樊 娟，侯恩科，靳德武，喬 偉，南生輝

礦井導(dǎo)水構(gòu)造三維精細(xì)模型構(gòu)建與轉(zhuǎn)換技術(shù)

樊 娟1,2,3，侯恩科1，靳德武2,3，喬 偉2,3，南生輝2,3

1. 西安科技大學(xué) 地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054；2. 中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077；3. 陜西省煤礦水害防治技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710077)

為了解決礦井導(dǎo)水構(gòu)造精細(xì)刻畫與三維地質(zhì)模型靈活繼承中存在的陷落柱內(nèi)部巖石結(jié)構(gòu)刻畫不精細(xì)、多源數(shù)據(jù)融合不準(zhǔn)確等技術(shù)問題，開展了礦井導(dǎo)水構(gòu)造多源數(shù)據(jù)融合實(shí)體模型構(gòu)建方法、精細(xì)模型構(gòu)建過程與模型轉(zhuǎn)換系統(tǒng)開發(fā)等方面的研究?；跀?shù)據(jù)融合分布式結(jié)構(gòu)理論，采用地質(zhì)數(shù)據(jù)耦合、實(shí)體模型耦合和構(gòu)建模式耦合3個(gè)層次的耦合策略，建立一套水文地質(zhì)勘探多源數(shù)據(jù)融合為三維地質(zhì)實(shí)體模型的構(gòu)建方法，通過多源異構(gòu)地質(zhì)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)處理、跟蹤與分類、數(shù)據(jù)配準(zhǔn)、關(guān)聯(lián)與融合等4個(gè)關(guān)鍵步驟，構(gòu)建礦井導(dǎo)水構(gòu)造多源數(shù)據(jù)融合實(shí)體模型。在地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)研究的基礎(chǔ)上，以陷落柱為例，提出“礦井精細(xì)導(dǎo)水構(gòu)造模型”與“廣域概略模型”的基本概念，同時(shí)構(gòu)建了陷落柱廣域概念模型與精細(xì)模型。根據(jù)SURPAC和FLAC3D2種三維模型的屬性與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出了礦井導(dǎo)水構(gòu)造SURPAC和FLAC3D模型轉(zhuǎn)換方法，利用JAVA語言和TCL語言研發(fā)了SURPAC-FLAC3D模型轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，該系統(tǒng)同時(shí)支持本地、網(wǎng)絡(luò)操作與多用戶多臺(tái)機(jī)器的遠(yuǎn)程控制，最終實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)水構(gòu)造實(shí)體耦合模型轉(zhuǎn)換為FLAC3D計(jì)算模型的目標(biāo)，為礦山地質(zhì)條件精細(xì)勘查與融合構(gòu)建、礦山水害精準(zhǔn)預(yù)測與防治提供技術(shù)支撐。

多源數(shù)據(jù)融合；導(dǎo)水構(gòu)造刻畫；精細(xì)模型構(gòu)建方法；模型轉(zhuǎn)換技術(shù)

隨著煤礦開采深度的不斷增加，其水文地質(zhì)條件也趨于復(fù)雜，致使生產(chǎn)過程中水害事故時(shí)有發(fā)生[1-2]。其中較為關(guān)鍵的原因之一，是水文地質(zhì)工作者對(duì)于目標(biāo)礦井的導(dǎo)水構(gòu)造缺乏清晰具體的認(rèn)識(shí)。

目前常用鉆探、瞬變電磁法、三維地震法等水文地質(zhì)勘探技術(shù)獲取導(dǎo)水構(gòu)造的二維地質(zhì)信息，但是由于導(dǎo)水構(gòu)造空間分布的復(fù)雜性、模糊性與不確定性[3]的影響，構(gòu)建形象、科學(xué)的礦井三維導(dǎo)水構(gòu)造精細(xì)模型，使其不但將地質(zhì)鉆探數(shù)據(jù)、地球物理數(shù)據(jù)等多源多尺度數(shù)據(jù)融合進(jìn)來，還可以揭示地質(zhì)體內(nèi)部結(jié)構(gòu)、空間復(fù)雜的變化規(guī)律以及屬性參數(shù)的分布特征，是值得深入研究的科學(xué)問題[4-7]。

