三維充水結(jié)構(gòu)可視化模型構(gòu)建及應(yīng)用

三維充水結(jié)構(gòu)可視化模型構(gòu)建及應(yīng)用

0采場充水結(jié)構(gòu)可視化實(shí)體建模技術(shù)造成的洪水是礦山災(zāi)害的五種類型之一，給國家資產(chǎn)和人民生活造成了重大損失。預(yù)防水害事故是礦工安全生產(chǎn)的一個重要課題。為了精確刻畫礦井水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)的三維特征，提高礦井水害監(jiān)測水平，筆者基于三維地質(zhì)建模技術(shù)構(gòu)建了采場充水結(jié)構(gòu)可視化實(shí)體，并在其中嵌入水害監(jiān)測信息，開發(fā)出集模型展示、數(shù)據(jù)查詢等模塊于一體的采場三維充水結(jié)構(gòu)可視化模型，在煤層底板突水綜合監(jiān)測與智能預(yù)警系統(tǒng)的構(gòu)建中發(fā)揮了重要作用。1場三維充水結(jié)構(gòu)的特征采場三維充水結(jié)構(gòu)可視化是基于地質(zhì)、物探、水文地質(zhì)及采掘工程信息，綜合應(yīng)用三維地質(zhì)建模和可視化技術(shù)，提取充水水源、充水通道等礦井充水要素靜態(tài)和動態(tài)信息，實(shí)現(xiàn)充水結(jié)構(gòu)的三維可視化表達(dá)。從水文地質(zhì)角度，采場三維充水結(jié)構(gòu)基于含水層、隔水層的結(jié)構(gòu)特征，既包含含水層、隔水層空間展布特征，又包含地下水位(壓)等水文地質(zhì)動態(tài)信息，水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)體及其屬性信息是第1特征;從地質(zhì)構(gòu)造角度，裂隙、節(jié)理、斷層、褶皺軸部(或核部)是表征重點(diǎn)，構(gòu)造是其第2特征;從采掘擾動角度，力求刻畫充水水源和充水通道的空間響應(yīng)特征，在靜態(tài)模型基礎(chǔ)上描述動態(tài)條件的時空變化，采掘擾動形成含、導(dǎo)水條件的空間變異是第3特征。構(gòu)建采場三維充水結(jié)構(gòu)模型的主要目的就是精細(xì)刻畫其空間形態(tài)及其組合關(guān)系，厘清水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)類型，從“體結(jié)構(gòu)”及“體特征”2個層面，揭示采場水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)體在充水過程中的空間變異規(guī)律，進(jìn)而為水害監(jiān)測預(yù)警提供決策支持平臺。2三維地質(zhì)建模理論和算法2.1幾何模型的建立三維地質(zhì)建模三維地質(zhì)建模中，根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域和問題描述的不同，原始數(shù)據(jù)可以分為空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)2大類?？臻g數(shù)據(jù)用于建立三維地質(zhì)幾何模型，刻畫出模型的空間形態(tài)和結(jié)構(gòu)特征;屬性數(shù)據(jù)用于建立三維地質(zhì)預(yù)測模型，反映地質(zhì)屬性的空間變化特征。幾何模型通過分解自身的體元，將細(xì)化后的體元作為預(yù)測模型中地質(zhì)屬性的空間結(jié)構(gòu)載體，以克服無法刻畫地質(zhì)體內(nèi)部非均一性特征的缺點(diǎn);預(yù)測模型則通過對已知采樣點(diǎn)進(jìn)行插值計算來預(yù)測未采樣點(diǎn)的空間屬性值，通過幾何模型對預(yù)測過程進(jìn)行控制和約束。2.2表面活性劑算法地質(zhì)建模中的算法主要應(yīng)用于空間特征的構(gòu)建，即數(shù)據(jù)插值和網(wǎng)格生成。采場三維充水結(jié)構(gòu)地質(zhì)模型構(gòu)建過程中幾何模型外形構(gòu)建的數(shù)據(jù)插值算法主要使用DSI離散光滑插值1)數(shù)據(jù)插值算法。在計算機(jī)繪圖學(xué)中，地質(zhì)界面被稱為空間曲面，通過鉆探、物探等手段可以得到描述其形態(tài)的離散點(diǎn)信息。曲面插值方法主要有反距離加權(quán)插值(IDW)在三維充水結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建過程中，水文地質(zhì)屬性的插值主要應(yīng)用克里金(Kriging)插值，這種插值方法基于地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)思想，以“區(qū)域性變量”來描述含(隔)水層標(biāo)高、水位(壓)等連續(xù)性變化的指標(biāo)變量。幾何模型構(gòu)建過程中對表面數(shù)據(jù)主要使用離散光滑插值(DSI)，這種算法是一種遞歸插值方法，其運(yùn)算速度主要取決于算法的收斂速度。2)網(wǎng)格構(gòu)建算法?？臻g曲面是由一系列離散點(diǎn)構(gòu)成并通過三角形相連而成的曲面。本文使用的是Delaunay三角剖分生成算法，算法基本思想是按照剖分規(guī)模將邊界離散成有序線段，然后，從邊界出發(fā)，依次以邊界線段為三角形的1條邊，在邊界點(diǎn)與內(nèi)部點(diǎn)中尋找合適點(diǎn)組成三角形，選取組成三角形頂角最大的點(diǎn)為最終三角形頂點(diǎn);將已形成三角形的邊界線段從邊界鏈表中刪除，形成新邊界;重復(fù)上述過程，直到除邊界外，三角形邊的兩側(cè)均有三角形為止;最終將所有三角形相連，就構(gòu)成三角網(wǎng)曲面。