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        三維地質(zhì)建模技術(shù)及其在煤田地質(zhì)構(gòu)造中的應(yīng)用

        2019-02-09 08:16:14王艷華
        關(guān)鍵詞:三角網(wǎng)等高線煤田

        王艷華

        山東省煤田地質(zhì)局第二勘探隊(duì) 山東 濟(jì)寧 272000

        隨著人類社會(huì)的不斷發(fā)展,資源短缺以及環(huán)境污染問(wèn)題正在不斷加重,越來(lái)越多的國(guó)家對(duì)能源利用、地球空間等方面研究給予了高度的重視,這使得地球空間信息科學(xué)獲得了快速的發(fā)展,三維地質(zhì)建模是該領(lǐng)域的熱點(diǎn)技術(shù)之一,它將地質(zhì)理論知識(shí)和計(jì)算機(jī)三維可視化有機(jī)結(jié)合在一起,為地質(zhì)空間建模提供更加高效精確的方法。煤田地質(zhì)構(gòu)造是三維建模技術(shù)在我國(guó)的一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域。

        一、三維地質(zhì)建模技術(shù)的發(fā)展概述

        三維地質(zhì)建模技術(shù)存在廣義和狹義兩種概念,從廣義上來(lái)看,三維地質(zhì)建模是指采用各類勘探技術(shù),基于綜合性探測(cè)數(shù)據(jù)構(gòu)建三維地質(zhì)模型的過(guò)程。通常情況下,地質(zhì)勘探工作的研究對(duì)象在空間分布上多呈現(xiàn)出三維特點(diǎn),因此需要采用各類勘探手段對(duì)研究區(qū)域的三維地質(zhì)條件進(jìn)行了解掌握。從狹義的角度來(lái)看,三維地質(zhì)建模則是指單純的計(jì)算機(jī)三維地質(zhì)建模,也就是利用計(jì)算機(jī)對(duì)地質(zhì)勘探資料進(jìn)行整合處理,轉(zhuǎn)化為三維地質(zhì)模型。

        在上世紀(jì)八十年代就已經(jīng)出現(xiàn)了三維地質(zhì)建模的雛形,在一些針對(duì)大中型機(jī)環(huán)境的油氣地震勘探資料處理軟件中就具備對(duì)地震勘探資料處理結(jié)果構(gòu)建“三維數(shù)據(jù)體”的相關(guān)功能。進(jìn)入到九十年代之后,由澳大利亞Mincom公司所研發(fā)的一款采礦設(shè)計(jì)軟件Minescape中就已經(jīng)形成了三維地質(zhì)建模功能。1994年,三維地質(zhì)建模的概念正式被加拿大學(xué)者提出。在此之后,計(jì)算機(jī)技術(shù)在采礦設(shè)計(jì)、油氣勘探中的應(yīng)用變得越來(lái)越深入和廣泛,對(duì)三維建模功能持續(xù)提出了新的要求加之三維幾何造型理論的不斷完善,三維地質(zhì)建模技術(shù)獲得了快速的發(fā)展。

        我國(guó)針對(duì)三維地質(zhì)建模的研究開始于上世紀(jì)九十年代,在經(jīng)過(guò)二十多年的實(shí)踐研究之后,已經(jīng)形成了功能齊全且穩(wěn)定的產(chǎn)品,雖然整體上來(lái)看,和國(guó)際上先進(jìn)水平產(chǎn)品之間仍舊存在一定的差距,但也有效的改善了我國(guó)對(duì)國(guó)外三維地質(zhì)建模產(chǎn)品的過(guò)度依賴。由中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局組織、中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局發(fā)展研究中心牽頭,集合多個(gè)專業(yè)單位編寫的《三維地質(zhì)模型數(shù)據(jù)交換格式》標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施進(jìn)一步推動(dòng)了我國(guó)三維地質(zhì)建模技術(shù)的應(yīng)用。

        二、三維地質(zhì)建模技術(shù)在煤田地質(zhì)構(gòu)造中的應(yīng)用

        (一)煤田勘探中三維地質(zhì)建模的數(shù)據(jù)源分析。在煤田勘探過(guò)程中涉及的數(shù)據(jù)主要包括航天/航空遙感資料、采樣資料、鉆孔資料、物探資料、化驗(yàn)分析資料等,其種類十分復(fù)雜,且結(jié)構(gòu)類型各異,采用具有三維地質(zhì)建模功能的三維地理信息系統(tǒng)進(jìn)行管理更加高效。

        通過(guò)鉆孔勘探對(duì)區(qū)域煤、巖層進(jìn)行對(duì)比是煤田構(gòu)造研究的基礎(chǔ)內(nèi)容,重點(diǎn)內(nèi)容則是對(duì)各個(gè)地質(zhì)曲面進(jìn)行確定,掌握地質(zhì)界面所圈定地層的空間幾何形態(tài)以及分布規(guī)律。因此鉆孔數(shù)據(jù)是三維地質(zhì)建模過(guò)程中的重要部分,在具體操作中,是通過(guò)取芯以及測(cè)井,獲得鉆孔軌跡經(jīng)過(guò)巖層和煤層的實(shí)物樣本,這樣就可以掌握具體采樣位置的巖層和煤層產(chǎn)狀。一般情況下,鉆孔柱狀圖所記錄的詳細(xì)分層對(duì)于三維地質(zhì)建模過(guò)于細(xì)致,這需要技術(shù)人員對(duì)巖層和煤層分層進(jìn)行適當(dāng)?shù)木C合和概括。

        地震勘探數(shù)據(jù)同樣是煤田三維地質(zhì)建模不可缺少的一項(xiàng)數(shù)據(jù),在地震剖面上,同相軸連線可以作為勘探區(qū)域巖層或煤層物性界面和剖面的交線,其波形和振幅則可以用于界面兩側(cè)物性的判斷。