業(yè)內(nèi)學(xué)者針對(duì)性的開展了研究，礦井導(dǎo)水構(gòu)造三維精細(xì)模型構(gòu)建與轉(zhuǎn)換技術(shù)主要源自于構(gòu)建“智慧礦山”的需求，早在20世紀(jì)90年代，由芬蘭礦業(yè)專家提出“智能礦山”基本概念，并根據(jù)實(shí)際礦山開采的需求創(chuàng)建綜合自動(dòng)化項(xiàng)目[8-9]。國內(nèi)煤礦山的發(fā)展同樣深受國際礦山智能信息化的影響，科研人員及專家學(xué)者已陸續(xù)推進(jìn)礦山數(shù)字化、智能化、信息化的發(fā)展，在2002年，侯恩科等[10-11]提出利用三維地學(xué)模擬與數(shù)值模擬耦合來簡化復(fù)雜數(shù)值模擬前處理的思路，開發(fā)的耦合系統(tǒng)不僅使數(shù)值模擬的前處理得到簡化，而且拓寬了三維地學(xué)模擬的應(yīng)用領(lǐng)域；陳建平等[12]提出了一種“基于三維可視化技術(shù)的隱伏礦體預(yù)測”理論，把三維可視化技術(shù)與基于基礎(chǔ)地質(zhì)、物探、化探、遙感的傳統(tǒng)綜合信息成礦預(yù)測結(jié)合起來，成功應(yīng)用于云南個(gè)舊錫礦資源隱伏礦體預(yù)測；武強(qiáng)等[13]實(shí)現(xiàn)了一種多源數(shù)據(jù)集成應(yīng)用的三維地質(zhì)建模方法，并在此基礎(chǔ)上研發(fā)了Geo-系統(tǒng)；羅周全等[14]研究了基于surpac復(fù)雜地質(zhì)體的FLAC3D模型生成技術(shù)；胡斌等[15]采用FORTRAN語言編寫了FLAC3D的前處理程序，對(duì)于地表形態(tài)復(fù)雜、巖層和地質(zhì)結(jié)構(gòu)較單一的地質(zhì)體實(shí)現(xiàn)了快速、便捷的建模。

以上研究主要以廣域概略單數(shù)據(jù)來源模型構(gòu)建與“模型—模型”單數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換應(yīng)用為主，針對(duì)數(shù)值模擬所需的高精度導(dǎo)水構(gòu)造精細(xì)化模型構(gòu)建技術(shù)涉及較少。為解決多源環(huán)境下礦井導(dǎo)水構(gòu)造精細(xì)刻畫與三維地質(zhì)模型靈活繼承中存在的諸多問題，筆者基于SURPAC平臺(tái)開展礦井導(dǎo)水構(gòu)造多源數(shù)據(jù)融合實(shí)體模型構(gòu)建方法、精細(xì)模型構(gòu)建方法與模型轉(zhuǎn)換平臺(tái)開發(fā)等方面的研究，為增強(qiáng)礦井導(dǎo)水構(gòu)造的精細(xì)化表達(dá)水平，提高礦床水害防治能力提供技術(shù)保障。

1 礦井導(dǎo)水構(gòu)造多源數(shù)據(jù)融合實(shí)體模型構(gòu)建方法

多源數(shù)據(jù)融合并非簡單地將地質(zhì)信息數(shù)字與集成化，而是將同一研究區(qū)來源不同、格式不一、多元多尺度的空間數(shù)據(jù)整合起來，綜合分析數(shù)據(jù)信息與研究目標(biāo)的關(guān)系，消除研究對(duì)象在不同模型間的描述差異、在不同分類標(biāo)準(zhǔn)中的屬性差異及在不同采集目的中的特征差異[16]。

礦井導(dǎo)水構(gòu)造三維模型的數(shù)據(jù)源普遍具有基礎(chǔ)信息多源性、空間幾何多邊性和面向應(yīng)用多樣性等特征[17]。依據(jù)數(shù)據(jù)模型差異和應(yīng)用目的的不同，礦井導(dǎo)水構(gòu)造多源數(shù)據(jù)模型耦合構(gòu)建技術(shù)，采用多源數(shù)據(jù)融合、實(shí)體模型耦合和構(gòu)建模式耦合3個(gè)層次的耦合策略，將多源異構(gòu)地質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效融合集成為礦井導(dǎo)水構(gòu)造多源數(shù)據(jù)融合實(shí)體模型(圖1)。

為提高多源數(shù)據(jù)融合的準(zhǔn)確率，綜合現(xiàn)有三維建模理論研究和應(yīng)用開發(fā)的實(shí)際情況，在充分考慮數(shù)據(jù)來源的多源性、復(fù)雜性等特點(diǎn)前提下，筆者根據(jù)Heristrand提出的數(shù)據(jù)融合分布式結(jié)構(gòu)理論模型[16]，探索出將水文地質(zhì)勘探多源數(shù)據(jù)融合為三維地質(zhì)實(shí)體模型的構(gòu)建方法。所提出的構(gòu)建方法如圖2所示，分為以下4個(gè)步驟：

①多源異構(gòu)地質(zhì)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)處理。將地質(zhì)測繪、鉆探工程、三維地震、電法勘探等多源多尺度的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行同一性識(shí)別，按照統(tǒng)一的格式標(biāo)準(zhǔn)處理，非三維數(shù)據(jù)增加高程值，上升為三維數(shù)據(jù)，同時(shí)開展數(shù)據(jù)篩查，剔除噪聲和不可信數(shù)據(jù)，為下一步跟蹤與分類奠定基礎(chǔ)。

②跟蹤與分類?；谌S地質(zhì)體的空間分布特征，將數(shù)據(jù)按功能進(jìn)行劃分，概括為地質(zhì)模型數(shù)據(jù)與屬性模型數(shù)據(jù)。其中，地質(zhì)模型數(shù)據(jù)[18]，如空間坐標(biāo)，順次進(jìn)入數(shù)據(jù)配準(zhǔn)環(huán)節(jié)；屬性模型數(shù)據(jù)，如巖石類型、巖石性質(zhì)等則按邏輯關(guān)系，進(jìn)入關(guān)聯(lián)與融合環(huán)節(jié)，進(jìn)一步刻畫形成包含空間拓?fù)潢P(guān)系的耦合實(shí)體模型。

