基于三维地质建模技术的煤矿隐蔽致灾
因素透明化研究
王嘉伟1，2，  王海军1，2，3，  吴汉宁1，2，  吴艳3，  韩珂3，  程鑫1，2，  董敏涛3
（1. 西北大学  地质学系，陕西  西安　710069；
2. 西北大学  大陆动力学国家重点实验室，陕西  西安　710069；
3. 中煤科工西安研究院（集团）有限公司，陕西  西安　710077）
摘要：隐蔽致灾因素是制约煤矿智能开采建设的关键问题，而三维地质建模是实现隐蔽致灾因素透明化的主要技术手段。目前煤矿三维地质建模技术以几何建模为主、属性建模为辅，缺少针对隐蔽致灾因素的灾害属性建模。针对上述问题，以陕北某煤矿作为研究对象，对煤层厚度、顶底板构造起伏、积水区、浅埋煤层地形地貌等隐蔽致灾因素进行三维地质建模。首先，完成对地质资料、物探、钻探等成果的数字化工作，建立煤矿地质数据库。其次，利用DepthInsight 建模软件从全矿井和工作面2个尺度开展建模工作，即以钻孔分层数据作为地层控制点，通过煤层及地表等高线、虚拟钻孔等数据联合控制地层层序，并处理初始层面模型中的穿层异常，构建地层面模型和地质体模型，再运用数字高程模型对工作面进行地表模型构建。然后，采用岩体建模构建采空区、积水区模型并标注温度、气体等信息，利用工作面回采测量数据
构建回采实测模型。最后，创建截断网格模型，通过序贯高斯模拟生成含水层渗透率、富水系数模型，实现区内水文隐蔽致灾因素透明化显示。基于三维地质模型，从地层、煤层及工作面、采空区及其积水区、水文属性多角度分析隐蔽致灾因素的分布及影响。研究成果可为煤矿隐蔽致灾因素的精准治理提供靶区，助力煤矿智能开采建设。
关键词：煤矿三维地质建模；隐蔽致灾因素；地质透明化；几何建模；属性建模中图分类号：TD67    文献标志码：A
Research on transparency of hidden disaster causing factors in coal mines based on
3D geological modeling technology
WANG Jiawei 1,2,  WANG Haijun 1,2,3,  WU Hanning 1,2,  WU Yan 3,  HAN Ke 3,  CHENG Xin 1,2,  DONG Mintao 3(1. Department of Geology, Northwest University, Xi'an 710069, China ； 2. State Key Laboratory of Continental Dynamics, Northwest University, Xi'an 710069, China ； 3. CCTEG Xi'an Research Institute, Xi'an 710077, China)
Abstract : Hidden  disaster  causing  factor  is  the  key  issue  that  restricts  the  construction  of  intelligent  coal mining. The  3D  geological  modeling  is  the  main  technical  means  to  achieve  tran
sparency  of  hidden  disaster causing  factors. At  present, the  3D  geological  modeling  technology  of  coal  mines  mainly  relies  on  geometric modeling and attribute modeling as a supplement, lacking disaster attribute modeling for hidden disaster causing factors. In order to solve the above problems, taking a coal mine in northern Shaanxi as the research object, the 3D
收稿日期：2023-11-09；修回日期：2024-04-07；责任编辑：盛男。
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基金项目：国家自然科学基金项目（91855211）；中煤科工集团西安研究院有限公司科技创新基金资助项目（2020XAYJC03）。作者简介：王嘉伟（1999—），男，浙江宁波人，硕士研究生，研究方向为矿产普查与勘探，E -mail ：1031654497@qq 。通信作者：
王海军（1985—），男，陕西榆林人，副研究员，硕士，研究方向为煤田地质勘查与矿井地质，E -mail ：wanghaijun10000@163 ；吴汉宁（1956—），男，陕西汉阴人，研究员，博士，博士研究生导师，研究方向为石油天然气地质、大地构造与区域构造及古地磁学，E -mail ：Wuhn2506@nwu .edu 。
引用格式：王嘉伟，王海军，吴汉宁，等. 基于三维地质建模技术的煤矿隐蔽致灾因素透明化研究[J ]. 工矿自动化，2024，50（3）：
71-81, 121.
