。董梅[4]等已在GOCAD結合地質勘探的領域提出了建模方法及應用前景的研究與討論。詹莉[5]等將GOCAD三維地質建模應用于金沙江烏東德水電站的建設工程，并將GOCAD軟件下的三維模型剖面圖與人工繪制的剖面圖進行比較，分析了其在建設工程中應用的可行性。

本文將利用GOCAD三維地質建模軟件，基于鉆孔數據建立潞安漳村煤礦主采煤層、臨近巖層及地表的整體三維地質模型。并通過三維可視化技術[6]，精確、形象地表達出漳村煤礦的煤層賦存條件，探討三維地質建模軟件在數字礦山領域的應用方法及前景。

1.GOCAD軟件概述

GOCAD（Geological Object Computer Aided Design）地質建模軟件是一款主要應用于地質領域的三維可視化建模軟件，同時也是國際上公認的主流三維地質建模軟件。其在地質工程、地球物理勘探、礦業(yè)開發(fā)、水利工程中均有廣泛的應用[7]。GOCAD軟件的研發(fā)工作自1989年開始至今，研發(fā)團隊日益壯大，軟件功能也趨于成熟[8]。該軟件是以工作流程為核心的新一代地質建模軟件，達到了半智能化建模的世界一流水平，具有強大的三維建模、可視化、地質解釋和分析的功能。其主要特點如下：（1）應用離散光滑插值技術作為軟件核心。其優(yōu)勢在于能通過有限的地質數據及資料模擬生成復雜地質體，并分析處理復雜地質體內部的相關地質信息。（2）界面精簡，易于操作。使用者只需按照工作流程中的問題添加相應的參數，便可順利完成相應的建模工作，這種半智能化的建模方法極大地提高了建模過程的效率。（3）數據通用，兼容性強。在GOCAD軟件建模過程中，可以導入導出其它相關格式的數據文件，并能與AutoCAD、FLAC3D等其它專業(yè)軟件進行數據交換。此外，該軟件還具有能在幾乎所有硬件平臺（Sun、SGI、PCLinux、PC-Windows）上運行的特點。

2.GOCAD三維地質建模的流程

(1)初始數據的收集與導入

三維地質建模及其可視化的工作，基本的思路便是利用已知的地質勘探資料（例如地形等高線、鉆孔數據等）作為初始數據，通過GOCAD自身強大的離散光滑插值技術將有限的二維初始數據轉化成連續(xù)曲面，從而建立可視化的三維地質模型的過程。因此，收集并導入初始數據是GOCAD三維地質建模的根本。GOCAD支持Ascii文本文件、DXF、BMP圖像文件等多種外部文件格式的連接及導入，例如AutoCAD繪制的等高線圖、統(tǒng)計鉆孔坐標的文本文件等初始數據均可實現對GOCAD的直接導入[9]。

(2)點數據及線數據生成三維曲面

GOCAD軟件采用工作流程的方式建立三維地質模型，其流程從本質上講便是將最初導入的離散點通過一個個環(huán)節(jié)最終演化成三維體[10,11]。建模環(huán)節(jié)遵循原則如下：點數據（GOCAD中的PointsSet點單元）→確認邊界的封閉的線（GOCAD中的Curve線單元）→由大量三角網格及封閉邊界組成的曲面（GOCAD中的Surface面單元）→由多個不同方向曲面交叉切割產生的三維曲面。在如上流程的建模過程中，還涉及到離散光滑插值技術的應用，例如在初始數據較少的情況下，經由離散光滑插值技術的自動修正和處理，可使一些生成曲面時的不確定數據根據控制點進行多次匹配，生成最貼近初始數據的曲面且盡最大可能杜絕幾何畸變的產生。至此，GOCAD中的三維地質模型已初見端倪。

(3)填充三維曲面建立三維地質模型實體

當完成建立三維曲面的過程之后，三維地質模型的外觀便已成型，但這并不代表三維地質模型的建模過程完全結束。例如一臺電腦的主機箱，只有箱體的外殼而沒有內部的硬件電腦是無法運行的。三維地質模型的道理亦是如此，雖有描述外觀的三維曲面，但沒有進行實體填充步驟的情況下，當對該模型進行剖面切割或地質模型內部巖體屬性探查時，是無法顯示任何數據的。因此，需要依據GOCAD工作流程中的Solid（實體填充）功能或Grid（柵格）功能填充三維地質模型并賦予其內部構造信息。直至此步，三維地質模型的建模過程基本結束，通過輔以一些特殊指令或操作便可獲得所需的三維地質模型信息。

3.GOCAD在漳村煤礦中的應用

筆者對漳村煤礦進行三維地質模型建模時，收集了漳村煤礦的42組可用鉆孔地質柱狀圖信息，并獲知其3#、9#及15#煤層為主采煤層。因此，筆者決定通過以上已知條件構建能夠反映漳村煤礦煤層賦存條件的三維地質模型，并通過GOCAD軟件的相關功能對該礦的地質條件進行分析與歸納。