        (二)煤田勘探三維地質(zhì)建模的功能需求分析。煤礦屬于典型的層狀礦藏,其礦層通常具有層厚偏小且橫向相對(duì)穩(wěn)定的特征,在煤炭勘探中,三維地質(zhì)建模的進(jìn)行時(shí)機(jī)可以分為兩類,一是用于勘探,即使用三維地質(zhì)建模軟件基于地形和鉆孔數(shù)據(jù)構(gòu)建是三維地質(zhì)模型的原型系統(tǒng)?;谠撓到y(tǒng),可以進(jìn)行勘探線剖面圖的制作。二是用于勘探后,基于已經(jīng)完成的地形地質(zhì)圖、儲(chǔ)量計(jì)算圖、勘探線剖面圖等,進(jìn)行更加精細(xì)的三維地質(zhì)建模,用于礦井設(shè)計(jì)、數(shù)字礦山建設(shè)等領(lǐng)域。

        (三)煤田勘探中三維地質(zhì)建模的工作流程。在三維地質(zhì)建模實(shí)際應(yīng)用中涉及到的關(guān)鍵技術(shù)由兩種,其一是不規(guī)則三角網(wǎng)結(jié)構(gòu)的建立。利用特征線、特征點(diǎn),通過(guò)三角網(wǎng)連接算法形成一系列的三角面。不規(guī)則的三角網(wǎng)模型由不規(guī)則三角形網(wǎng)構(gòu)成,三角形的結(jié)點(diǎn)主要從等高線或離散高程測(cè)量點(diǎn)中獲得。如圖1所示,為某勘探區(qū)煤層底板鉆孔樣點(diǎn)進(jìn)行三角剖分練成不規(guī)則的三角網(wǎng)。在實(shí)體模型建立中主要使用的三種方法為剖面法、合并法以及相連段法。剖面法是將煤層傾向勘探線的剖面線放入到三維空間中,相鄰勘探線按照礦體的趨勢(shì)連成三角網(wǎng),最后在煤層控制剖面線的兩端封閉起來(lái)。合并法是將煤層上、下表面做成面模型,之后配合上下面的邊界連成三角網(wǎng),最后將三個(gè)文件合并形成實(shí)體。相連段法則是利用礦體的輪廓線、輔助線以及邊界線,在線之間連成三角網(wǎng),最后建立礦體模型。

        圖1 某勘探區(qū)煤層底板鉆孔樣點(diǎn)進(jìn)行三角剖分練成不規(guī)則的三角網(wǎng)

        工作流程如下:首先,在勘探工作的過(guò)程中,利用三維地質(zhì)建模軟件構(gòu)建原型系統(tǒng)。由于鉆孔資料過(guò)于細(xì)致,因此需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喜ⅲ纬蓭讉€(gè)可以進(jìn)行對(duì)比的區(qū)域界面,之后基于界面上的鉆孔樣點(diǎn),構(gòu)建三維曲面。同時(shí),對(duì)鉆孔中確定的地質(zhì)界面樣點(diǎn)進(jìn)行三角剖分,構(gòu)建地質(zhì)界面三角網(wǎng),在此基礎(chǔ)上進(jìn)行進(jìn)一步加密和細(xì)分,形成地質(zhì)界面高次曲面三角網(wǎng),在借由三角網(wǎng)插值追蹤生成曲面的高等線。采用分層設(shè)色的方法使曲面呈現(xiàn)出高低起伏的狀態(tài),這即實(shí)現(xiàn)了曲面的三維可視化。基于同樣的方法完成地面、松散層底面等構(gòu)建工作,在三維地質(zhì)模型的原型系統(tǒng)上指定勘探線上的鉆孔號(hào)構(gòu)建勘探線鉆孔剖面圖,最后通過(guò)一定的加工和修改獲得儲(chǔ)量計(jì)算圖和勘探線剖面圖。

        其次,在煤田勘探之后,利用三維地質(zhì)建模軟件進(jìn)行精細(xì)化建模。在勘探階段,已經(jīng)獲得了的儲(chǔ)量計(jì)算圖、煤層底板等高線圖以及勘探線剖面圖等圖件資料。在勘探完成后,則需要對(duì)這些圖件進(jìn)行深加工,以滿足三維地質(zhì)建模的要求。以煤層底板等高線圖等為例,首先,應(yīng)將需要連接但未連接的等高線和斷面交線進(jìn)行連接,因?yàn)樵诳碧街?,制圖工作人員為了方便標(biāo)注通常會(huì)將等高線打斷。其次,對(duì)底板等高線和斷面交線進(jìn)行重采樣,這樣是為了調(diào)整等高線的間距,避免其過(guò)密或是稀疏不利于三維曲面的構(gòu)建。其三,為各條等高線賦予高程值。其四,以等高線和斷面交線為限定線對(duì)限定三角進(jìn)行剖分,完成限定三角網(wǎng)的構(gòu)建。其五,提取限定三角網(wǎng)中的地性線,將其添加到曲面構(gòu)建的限定線中,對(duì)三角網(wǎng)進(jìn)行重構(gòu)。最后,基于上下煤層底板的斷面交線構(gòu)建斷層面。

        結(jié)束語(yǔ)

        綜上,三維地質(zhì)建模技術(shù)具有多源、多類型數(shù)據(jù)集成同化、構(gòu)造要素表達(dá)直觀立體以及平面和剖面構(gòu)造形態(tài)空間一致等多項(xiàng)優(yōu)勢(shì),可以幫助地質(zhì)工程師更好的理解、分析以及表達(dá)各種復(fù)雜的地質(zhì)現(xiàn)象。

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