WANG Jiawei, WANG Haijun, WU Hanning, et al . Research on transparency of hidden disaster causing factors in coal mines based on 3D geological modeling technology [J ]. Journal of Mine Automation ，2024，50（3）：71-81, 121
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第 50 卷 第 3 期工　矿　自　动　化
Vol .50 No .32024 年 3 月
Journal of Mine Automation
Mar . 2024
文章编号：1671−251X （2024）03−0071−12DOI ：10.13272/j.issn.1671-251x.2023110030
geological modeling is conducted on hidden disaster causing factors such as coal seam thickness, roof and floor structural undulations, waterlogged areas, and shallow coal seam topography. Firstly, the digitization of geological data, geophysical exploration, drilling and other achievements are completed. The coal mine geological database is established. Secondly, the DepthInsight modeling software is used to carry out modeling work from two scales: the entire mine and the working face. The drilling layer data is used as the stratigraphic control point, and the stratigraphic sequence is jointly controlled through coal seam and surface contour lines, virtual drilling, and other data. The layer crossing anomalies in the initial layer model is processed. The ground level model and geological body model a
re constructed. The digital elevation model is used to construct the surface model of the working face. Thirdly, rock mass modeling is used to construct models of goaf and waterlogging areas, and temperature, gas and other information are annotated. The actual mining measurement data of the working face is used to construct a mining measurement model. Finally, the truncated grid model is created. The permeability and water-rich coefficient model of the aquifer is generated through sequential Gaussian simulation to achieve transparent display of hidden hydrological disaster causing factors in the area. Based on a 3D geological model, the distribution and impact of hidden disaster causing factors are analyzed from multiple perspectives such as strata, coal seams and working faces, goaf and its waterlogged areas, and hydrological attributes. The research results can provide a target area for the precise management of hidden disaster causing factors in coal mines, and assist in the construction of intelligent mining in coal mines.