圖1 礦井導(dǎo)水構(gòu)造多源數(shù)據(jù)融合實(shí)體模型耦合策略

圖2 礦井導(dǎo)水構(gòu)造多源數(shù)據(jù)融合實(shí)體模型構(gòu)建流程

③數(shù)據(jù)配準(zhǔn)。地質(zhì)模型的數(shù)據(jù)雖來源于同一構(gòu)建目標(biāo)，卻是在各自的參考框架內(nèi)探查獲取到的，在數(shù)據(jù)配準(zhǔn)環(huán)節(jié)，將所有數(shù)據(jù)統(tǒng)一到地理坐標(biāo)系，消除異構(gòu)數(shù)據(jù)在測量維度上的不匹配，在最大程度上降低數(shù)據(jù)不一致性。

④關(guān)聯(lián)與融合。針對(duì)三維地質(zhì)實(shí)體對(duì)象的空間幾何形態(tài)和實(shí)體對(duì)象間的關(guān)系，形成有限個(gè)目標(biāo)元素的源模型。在同一參考系下，將源模型進(jìn)行空間耦合，按照模型與屬性間的匹配關(guān)系，加載對(duì)應(yīng)屬性，得到含有全部地質(zhì)特征的耦合實(shí)體模型。

為后續(xù)應(yīng)用，耦合實(shí)體模型通過人機(jī)接口(轉(zhuǎn)換平臺(tái))轉(zhuǎn)換為計(jì)算模型，將屬性特征與三維空間幾何元素，導(dǎo)入數(shù)值模擬FLAC3D軟件中，并同時(shí)劃分有限元網(wǎng)格，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)水構(gòu)造數(shù)值模擬建模和計(jì)算分析應(yīng)用。

2 礦井導(dǎo)水構(gòu)造精細(xì)模型構(gòu)建方法

水害防治工作經(jīng)常遇到的導(dǎo)水構(gòu)造有含導(dǎo)水?dāng)鄬?、巖溶陷落柱、破碎巖體含水帶等。陷落柱由于其復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造特征，是三維建模領(lǐng)域長期以來的一大難題。目前，國內(nèi)外學(xué)者通過地震勘探正演模擬對(duì)陷落柱進(jìn)行大量探討，但較少對(duì)陷落柱內(nèi)部巖層結(jié)構(gòu)進(jìn)行精細(xì)刻畫。為進(jìn)一步研究陷落柱精細(xì)模型，筆者從建模精度概念對(duì)陷落柱精細(xì)導(dǎo)水構(gòu)造模型進(jìn)行分類。

由于建模數(shù)據(jù)來源相對(duì)較廣泛，耦合實(shí)體模型模擬的區(qū)域一般為礦區(qū)(100 km)級(jí)別的地質(zhì)范圍，所對(duì)應(yīng)解決的地質(zhì)問題相對(duì)籠統(tǒng)[19]，即在給定的邊界內(nèi)構(gòu)建基本導(dǎo)水構(gòu)造模型，筆者將其稱為之“廣域概略模型”，如圖3—圖5所示。

圖3 塔山煤礦礦區(qū)廣域概略地層模型

1—地形及地層模型；2—陷落柱模型

1—地形及地層模型；2—陷落柱模型

礦井精細(xì)導(dǎo)水構(gòu)造模型，借助于“廣域概略模型”，在空間尺度上對(duì)構(gòu)建目標(biāo)進(jìn)行詳盡的表達(dá)，比一般耦合實(shí)體模型更逼近于真實(shí)地質(zhì)構(gòu)造，模擬區(qū)域一般為工作面(km)級(jí)別，所對(duì)應(yīng)解決的地質(zhì)問題是對(duì)于煤礦具體工作面水害防治工程的預(yù)測與優(yōu)化(圖6)。

在陷落柱精細(xì)模型中，筆者著重刻畫陷落柱外部空間形態(tài)與陷落柱內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)，借助SURPAC提供的實(shí)體模型工具，在廣域概略模型基礎(chǔ)上，對(duì)真實(shí)陷落的煤層和破碎垮落帶范圍進(jìn)行計(jì)算，剪切不符合實(shí)際的煤層平面，重新構(gòu)建陷落側(cè)面模型和垮落帶平面模型，組合形成陷落柱內(nèi)部整體陷落但仍連續(xù)的厚煤層模型，以及已破碎垮落到奧陶系灰?guī)r上頂界面部分完整的薄煤層模型。

然后利用SURPAC塊體模型工具，將陷落柱的屬性數(shù)據(jù)按照地層邏輯關(guān)系與地質(zhì)模型耦合，得到包含空間拓?fù)潢P(guān)系的陷落柱精細(xì)耦合實(shí)體模型(圖7)，為后續(xù)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)水構(gòu)造數(shù)值模擬建模和計(jì)算分析應(yīng)用打下良好基礎(chǔ)。

