用Surfer建立煤礦采空區三維模型的方法

葉一飛

(陜西榆林能源集團郭家灘礦業有限公司，陜西 榆林 719000)

0 引言

地處陜北的侏羅紀煤田，煤炭資源豐富，煤質優良，已經成為我國重要的煤炭工業基地，是國家的現代化建設中重要的能源保障，具有十分重要的戰略意義。隨著科學技術的創新和快速發展，煤炭工業面貌不斷得到改善，以大型煤炭企業、大型煤炭基地和大型現代化煤礦為主的格局基本形成，但是煤礦井下生產作為一項勞動強度高，作業危險大，隱患因素多的狀態仍是長期存在的，尤其是在地質條件復雜的情況下，生產更為復雜。因此，越來越多的煤炭企業在積極推進智慧礦井建設，其中大數據地質保障是智能化礦井中重要的一項基礎工作，在此背景下，本文研究建立了杭來灣礦井采空區三維模型，發現三維模型在礦井地質、水文地質、瓦斯抽采等礦井基礎工作中有很大的實用性。

回采工作對煤層就像切蛋糕一樣，可以直觀地看到煤層的內部結構以及頂(底)板的形態，回采工作面剖面測量是收集工作面起伏形態數據的有效手段。工作面回采后形成起伏形態，很大程度上代表了煤層頂(底)板形態，如果把這些寶貴的原始地質資料進行歸納總結和分析，通過Surfer處理形成采空區三維地質模型，總結出可靠的經驗和規律來指導生產，并且在礦井地質、水文地質和分層采前的勘探領域具有顯著意義。它的延伸意義還體現在地面瓦斯抽采、井下物理探測等方面，尤其是在智慧礦山的建設和運行過程中，把采集的地質數據建立一個三維地質模型為智慧礦井服務，是非常重要的一個因素。

1 主要研究內容

目前可以建立三維模型的軟件種類很多，但側重點不一樣。本次采用的軟件是Surfer，它是美國Golden Software公司旗下一款專業的三維圖像繪制軟件，主要用于地質繪圖，能夠快速創建各種類型的三維立體圖，支持自定義圖形圖標，可以繪制多種高精準地圖，而且該軟件有多種數據和圖件的輸入和輸出功能，對各種數據的交換和使用非常方便。首先將收集的剖面數據進行處理，然后通過Surfer將處理后的數據建立三維模型，即采空區三維模型，然后對相關領域開展分析研究。

2 建立采空區三維模型的方法

2.1 綜采工作面剖面測量方法

選取杭來灣礦井的剖面數據，綜采工作面剖面數據采用水準管測量法，利用連通器原理，在一條兩頭開口的管路中，當管路兩頭氣壓相同時，管內兩端頭液面穩定后始終在同一水平上，可以測量出兩點間的高差h，測量過程如圖1所示(黑色的為水準管)，然后將累積的高差數據整理，數據結果見表1。

圖1 綜采工作面剖面測量示意Fig.1 Schematic diagram of cross-section measurement of fully mechanized mining face

表1 剖面測量整理的數據

水準管測量法可以在受地質構造影響較大導致綜采面支架參差不齊，甚至視線不通的情況下順利完成剖面測量，而且測量靈活，可根據構造發育情況調整測量頻率和測點間距，以便更能真實地測出反映工作面形態的剖面。用水準管測量法與采用儀器測量剖面相比的優點是測量過程方便快捷，需要的人員少，測量靈活，可以滿足復雜情況下綜采工作面的剖面測量，而且收集的數據資料可以滿足使用和分析要求。

2.2 數據整理

在剖面測量的過程中，以工作面的第1架為起始點，把每次的測量數據按照測點進行記錄和整理。本次建模使用的數據包括杭來灣礦井30103綜采工作面至30109綜采工作面的剖面測量，其中30103～30108工作面的測量數據有234組。由于30109綜采工作面正在回采，所以把30109綜采工作面當做驗證模型分析結論的工作面。

由于Surfer軟件使用領域非常廣泛，它可以識別多種格式的文件類型，本次將原始的剖面測量數據整理在Excel表格中，數據包括X，Y坐標和頂底板高程等其他的參數，其中X軸為測量剖面時膠運順槽的里程，Y軸為工作面支架的坐標。整理完畢后，直接用軟件打開Excel文件進行網格化處理，保存為Surfer軟件可以直接成圖的數據文件格式，并進行成圖開展分析研究。