Key words: 3D geological modeling of coal mines; hidden disaster causing factors; geological transparency; geometric modeling; attribute modeling
0　引言
煤矿智能化是煤炭产业高质量发展的核心技术支撑，而隐蔽致灾因素是制约煤矿智能化建设的关键因素。
近年来，煤矿生产过程中发生的水害、火灾、顶板、瓦斯等重大灾害事故与隐蔽致灾因素关系密切。为保证煤矿安全生产，利用计算机技术实现隐蔽致灾因素的地质透明化对于揭示隐蔽致灾因素类型及分布范围、提供数据支撑、协助制定治理方案具有重要作用，而三维地质建模是实现隐蔽致灾因素地质透明化的关键技术手段[1-3]。相较于传统二维图件中对隐蔽致灾因素的描述，三维地质模型能将矿区开展的隐蔽致灾因素普查、钻探、物探、采样测试等地质勘查阶段和矿井生产阶段的多源异构数据以图像形式呈现，能够实时、直观地呈现隐蔽致灾因素的分布范围和变化，是当前对隐蔽致灾因素的监测、预警及精确治理较为有效的技术手段[4-5]。
国际上三维地质建模技术的发展主要从21世纪开始。当前主流建模软件GOCAD以J. L. Mallet提出的离散平滑插值（Discrete Smooth Interpolation，DSI）算法为理论支撑[6]进行开发，并不断迭代形成了一套以算法为关键、数据存储和交互为核心、工作流程为主体的半智能化建模软件，在油气勘探、地质勘探、矿山开采、地下工程规划等领域应用较广[7-8]。同时，随着三维地质建模技术在煤炭行业的应用及国产三维地质建模技术的发展成熟，国内学者在煤矿透明地质保障技术[9]、三维地质建模可视化技术综合矿[10]、智能化开采地质构造三维可视化模型构建[11]及智能开采透明工作面地质模型梯级优化[12]等方面相继取得成果。目前国产三维地质建模软件在复杂地质构造建模、数字矿山建设、煤炭勘探[13-14]等领域逐渐普及。其中DepthInsight三维地质建模软件通过Delaunay三角网格中的对偶Voronoi边与曲线的交点来获取限定曲线段在网格中的逼近边，实现在三角网格中呈现出平滑曲线的效果，利用闭合
区块构造算法生成封闭实体，达到构建复杂地表形态、区域地质体、深部地质构造和地层属性模拟的效果[15-16]。相较于国内外其他建模软件，该软件对矿区地质构造及地层属性还原度较高，降低了对使用者知识储备量的要求，并通过调节网格大小构建不同精度的地质模型，对复杂地质条件下的地质体及地层属性描述较为详细。
目前煤矿三维地质建模技术以几何建模为主、属性建模为辅，缺少对制约煤矿安全、高效、绿、智能开采的隐蔽致灾因素的“静态+动态”地质分析的灾害属性建模。针对上述问题，本文以某智能化建设矿井为工程背景，在完成多源异构二维地质数据同化处理的基础上，采用DepthInsight软件进行三维地质几何、属性建模，并根据工程勘查、地质建模的结果从全矿井和工作面2个尺度分析煤矿的地质
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几何及其隐蔽致灾因素灾害属性特征，探索三维地质建模技术在煤矿隐蔽致灾因素地质透明化等方面的应用和可行性。
1　开采地质概况
1.1　矿井地质特征
矿井位于陕北黄土高原地区，地貌特征为典型的黄土丘陵沟壑单元，地表支离破碎、沟壑纵横，整体地
势为东北−西南由高向低展布，构造类型简单，地表、煤层及其煤系沿沟谷大面积出露，属于半掩盖式煤田；矿井主要涌水量来源为采空区积水，直接充水含水层为煤层顶板砂岩水和沿沟谷区域的地表水；煤层顶板岩性以曲流河三角洲形成的砂岩为主，
煤层顶板稳定性中等；煤层自燃瓦斯以氮气为主，二氧化碳少量或微量，甲烷微量或零，属于低瓦斯矿井。煤尘具有爆炸危险性且属于I 类易于自燃煤层。
制约矿井安全开采的关键隐蔽致灾因素包括采空区积水、煤层顶底板构造起伏及煤层厚度变化、浅埋煤层过沟谷开采等，其中浅埋煤层过沟区域具有水害、火灾、顶板等多灾害耦合的特点。