1—地形及地層模型；2—陷落柱精細(xì)模型；3—厚煤層；4—薄煤層

圖7 塔山煤礦陷落柱精細(xì)模型

2018年5月國家煤礦安全監(jiān)察局印發(fā)《煤礦防治水細(xì)則》[1]，細(xì)則第四十一條明確要求工作面回采前應(yīng)當(dāng)查清采煤工作面及周邊老空水、含水層富水性和斷層、陷落柱含(導(dǎo))水性等情況，意味著防治水工作由過程治理為主向源頭預(yù)防為主轉(zhuǎn)變，因此，導(dǎo)水構(gòu)造精細(xì)空間屬性模型，是進(jìn)一步揭示導(dǎo)水構(gòu)造發(fā)育特征與富水性的橋梁，也是多平臺(tái)復(fù)雜地質(zhì)模型耦合的最終成果。

3 SURPAC-FLAC3D模型轉(zhuǎn)換平臺(tái)開發(fā)

3.1 SURPAC和FLAC3D模型轉(zhuǎn)換原理

礦井導(dǎo)水構(gòu)造三維精細(xì)模型的優(yōu)勢在于能完整地描述導(dǎo)水構(gòu)造空間結(jié)構(gòu)、幾何形態(tài)與空間邊界。若通過轉(zhuǎn)換平臺(tái)可讓具備強(qiáng)大力學(xué)計(jì)算功能的FLAC3D直接繼承三維精細(xì)模型的數(shù)據(jù)，對(duì)分析存在導(dǎo)水構(gòu)造時(shí)采礦過程中的力學(xué)仿真提供前提必要條件。

筆者在三維精細(xì)耦合實(shí)體模型基礎(chǔ)上利用SURPAC軟件進(jìn)一步構(gòu)建塊體模型，研究SURPAC塊體模型單元與FLAC3D中網(wǎng)格單元的相互對(duì)應(yīng)關(guān)系與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的差別，為研發(fā)SURPAC-FLAC3D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)平臺(tái)提供理論基礎(chǔ)。

FLAC3D網(wǎng)格單元存儲(chǔ)的是單元8個(gè)節(jié)點(diǎn)(0—7)的三維坐標(biāo)和單元分組(圖8a)，SURPAC塊體模型構(gòu)成單元為八節(jié)點(diǎn)六面體(圖8b)，存儲(chǔ)的是矩形體質(zhì)心的地理坐標(biāo)P(0,0,0)及各邊邊長1,2,3和單元屬性[20]。FLAC3D網(wǎng)格單元節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)與SURPAC單元質(zhì)心坐標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系為：

同理，可得到3—7各點(diǎn)的空間節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，由此可進(jìn)行SURPAC和FLAC3D的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

圖8 FLAC3D與SURPAC幾何數(shù)據(jù)特征

由于FLAC3D的體元模型采用三維柵格結(jié)構(gòu)(圖9a)，將研究對(duì)象按一定規(guī)則劃分成一系列大小相等的體元，每個(gè)體元所含的屬性元素、含量等可以不同。SURPAC的體元模型采用八叉樹結(jié)構(gòu)(圖9b)，將研究對(duì)象按照屬性類型劃分為8個(gè)體元，若屬性一致，立方體停止分解，若屬性不均一，遞歸判斷后繼續(xù)分解為8個(gè)體元，直至體元屬性達(dá)到均質(zhì)或達(dá)到預(yù)先設(shè)定的最小尺寸為止[21]。

圖9 FLAC3D與SURPAC數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)特征

八叉樹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢在于可滿足復(fù)雜精細(xì)塊體模型的外部形態(tài)構(gòu)建要求，且數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間較小，但失去三維柵格模型的規(guī)則性，數(shù)據(jù)查詢效率較低。為克服八叉樹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對(duì)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)帶來的不利影響，筆者在研發(fā)SURPAC和FLAC3D轉(zhuǎn)換平臺(tái)時(shí)對(duì)網(wǎng)格劃分參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)一修正，將在塊體模型存貯的屬性數(shù)據(jù)，如三維方向的尺寸、方向和傾角及礦巖的類型和物理力學(xué)參數(shù)等，通過對(duì)應(yīng)關(guān)系式轉(zhuǎn)換為FLAC3D所能夠識(shí)別的3—7端點(diǎn)的幾何數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)將SURPAC中所有單元的信息轉(zhuǎn)換為FLAC3D單元信息。具體流程(圖10)總結(jié)如下。

圖10 SURPAC與FLAC3D轉(zhuǎn)換平臺(tái)工作流程圖

將SURPAC單元質(zhì)心的坐標(biāo)、屬性等數(shù)據(jù)信息導(dǎo)出為塊體質(zhì)心的.csv或.txt格式文件，按照對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過轉(zhuǎn)換平臺(tái)轉(zhuǎn)換為FLAC3D能夠識(shí)別的幾何數(shù)據(jù)，利用FLAC3D中“CALL”命令建立模型的幾何與應(yīng)力邊界條件、物理力學(xué)參數(shù)、物理特征關(guān)系與外荷載。模型建立后，在后續(xù)計(jì)算中通過“restoret”命令進(jìn)行調(diào)用，開展數(shù)值計(jì)算，根據(jù)SURPAC建模中的單元信息，利用FLAC3D中的命令流構(gòu)建Brick單元模型，并將網(wǎng)格在//三個(gè)方向均劃分為1，從而實(shí)現(xiàn)三維精細(xì)模型的靈活繼承。