2.3 三維模型建立

利用Surfer軟件建立三維模型主要步驟有以下幾步：①把整理好的數據經過網格化處理，在軟件的Grid-data選項中打開，在XYZ軸處選擇膠運順槽里程方向作為X軸，工作面支架號作為Y軸。②把實測的頂底板數據作為Z軸，網格化算法選擇克里金插值法，然后點擊確定保存，形成Surfer可以識別的網格文件，操作步驟如圖2所示。③形成網格文件后，在Surfer軟件中Map選項下可以生成等高線圖、點位圖、3D面圖等多種圖形。圖形類型如圖3所示。

圖2 數據操作步驟Fig.2 Data operation steps

圖3 Surfer軟件中可生成的圖形類型Fig.3 Types of graphs that can be generated in Surfer software

利用上述方法將整理好的30103～30108綜采工作面的剖面數據，按照上述步驟生成3D Surface圖形，經過處理后即可形成三維圖形。

本次采空區三維模型范圍是從切眼正幫開始，至主回撤通道正幫結束，以30103工作面的回風順槽和30108工作面的膠運順槽正幫為界，然后結合采空區頂板等高線與3D Surface圖形，建立成的三維采空區綜合模型如圖4所示。

圖4 三維采空區綜合模型Fig.4 3D goaf comprehensive model

在實際分析研究中，可以單獨用三維模型進行分析，也可以結合對應的等高線進行分析。

3 三維采空區模型應用領域

通過三維模型及與相關的數據在Surfer軟件中的運用，可以在礦井諸多領域進行應用，下面將介紹采空區三維模型在礦井地質、水文地質和分層開采等領域中的應用。

3.1 礦井地質

3.1.1 煤層構造的預測

通過三維模型可以直觀地看出采空區頂(底)板的變化趨勢，從切眼至主回撤通道方向整體降低(與地質勘探報告一致)，但是局部區域的起伏變化情況是比較大的，由于勘探時期的勘探鉆孔是以850 m×850 m工程網度控制的，所以通過勘探報告是無法顯示局部的小型地質構造的。通過軟件的Watershed Map功能可以清晰地看出采空區煤層頂板的低洼段，即“小支流”匯聚的地方，分析認為是此處煤層頂板有起伏構造的表現形式，如圖5所示。

圖5 頂板模型中構造發育分析Fig.5 Analysis of structural development in the roof model

采空區頂板模型從切眼至主回撤通道呈下降趨勢，看似雜亂無章的低洼段在分布上具有一定的規律性，從模型中可以看出，從0～2 100 m段構造發育最復雜，3 500～4 300 m段次之，2 100～3 500 m段即土黃色的這段較為簡單。在模型中只要出現較大起伏構造的低洼段，都會影響臨近的工作面，再結合礦井勘探時期和生產中收集的其他地質資料對構造情況進行分析，進行準確的地質預測預報，更好地指導生產。

利用Surfer軟件的Watershed Map功能，對頂底板趨勢來開展構造分析，如圖6所示。圖中連續的藍線代表著構造的走向趨勢，根據趨勢線出現的位置和范圍進行預測預報，指導生產。

圖6 構造趨勢線的展布Fig.6 The distribution of the constructed trend line

3.1.2 預測與實際對比

根據采空區三維模型中分析的構造出現的位置，與30109工作面回采里程(從主回撤通道正幫起始為0里程)相應位置的實際情況進行對比，對比情況見表2。

表2 采空區模型構造位置與30109工作面實際情況對比

如圖7所示，將30109工作面已經回采完畢的采空區建立模型，與已建好的三維模型對比后發現，通過“低谷”趨勢線來預測臨近工作面出現構造的方法非常可靠，可以在生產中提前預報采取措施，防范地質構造帶來的危險。

從圖7中可以清晰地看出“低谷”趨勢線和30109工作面的“低谷”趨勢線連接在了一起，說明2條趨勢線具有很強關聯性，可作為指導生產工作的一種重要方法。

圖7 模型關聯對比圖(紅框為30109工作面采空區)Fig.7 Model correlation comparison diagram (the red frame is the goaf of 30109 working face)