研究区构造如图1所示。针对该矿井的建模任务主体地层为延安组地层，而全新统河流冲积层只在沟谷之中有所分布，第四系上、中更新统与全新统河流冲积层全部划归为第四系地层，不作单独区分。
地层单位系第四系新近系侏罗系延安组保德组
第五段第四段
第
三段
第二段组段厚度/m 岩性
含(隔)水层第四系孔隙潜水
含水层新近系上新统保德组
隔水层侏罗系延安组第五段裂隙
承压含水层侏罗系延安组第四段裂隙
承压含水层侏罗系延安组第三段裂隙
承压含水层侏罗系延安组第二段裂隙
承压含水层侏罗系延安组第三段隔水层侏罗系延安组第二段隔水层
3−1 煤
5−2 煤
0~60.2
0~15.1
0~71.50~81.50~32.48
0.68~2.8728.7~48.5
50.4~105.91.04~4.76
0~80.2
比例尺 1:100 000
研究区图例
边界
正断层逆断层背斜向斜推覆正断层
研究区地质构造纲要图图 1    研究区构造
Fig. 1    Geological map of the study area
1.2　采掘工程部署
区内主力开采煤层为5−2煤，煤层厚度为2.6～5.2 m ，平均厚度为3.95 m ，煤层埋深为47.31～292.92 m ，采用综合机械化采煤方式。采空区顶板采用自然垮落法管理，目前开采工作面为智能开采工作面，工作面宽度为300 m ，倾向长度为3.50 km ；针对智能开采煤矿采用自动推溜拉架，采煤机采用记忆截割为主、人工为辅助的自动采煤工艺。在工作面的智能开采过程中发现采煤工作面煤层厚度、煤层顶板起伏构造形态是目前影响工作面智能化的关键性地质因素，依据地质勘查钻孔间距建立的地质模型无法满足智能开采的精度要求，需要利用精度更高的钻孔数据和相关地质资料构建矿区三维地质模型来实现生产指导和地质透明化。
2　三维地质建模
对研究区内三维地质建模任务进行分析，确立“煤矿地质数据库建立—三维几何建模—三维属性建模”的三维地质建模流程，如图2所示。
2.1　煤矿地质数据库建立
利用无人机倾斜摄影成像、航空瞬变电磁勘探、钻孔数字化录入、钻孔−剖面地层精细划分对比技术完成对地质资料、物探、钻探等成果的数字化工作，建立煤矿地质数据库，包括钻孔数据和地质资料数据。
提炼钻孔综合柱状图、抽水试验成果表中钻孔井位（钻孔编号、坐标、深度）、钻孔分层（钻孔编号、地层编号、顶深）、钻孔属性（钻孔编号、深度、富水系数、渗透率）等数据，完成钻孔数字化；通过AutoCAD 对地质地形图中地表等高线、煤层底板等
2024 年第 3 期王嘉伟等： 基于三维地质建模技术的煤矿隐蔽致灾因素透明化研究•  73  •
高线、工作面边界、采空区边界和积水区边界赋值，利用ArcGIS 格式转换模块生成.shp 文件。此外，利用无人机航测RTK+倾斜摄影技术对区内地表进行三维成像，并对沟谷、河流、建筑物等进行拍摄成像，生成数字高程模型（Digital  Elevation  Model ，DEM ）。
2.2　初始地层三维几何建模
本文三维地质建模分为几何建模和属性建模2个部分。几何建模主要内容包括地表模型、地层、地质体模型、煤层、工作面、回采实测、采空区及积水区模型；属性建模的内容是富水系数、渗透率模型。
研究区面积约为16 km 2，针对不同时期地质认识、地层单元、煤层编号、层段及地层界限划分不统一的问题，依据地层旋回、岩性组合、煤层底板标高、标志层法、古生物化石等综合对比技术实现对区内层序地层格架的建立，并根据层序地层格架对所有施工的137个钻孔在统一刻度下的地层及煤层组段进行划分，将5−2煤层至地表共划分为26个层段，实现全矿井层面划分，层序清晰且地层全区闭合。考虑工作站性能及数据处理量等，初始模型单位网格尺寸为200 m×200 m ，地质体模型单位网格尺
寸为20 m×20 m ，并利用拐点数据确定工区范围，以工区东南角为原点、工区东西方向为X 轴、南北方向为Y 轴、地层垂向为Z 轴建立工区空间直角坐标系。三维地质几何模型的建立遵循“点−线−面−体”的原则，将数据库中钻孔分层数据以地层控制点的形式对地层进行约束，并相互连接形成网格线，控制地层整体走向、起伏和地质构造形态。基于以上数据和地层面、地质体生成算法可生成初始层面模型（图3（a ））及初始地质体模型（图3（b ））。
2.3　模型精细修正
研究区初始模型中相邻地层互相穿插，地层关系不正确。针对模型穿层现象展开分析，总结归纳为层面划分不清和数据不足2种原因造成。
模型中单一层面突然隆起或凹陷，是由于部分区域层面划分不清导致钻孔分层出现误差，与同一层面其他钻孔井位比较，异常位置分层数据过浅或过深造成异常现象。
相邻地层之间穿层现象，例如图3（a ）中左侧顶面出现新近系保德组地层与下伏2−2煤顶板地层相互穿插，并且在初始地质体模型中会看到地质体西南部有穿层现象。这种穿层现象主要由数据不足导
三维几何建模