(1)離散點數據的錄入

因鉆孔地質柱狀圖中包含任一點的精確經緯坐標以及高程信息，對應的正是三維層面的x、y、z坐標。因此利用已知的42組漳村煤礦鉆孔柱狀圖信息，獲取鉆孔的實際坐標（x，y），并計算出地表、3#煤頂底板、9#煤頂底板以及15#煤頂底板的高程坐標（z），從而生成三維地質建模中需要的三維點數據（x，y，z）（圖1）。因GOCAD軟件可以載入txt文本格式的點數據信息，故利用txt文本格式的軟件進行點數據的統(tǒng)計與整理。

(2)漳村煤礦三維地質模型建模過程

利用GOCAD軟件的點數據列加載方式（Culumn as PointSet）對收集統(tǒng)計的txt文本格式的點坐標信息進行加載。依據此方法分別載入地表、3#煤層頂底板等地質層的點數據，載入后的GOCAD內三維離散點效果如（圖1）所示。因三維地質模型需確定每個三維曲面的外圍邊界，故在本次建模過程中，利用鉆孔點數據生成外圍邊界線，生成后的效果如（圖2）所示。

圖1 GOCAD中加載完成的離散點

圖2 確定各三維曲面的外圍邊界線

此時通過離散點與外圍邊界線結合的方式自動生成三維曲面，其中曲面的高低起伏通過同一地質面中各個鉆孔點的高程差來決定。三維曲面的精細程度可通過離散光滑插值過程中預設的三角網格密度來調整。三角網格密度越高，生成的圖形則越精細（圖3）。通過每個三維曲面的屬性設置欄可為其命名、變化顏色及選擇三角網格的顯現與否。

圖3 帶有三角網格的三維曲面

在三維曲面生成之后，為進一步完成三維地質模型的內部填充工作，需為每兩個三維曲面依次匹配生成相對應的側面，從而形成一個封閉的三維曲面。例如3#煤層的頂底板之間生成側面，通過兩個三維曲面及側面的組合可生成一個密閉的三維模型，同時可以此三維模型精確代表3#煤層。生成側面的方式采用的是剪切法，該方法的原理是利用兩個三維曲面的外圍邊界線生成相對應的側面，并利用外圍邊界線對側面進行精細的剪切，致使生成的側面與兩個三維曲面完全封閉，不存在縫隙，確保之后的內部填充工作的順利進行（圖4）。

圖4 由三維曲面及側面組成的封閉三維模型

在生成多個代表不同地質層的封閉三維模型并將其合并為一個整體模型后，漳村煤礦三維地質模型的框架及外觀便已成型，之后的工作便是對該三維地質模型進行填充。利用GOCAD的Solid（實體填充）功能將模型中的巖層、3#煤層、9#煤層、15#煤層分別進行賦予不同內部屬性的填充，填充過程中需注意每個單一三維曲面的封閉性，否則極易造成填充的失敗或屬性混亂。最后，為表示該三維地質模型的建模依據，將42個鉆孔點信息加載于模型中，可明確對應三維地質模型中的點坐標。至此，漳村煤礦的三維地質模型建模過程結束。圖5是漳村煤礦三維地質模型的總效果圖。

圖5 漳村煤礦三維地質模型效果圖

(3)三維地質模型的應用

宏觀上，因GOCAD軟件內的三維地質模型可實現任意角度方向的旋轉和拖拽，因此可使本身抽象復雜的井田地質地貌更為直觀、立體化的呈現出來。例如漳村煤礦井田范圍內各主采煤層的賦存特征及走向、傾向信息；微觀上，GOCAD軟件內可以縮放觀測三維地質模型任一煤巖層，通過鼠標的每一步移動，均可顯示所處地點的精確三維坐標。同時，利用GOCAD軟件內的剖面功能，可做任意方向、面積的剖面，科學分析測量剖面圖（圖6），得出各煤巖層的具體特性信息，利于指導礦井設計和安全生產。

圖6 GOCAD所切剖面圖

4.結論

本文應用GOCAD軟件對漳村煤礦進行三維地質建模，利用較有局限性的鉆孔地質柱狀圖信息，通過GOCAD軟件內部的離散光滑插值技術及半智能化的工作流程將抽象的點數據最終形成立體化、形象化的三維地質模型，科學直觀地表達了漳村煤礦的煤層賦存條件等相關信息，同時，GOCAD軟件提供的相關處理三維地質模型的功能也能很好地應用于地質勘探以及煤礦開采的過程中。

由GOCAD軟件的實際應用可知，計算機軟件以及三維數字化技術的合理利用，對于地質勘查、礦山等領域的現代化建設發(fā)展起到了很好的保障，構建了良好的技術平臺。但本文僅對漳村煤礦局部區(qū)域進行了基礎的建模，GOCAD軟件及三維建模技術更深層次的應用仍有待發(fā)掘。