3.2 SURPAC-FLAC3D模型轉(zhuǎn)換平臺(tái)開發(fā)

3.2.1 系統(tǒng)開發(fā)語言

在模型轉(zhuǎn)換原理的基礎(chǔ)上，基于Surpac軟件平臺(tái)，采用JAVA語言和TCL語言開發(fā)了SURPAC-FLAC3D模型轉(zhuǎn)換平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)將SURPAC中建立的導(dǎo)水構(gòu)造模型轉(zhuǎn)換為FLAC3D計(jì)算模型，為融合含有導(dǎo)水構(gòu)造的采煤工作面水文地質(zhì)數(shù)值模擬計(jì)算提供平臺(tái)支撐[22-23]。

3.2.2 系統(tǒng)架構(gòu)與設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用完全分布式架構(gòu)，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換任務(wù)由多個(gè)服務(wù)器形成的分布式集群共同協(xié)作完成，將Manager、Worker、協(xié)同模塊、日志數(shù)據(jù)庫等模塊可分別部署在多臺(tái)服務(wù)器上，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的計(jì)算能力，在并行計(jì)算、數(shù)據(jù)吞吐量、轉(zhuǎn)換效率、系統(tǒng)穩(wěn)定性等方面提高性能，并可通過增加服務(wù)器節(jié)點(diǎn)水平擴(kuò)展，支持百萬級(jí)甚至千萬級(jí)大型地質(zhì)建模數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的需求。

用戶可通過瀏覽器訪問Manager節(jié)點(diǎn)地址，提交要轉(zhuǎn)換的SURPAC數(shù)據(jù)文件，進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，本系統(tǒng)支持IE/Edge/FireFox/Chrome等主流瀏覽器。用戶登陸系統(tǒng)界面(圖11)，在首頁輸入正確的用戶名、密碼、驗(yàn)證碼后即可進(jìn)入轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。

圖11 SURPAC-FLAC3D模型轉(zhuǎn)換系統(tǒng)

3.2.3 系統(tǒng)應(yīng)用情況

在SURPAC-FLAC3D模型轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中，提交SURPAC數(shù)據(jù)模型文件(表1)并執(zhí)行轉(zhuǎn)換操作，系統(tǒng)能快速完成SURPAC模型數(shù)據(jù)到FLAC3D數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后，輸出的FLAC3D數(shù)據(jù)文件，見表2。

表1 SURPAC數(shù)據(jù)模型文件數(shù)據(jù)樣例

4 應(yīng)用實(shí)例

通過現(xiàn)場收集山西塔山煤礦水文地質(zhì)勘探多源多尺度數(shù)據(jù)，構(gòu)建多源數(shù)據(jù)融合實(shí)體耦合模型，如圖12所示。

為其中的陷落柱精細(xì)實(shí)體模型(圖13a)加載對(duì)應(yīng)的地質(zhì)屬性數(shù)據(jù)，劃分單位大小，合并同類型單元格，并對(duì)重要網(wǎng)格進(jìn)行加密，得到陷落柱塊體模型(圖13b)。

表2 FLAC3D數(shù)據(jù)文件

1—地形；2—陷落柱模型； 3—斷層；4—電法勘探富水區(qū)；5—巷道

利用SURPAC-FLAC3D模型轉(zhuǎn)換系統(tǒng)對(duì)塊體模型數(shù)據(jù)文件進(jìn)行轉(zhuǎn)換，生成可供FLAC3D讀取的命令行批處理文件，輸入FLAC3D軟件得到包含5 976個(gè)單元的計(jì)算模型，如圖14所示。

通過對(duì)比轉(zhuǎn)換前后的模型，可以看到導(dǎo)入FLAC3D后的計(jì)算模型與SURPAC中的屬性塊體模型外部形狀完全一致，證實(shí)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)已具備良好的適用性。

5 討論與展望

礦井導(dǎo)水構(gòu)造三維精細(xì)模型構(gòu)建與轉(zhuǎn)換技術(shù)伴隨著大數(shù)據(jù)、云計(jì)算和人工智能等新興科學(xué)技術(shù)革命的發(fā)展應(yīng)運(yùn)而生，可以廣泛應(yīng)用于以下3個(gè)方面：

a.地質(zhì)保障領(lǐng)域 煤炭資源賦存地質(zhì)條件精細(xì)勘查與三維建模是采前煤炭綠色開采地質(zhì)保障的核心內(nèi)容[24]，礦井導(dǎo)水構(gòu)造三維精細(xì)模型構(gòu)建與轉(zhuǎn)換技術(shù)不但可以從三維空間里對(duì)導(dǎo)水構(gòu)造空間特征進(jìn)行精細(xì)刻畫與描述，還可以揭示其與含煤地層、煤層之間的空間關(guān)系，耦合實(shí)體模型轉(zhuǎn)換為塊體屬性計(jì)算模型為研究煤炭開采過程中的地質(zhì)條件與應(yīng)力場的變化奠定基礎(chǔ)。