3.1.3 瓦斯抽采中的運用

瓦斯的相對密度為0.554，經常積聚在巷道空間的上部，特別是巷道冒頂空洞中，采煤工作面上隅角和采空區高冒處，積聚的瓦斯濃度容易達到爆炸界限，尤其在放頂煤開采的綜采工作面，采空區高濃度瓦斯常積聚在高冒處，處理起來十分困難，成為瓦斯爆炸的重要原因之一。

通過采空區模型，可以清晰地看出采空區頂板穹窿位置，并通過Surfer中的數字化功能準確地在對應的采空區等高線圖上，標定出穹窿位置的坐標點(圖8中五角星)，為地面瓦斯抽采鉆孔提供準確的坐標和深度，使鉆孔準確地鉆進到頂板穹窿部位進行有效地瓦斯抽采。

圖8 預設瓦斯抽采點Fig.8 Preset gas extraction points

3.2 水文地質

3.2.1 采空區涌水在工作面涌出位置預測

運用Surfer中的Watershed Map功能對已經回采的采空區涌水匯集位置進行預測，可以分析出采空區涌水在工作面涌出的位置。建立如圖9所示的30108工作面區段(3 280～4 080 m)涌水來源預測圖，圖中藍線表示涌水趨勢線。從圖9中可以明顯地看出30108工作面的采空區涌水會從84架左右涌出；因此指導綜采隊在84架附近布設抽排水設備，防止工作面積水過多或抽排不及時影響生產。

圖9 30108工作面中采空區涌水涌出位置Fig.9 The location of the water inflow gushing out of the goaf in the 30108 working face

3.2.2 采空區充水量計算

在采空區模型中可以直觀地看出采空區低洼范圍，并且可以加載一個面，這個面的高程根據實測積水高度確定，并且獲得的平面高程數據越精確，采空區內的積水空間也越精確，計算得到的積水量也準確。計算采用Surfer中的Grid-Volume功能。

選取水準面高程的方法：將綜采工作面兩側的順槽底板高程作為水準高程；在回撤通道密閉處確定水位高程；與采空區底板疊加形成積水模型，如圖10所示。

圖10 采空區模型加載預測水準面Fig.10 Loaded predicted level of goaf model

經過計算，水準面與采空區底板之間的體積為802.3 m3，由于目前杭來灣煤礦沒有可以參照的采空區實測充水系數，所以在查閱了大量關于采空區充水系數的資料后選取本次采空區充水系數為0.1～0.3，計算得采空區積水量為80.2～240.7萬m3。

3.3 下分層開采前勘探依據

當杭來灣礦井開采301盤區下分層時，通過建立的模型可以直觀地看出下分層煤層頂板的起伏特征并確定低洼區域的位置，在掘進和回采下分層煤層時利用井下物探方法探測頂板的積水區，如果物探異常區正好對應的是采空區低洼區域，可以證明異常區的性質是積水區域，然后對該區域頂板的積水進行疏放，如果物探異常區對應的不是積水范圍，可能還存在其他一些異常情況，需要采取鉆探手段進行驗證，確保下分層采掘工作的安全。

3.4 智慧礦山

依據綜采工作面的剖面數據，建立了采空區三維地質模型，進行礦井地質、水文地質等領域的應用。同樣利用地質數據建立一個采掘工作面的三維地質模型，為智能化工作面中滾筒切割路徑提供基礎數據。例如把采掘地質體三維模型數據輸入到礦井的數據中心，結合其他參數而設定煤機的割煤路徑，綜合利用其他的工業智能產品和智能化礦井系統，最終實現無人化回采工作面，從而實現更為安全、高效、智能化的煤炭生產。

4 結論

(1)利用采空區模型分析研究煤層頂(底)板趨勢，預測其構造形態展布特征來指導生產。根據采空區底板形態，依據標高圈定積水范圍、積水位置，根據實測積水高程預測采空區積水量。根據采空區涌水匯集趨勢，指導工作面抽排水設備的布設，有利于綜采工作面涌水的抽排，并延伸應用到瓦斯抽采、下分層開采前勘探等方面。

(2)建立為智能化采掘工作面服務的三維地質模型。建立采空區模型主要以人工收集的數據為基礎，具有一定的局限性，因此建議需深入研究。

(3)進一步提高建立采空區模型采用的數據精準性，尤其是工作面的剖面測量頻率，因為頻率次數愈多，采空區相關特征參數愈加精準，后期考慮采用智能化的工業產品進行監測。