富水系数模型渗透率模型钻孔井位数据钻孔分层数据钻孔属性曲线
地表等高线离散点煤层底板等高线离散点
工作面及采空区边界
采空区积水边界煤矿地质数据库
地质地形图
煤层底板等高线图
采掘工程平面图
隐蔽致灾因素图
钻孔综合柱状图
抽水试验成果表
初始层面模型初始地质体模型
三维属性建模
煤层模型采空区模型工作面地表模型
地层面模型
地质体模型
构造建模岩体建模地表 DEM 图适配生成地质体
地质资料多源异构同化
地质资料数据库
图件简化数据提炼
地质体生成算法
建立大工区平面网格步长纵向分层调和平均数据粗化变差函数分析序贯高斯模拟
生产指导水文隐蔽致灾
网格化模型属性模拟地层检查构造模型层面关系提取工作面边界提取采空区、积水
区离散点
虚拟控制点等高线离散点复核分层数据生成层面钻孔数字化
钻孔数据库数据整理
地层面生成算法地层分析煤层分析采空区分析水文属性分析
工作面模型
积水区模型
火区模型瓦斯浓度模型
矿压模型图 2    三维地质建模流程Fig. 2    3D geological modeling flow
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工矿自动化
第 50 卷
致。对于下伏地层而言，2组地层在穿层位置没有分层数据进行控制，地层生成算法会默认延续周围控制点所示地层走向，即持续抬升或持续凹陷导致穿过相邻地层；对于地表而言，由于这一阶段生成的地表数据主要来源于钻孔分层数据，此类数据虽能较好地反映地表下伏地层的整体走向，但是对于形态复杂的地表而言数据体量太小，无法显示其与下伏地层的接触关系和复杂的地形地貌。
针对单一层面突然隆起或凹陷的位置，与层序地层格架对比复核钻孔分层，和前期区域勘探报告交叉验证，明确层位划分，更新钻孔分层数据并提取生成地层；对于相邻地层之间的穿层现象，根据算法
判断穿层位置附近其他控制点所生成的层面整体走向来确定是下伏上穿或上覆下穿，根据地表标高、煤层底板等高线、地层倾角和煤层厚度变化趋势，结合周边钻孔柱状图插入虚拟钻孔数据并校准层面；对煤层底板、地表等重要层面利用等高线数据通过离散点和控制点进行联合控制；人工指定地层关系，即除第四系地层和新近系保德组出露地层关系设置为上切下关系，其余地层均设置为下切上关系，统一地层产状。应保证层面之间关系清晰，层序正确并调整网格步长为20 m×20 m ，检验地层面模型效果（图4）。
利用地层体生成算法在地层面模型的基础上充填层间空隙、刻画地表起伏和剥蚀形态，生成地质体模型（图5）。
2.4　地表、煤层、工作面三维几何建模
利用无人机航测RTK+倾斜摄影技术获取区内DEM ，并加载图像，针对区内工作面进行地表建模。采用图像耦合技术对DEM 与地质体模型中地表进行耦合处理，生成地表模型（图6）。加载数据库中工作面边界，运用切割算法切除其余地表模型，仅保留工作面部分，并单独显示沟谷、梁峁、地表水流等地貌特征。
基于地质体模型建立5−2煤层三维地质模型。为反映煤层厚度变化和顶底板构造起伏形态，采取单层建模，关闭上覆地层数据，提升运算速率。调整网格步长为10 m×10 m ，重新校准煤层底板等高线和控制点数据并生成煤层模型（图7）。在模型表面和侧面进行网格填充来凸显层厚变化和起伏。
为指导工作面智能开采，同时考虑到建模硬件运行环境，依据工作站性能，选取5 m×5 m 的网格步长，从数据库中导入工作面边界，采用切割算法保留边界内煤层。将工作面边界与工作面模型（图8）组合，圈定隆起区和洼陷区并标注煤层厚度变化区。
2.5　采空区、积水区三维几何建模
进行采空区三维建模时需恢复被切割的煤层模
（b ） 初始地质体模型
X Y
Z
N 2b 2−2 煤顶2−2 煤3−2 煤顶5−2 煤3−1 煤顶3−1 煤3−2 煤J 2y 34−4 煤4−2 煤顶4−2 煤
50 m
500 m
X
Y
（a ） 初始层面模型
50 m 500 m Z
图 3    初始层面及初始地质体模型
Fig. 3    Initial level and initial geologic body model
X
Z
Y
煤系煤层砂岩层
50 m
500 m
黏土层图 4    地层面模型Fig. 4    Ground level model
煤系煤层
砂岩层X
Y
Z
砂土层黏土层0
50 m
500 m
图 5    地质体模型Fig. 5    Geological body model
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王嘉伟等： 基于三维地质建模技术的煤矿隐蔽致灾因素透明化研究•  75  •

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