圖14 陷落柱FLAC3D計(jì)算模型

b.智慧煤礦多源數(shù)據(jù)融合方向 采掘過程中獲得的多源實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息融合管理是實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)地質(zhì)信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)，也是智慧煤礦的核心技術(shù)攻關(guān)[25]，以數(shù)據(jù)融合分布式結(jié)構(gòu)理論模型為根基的礦井導(dǎo)水構(gòu)造多源數(shù)據(jù)融合實(shí)體模型構(gòu)建方法在多源異構(gòu)數(shù)據(jù)預(yù)處理、異構(gòu)數(shù)據(jù)統(tǒng)一計(jì)算、數(shù)據(jù)接入與整合貫通等方面為實(shí)現(xiàn)“智慧礦山–透明礦井–透明工作面”提供技術(shù)支撐。

c.災(zāi)害治理方面 礦井導(dǎo)水構(gòu)造三維精細(xì)模型構(gòu)建與轉(zhuǎn)換技術(shù)已在冀中能源白澗鐵礦、同煤塔山煤礦等煤礦山陸續(xù)得到實(shí)際應(yīng)用。系統(tǒng)構(gòu)建了金屬礦山勘探工程三維設(shè)計(jì)模型(圖15)和導(dǎo)水構(gòu)造注漿封堵工程三維設(shè)計(jì)模型，將鉆探、物探、化探等多源、多尺度地質(zhì)、水文地質(zhì)勘探數(shù)據(jù)全面融合進(jìn)設(shè)計(jì)模型中。作為實(shí)際工程中三維輔助動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)工具，避免錯(cuò)誤信息的干擾，提高了設(shè)計(jì)施工質(zhì)量，同時(shí)節(jié)約了勘探成本、縮短了施工周期。

6 結(jié)論

a. 基于數(shù)據(jù)融合分布式結(jié)構(gòu)理論，探索出將地質(zhì)、水文地質(zhì)多源勘探數(shù)據(jù)融合為三維地質(zhì)實(shí)體模型的構(gòu)建方法，通過多源異構(gòu)地質(zhì)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)處理、跟蹤與分類、數(shù)據(jù)配準(zhǔn)、關(guān)聯(lián)與融合等4個(gè)關(guān)鍵步驟，構(gòu)建得到礦井導(dǎo)水構(gòu)造多源數(shù)據(jù)融合實(shí)體模型。

b. 在地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)研究的基礎(chǔ)上，重新定義“廣域概略模型”與“礦井精細(xì)導(dǎo)水構(gòu)造模型”的基本概念，利用塔山煤礦陷落柱“廣域概略模型”實(shí)例，實(shí)現(xiàn)陷落柱內(nèi)部復(fù)雜的巖層結(jié)構(gòu)的精細(xì)刻畫，得到包含空間拓?fù)潢P(guān)系的陷落柱精細(xì)耦合實(shí)體模型，為后續(xù)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)水構(gòu)造數(shù)值模擬建模和計(jì)算分析應(yīng)用打下良好基礎(chǔ)。

c. 根據(jù)SURPAC和FLAC3D2種模型的屬性和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出了礦井導(dǎo)水構(gòu)造SURPAC和FLAC3D模型轉(zhuǎn)換方法，利用JAVA語言和TCL語言開發(fā)了SURPAC-FLAC3D模型轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)水構(gòu)造實(shí)體耦合模型轉(zhuǎn)換為FLAC3D計(jì)算模型的目標(biāo)，為礦山地質(zhì)條件精細(xì)勘查與融合構(gòu)建、礦山水害精準(zhǔn)預(yù)測與防治提供技術(shù)支撐。

[1] 武強(qiáng). 煤礦防治水細(xì)則解讀[M]. 北京：煤炭工業(yè)出版社，2018：1–4；73–74. WU Qiang. Interpretation of detailed rules for prevention and control of water in coal mines[M]. Beijing：Coal Industry Press，2018：1–4，73–74.

[2] 張勝強(qiáng). 我國煤礦事故致因理論及預(yù)防對(duì)策研究[D]. 杭州：浙江大學(xué)，2004：6–7.ZHANG Shengqiang. The study on our country’s coal mine accident-causing theory and prevention countermeasures[D]. Hangzhou：Zhejiang University，2004：6–7.

[3] 孫喜民. 煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展方略研究與實(shí)踐[J]. 煤炭工程，2019，51(1)：152–156.SUN Ximin. Research and practice of high-quality development strategy of coal industry[J]. Coal Engineering，2019，51(1)：152–156.

[4] HOULDING S W. 3D geoscience modeling，computer technique for geological characterization[M]. Berlin：Spring-Verlag，1994：2–50.

[5] 王國法，王虹，任懷偉，等. 智慧煤礦2025情景目標(biāo)和發(fā)展路徑[J]. 煤炭學(xué)報(bào)，2018，43(2)：295–305.WANG Guofa，WANG Hong，REN Huaiwei，et al. 2025 scenarios and development path of intelligent coal mine[J]. Journal of China Coal Society，2018，43(2)：295–305.

[6] 毛善君. “高科技煤礦”信息化建設(shè)的戰(zhàn)略思考及關(guān)鍵技術(shù)[J]. 煤炭學(xué)報(bào)，2014，39(8)：1572–1583.MAO Shanjun. Strategic thinking and key technology of informatization construction of high-tech coal mine[J]. Journal of China Coal Society，2014，39(8)：1572–1583.

[7] 吳立新，殷作如，鄧智毅，等. 論 21世紀(jì)的礦山：數(shù)字礦山[J].煤炭學(xué)報(bào)，2000，25(4)：337–342.WU Lixin，YIN Zuoru，DENG Zhiyi，et al. Research to the mine in the 21st century：Digital mine[J]. Journal of China Coal Society，2000，25(4)：337–342.

[8] ANOWAR H M，IBRAHIM E，ABDULHAMEED A S. Cooperative Vehicle positioning with multi-sensor data fusion and vehicular communications[J]. Wireless Networks，2019，25(3)：1403–1413.

[9] HECHMI M J，HACEN K，AMINE B. Targets classification based on multi-sensor data fusion and supervised learning for surveillance application[J]. Wtreless Personal Communications，2019，105(1)：313–333.

[10] 侯恩科，吳立新，李建民，等. 三維地學(xué)模擬與數(shù)值模擬的耦合方法研究[J]. 煤炭學(xué)報(bào)，2002，33(4)：388–392.HOU Enke，WU Lixin，LI Jianmin，et al. Study on the coupling method of three-dimensional geoscience simulation and numerical simulation[J]. Journal of China Coal Society，2002，33(4)：388–392.

[11] 侯恩科，趙洲. 三維體元拓?fù)鋽?shù)據(jù)模型的改進(jìn)與實(shí)驗(yàn)[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2006，34(4)：13–16.HOU Enke，ZHAO Zhou.Optimization and experimentation for 3D topological data model based on component[J]. Coal Geology & Exploration，2006，34(4)：13–16.

[12] 陳建平，呂鵬，吳文，等. 基于三維可視化技術(shù)的隱伏礦體預(yù)測[J]. 地學(xué)前緣，2007，14(5)：54–62.CHEN Jianping，LYU Peng，WU Wen，et al. Prediction of concealed orebody based on 3D visualization technology[J]. Geoscience Frontier，2007，14(5)：54–62.

[13] WU Qiang，XU Hua. An effective method for 3D geological modeling with multi-source data integration[J]. Computers and Geosciences，2008，34(3)：35–43.

[14] 羅周全，吳亞斌，劉曉明，等. 基于SURPAC的復(fù)雜地質(zhì)體FLAC~(3D)模型生成技術(shù)[J]. 巖土力學(xué)，2008(5)：1334–1338.LUO Zhouquan，WU Yabin，LIU Xiaoming，et al. FLAC3Dmodeling for complex geologic body based on SURPAC[J]. Rock and Soil Mechanics，2008(5)：1334–1338.

[15] 胡斌，張倬元，黃潤秋，等. FLAC3D前處理程序的開發(fā)及仿真效果檢驗(yàn)[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2002，21(9)：1381–1391.HU Bin，ZHANG Zhuoyuan，HUANG Runqiu，et al. Development of FLAC3Dpre-processing program and verificatsion of simulation effect[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2002，21(9)：1381–1391.

[16] 韓崇昭，朱洪艷，段戰(zhàn)勝，等. 多源信息融合(第二版)[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2010：1–14.HAN Chongzhao，ZHU Hongyan，DUAN Zhansheng，et al. Multi-source information fusion(second Edition)[M]. Beijing：Tsinghua University Press，2010：1–14.

[17] 武強(qiáng)，徐華. 地質(zhì)建模與可視化[M]. 北京：科學(xué)出版社，2011：1–16.WU Qiang，XU Hua. 3D Geological modeling and virtual visualization[M]. Beijing：Science Press，2011：1–16.

[18] 潘結(jié)南，孟召平，甘莉. 礦山三維地質(zhì)建模與可視化研究[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2005，33(1)：16–18.PAN Jienan，MENG Zhaoping，GAN Li.Study on 3D geoscience modeling and visualization of mines[J]. Coal Geology & Exploration，2005，33(1)：16–18.

[19] 科瓦列夫斯基. 基于地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)的地質(zhì)建模[M]. 劉應(yīng)如，曹正林，鄭紅軍，等譯. 北京：石油工業(yè)出版社，2014：1–20.KOVALEVSKIY E. Geological modeling on the base of geostatistics[M]. Beijing：Petroleum Industry Press，2014.

[20] 林杭，曹平，李江騰，等. 基于SURPAC的FLAC3D三維模型自動(dòng)構(gòu)建[J]. 中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，37(3)：339–342.LIN Hang，CAO Ping，LI Jiangteng，et al. Automatic generation of FLAC3Dmodel based on SURPAC[J]. Journal of China University of Mining & Technology，2008，37(3)：339–342.

[21] BASU A，LI X.Computer Vision：Systems，theory and applications[M]. World Scientific，1993.

[22] 萬江平，嚴(yán)明. 用Java語言開發(fā)專家系統(tǒng)[J]. 計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2000，17(5)：62–64.WAN Jiangping，YAN Ming. Develop expert system with Java language[J]. Computer Application Research，2000，17(5)：62–64.

[23] 張浩，駱正虎，楊敬安. 基于Java語言的移動(dòng)Agent開發(fā)平臺(tái)[J]. 合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2001，24(5)：907–912.ZHANG Hao，LUO Zhenghu，YANG Jing’an. Mobile Agent development platform based on Java language[J]. Journal of Hefei University of Technology(Natural Science Edition)，2001，24(5)：907–912.

[24] 王雙明，孫強(qiáng)，喬軍偉，等. 論煤炭綠色開采的地質(zhì)保障[J]. 煤炭學(xué)報(bào)，2020，45(1)：8–15.WANG Shuangming，SUN Qiang，QIAO Junwei，et al. Geological guarantee of coal green mining[J]. Journal of China Coal Society，2020，45(1)：8–15.

[25] 王國法，杜毅博. 智慧煤礦與智能化開采技術(shù)的發(fā)展方向[J]. 煤炭科學(xué)技術(shù)，2019，47(1)：1–10.WANG Guofa，DU Yibo. Development direction of intelligent coal mine and intelligent mining technology[J]. Coal Science and Technology，2019，47(1)：1–10.

Construction and transformation technology of three-dimensional fine model of mine water diversion structure

FAN Juan1,2,3, HOU Enke1, JIN Dewu2,3, QIAO Wei2,3, NAN Shenghui2,3

(1. College of Geology and Environment, Xi’an University of Science and Technology, Xi’an 710054, China; 2. Xi’an Research Institute Co. Ltd., China Coal Technology and Engineering Group Corp., Xi’an 710077, China; 3. Shaanxi Key Laboratory of Coal Mine Water Hazard Prevention and Control Technology, Xi’an 710077, China)

In order to solve the technical problems of fine depiction of mine water structures and flexible inheritance of 3D geological models, such as the lack of fine depiction of internal rock structure of trapped columns and inaccurate fusion of multi-source data, the research on the construction method of multi-source data fusion solid model of mine water guide structures, the fine model construction process and the development of model conversion system was carried out. Based on the theory of data fusion distributed structure, the three-level coupling strategy of geological data coupling, entity model coupling and construction model coupling was adopted to establish a set of construction methods for fusion of multi-source data of hydrogeological exploration into three-dimensional geological entity model. Through the four key steps of standardized preprocessing of multi-source heterogeneous geological data, tracking and classification, data registration, correlation and fusion, a solid model of multi-source data fusion of mine water-conducting structure was constructed. On the basis of geostatistical research, the basic concepts of “mine fine hydraulic structure model” and “wide area generalization model” were proposed, and the wide area conceptual model and fine model of the trapped column were constructed, taking the trapped column as an example. According to the properties and data structure characteristics of the two 3D models of SURPAC and FLAC3D, the conversion method between SURPAC and FLAC3Dmodels of mine hydraulic structures was proposed. Developed the SURPAC-FLAC3Dmodel conversion system using JAVA and TCL languages, which supports local, network operation and remote control of multiple machines for multiple users simultaneously. The system finally achieved the goal of converting the coupled model of water-guiding tectonic entities into the FLAC3Dcomputational model, which provides technical support for fine investigation and fusion construction of mine geological conditions and accurate prediction and prevention of mine water damage.

multi-source data fusion; characterization of water diversion structure; fine model construction method; model transformation technology

請(qǐng)聽作者語音介紹創(chuàng)新技術(shù)成果等信息，歡迎與作者進(jìn)行交流

TU457

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2020.06.025

1001-1986(2020)06-0186-09

2020-05-07；

2020-11-09

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2017YFC0804100)；中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司科技創(chuàng)新基金項(xiàng)目(2015XAYMS20)

National Key R&D Program of China(2017YFC0804100)；Science and Technology Innovation Fund of Xi’an Research Institute of CCTEG(2015XAYMS20)

樊娟，1983年生，女，山西臨汾人，博士研究生，從事煤礦水害防治工作. E-mail：fanjuan@cctegxian.com

侯恩科，1963年生，男，陜西扶風(fēng)人，教授，博士生導(dǎo)師，從事煤田地質(zhì)與礦井地質(zhì)、礦井水害防治方面的教學(xué)與科研工作. E-mail：houek@xust.edu.cn

樊娟，侯恩科，靳德武，等. 礦井導(dǎo)水構(gòu)造三維精細(xì)模型構(gòu)建與轉(zhuǎn)換技術(shù)[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2020，48(6)：186–194.

FAN Juan，HOU Enke，JIN Dewu，et al. Construction and transformation technology of three-dimensional fine model of mine water diversion structure[J]. Coal Geology & Exploration，2020，48(6)：186–194.

(責(zé)任編輯 周建軍)