3采區(qū)三維充水結(jié)構(gòu)的三維建模和動態(tài)可視化的關(guān)鍵技術(shù)3.1地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型采場三維充水結(jié)構(gòu)模型分為3個層次(圖1)，模型框架層主要是構(gòu)建整個三維模型的地層架構(gòu)，數(shù)據(jù)來源為鉆探和地震勘探資料;靜態(tài)數(shù)據(jù)層主要對煤層、含水層、隔水層三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行甄別，數(shù)據(jù)來源為鉆探取心、測井、抽水試驗(yàn)、簡易水文地質(zhì)觀測等數(shù)據(jù);動態(tài)數(shù)據(jù)層是在水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型基礎(chǔ)上嵌入充水水源、充水通道等充水要素采場三維充水結(jié)構(gòu)模型主要包含靜態(tài)模型和動態(tài)可視化模型。靜態(tài)模型構(gòu)建流程如下(圖2):(1)利用地震資料解釋的地層數(shù)據(jù)、斷層數(shù)據(jù)構(gòu)建地質(zhì)模型框架，利用鉆孔數(shù)據(jù)對地層界面進(jìn)行控制;(2)以鉆探、測井資料為依據(jù)對含水層、隔水層進(jìn)行劃分;(3)構(gòu)建并加入含水層地下水初始水位(壓)面;(4)融合物探異常區(qū)、構(gòu)造發(fā)育區(qū)。采場三維地質(zhì)建模所涉及的數(shù)據(jù)為多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，按照其來源，劃分為地質(zhì)、地球物理、水文地質(zhì)3大專業(yè)數(shù)據(jù)庫。地質(zhì)數(shù)據(jù)庫包括鉆孔信息，鉆孔主要用于地層框架的構(gòu)建;地球物理數(shù)據(jù)庫包括地震勘探、電法勘探等獲取的構(gòu)造、含導(dǎo)水異常數(shù)據(jù);水文地質(zhì)數(shù)據(jù)庫是構(gòu)建采場三維充水結(jié)構(gòu)的主要數(shù)據(jù)源，主要包括含(隔)水層劃分的鉆孔勘探數(shù)據(jù)、測井?dāng)?shù)據(jù)、抽(放)水試驗(yàn)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)將這些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)矢量化為點(diǎn)、線、面文件進(jìn)行存貯。3.2采場三維充水結(jié)構(gòu)動態(tài)可視化模型礦井充水要素(充水水源、充水通道)動態(tài)可視化是指以數(shù)字、曲面的形式對水位(壓)、底板破壞深度、水壓導(dǎo)升面等在充水結(jié)構(gòu)靜態(tài)模型上交互顯示的過程。本文充水水源是底板水，通過水壓監(jiān)測、網(wǎng)絡(luò)電法監(jiān)測數(shù)據(jù)反映其動態(tài)變化特征;充水通道指底板破壞深度范圍，通過微震監(jiān)測反映裂隙發(fā)育程度及動態(tài)變化。在底板突水監(jiān)測中包括3種動態(tài)數(shù)據(jù)(圖3):(1)工作面回采過程中，煤層底板巖體中應(yīng)力、應(yīng)變、水溫、水壓對采煤活動的響應(yīng)，通過在煤層底板埋設(shè)對應(yīng)的傳感器監(jiān)測其變化，實(shí)時捕捉突水發(fā)生的前兆信息，在模型中作為空間點(diǎn)數(shù)據(jù)，反映充水水源變化情況;(2)網(wǎng)絡(luò)電法系統(tǒng)用來監(jiān)測底板隔水層的視電阻率變化，利用克里金插值方法繪制視電阻率曲面圖，反映底板承壓水的導(dǎo)升情況;(3)微震監(jiān)測系統(tǒng)對采場底板巖石破裂點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測定位，形成底板破壞深度包絡(luò)面，實(shí)現(xiàn)對底板充水通道時空變化的連續(xù)監(jiān)測。動態(tài)可視化模型構(gòu)建流程如下(圖3):(1)在三維充水結(jié)構(gòu)靜態(tài)模型上增加應(yīng)力、應(yīng)變、水溫、水壓傳感器，并在模型上實(shí)時顯示(數(shù)據(jù)更新間隔10～20s);(2)從網(wǎng)絡(luò)電法監(jiān)測系統(tǒng)提取代表底板承壓水導(dǎo)升高度的“水壓導(dǎo)升面”，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)電法系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理時間進(jìn)行動態(tài)更新(數(shù)據(jù)更新時間20～30min);(3)從微震監(jiān)測系統(tǒng)中提取底板巖石破裂事件，以三維散點(diǎn)圖形式顯示在模型上，并在所有有效事件三維散點(diǎn)圖上構(gòu)建包絡(luò)曲面，形成“破壞深度包絡(luò)面”;根據(jù)“水壓導(dǎo)升面”與“破壞深度包絡(luò)面”是否疊置，按照“下三帶”理論形成突水判據(jù)，(其數(shù)據(jù)更新間隔為10～20s)，并進(jìn)行警情發(fā)布。模型動態(tài)更新示意如圖4所示。圖中最上層半透明體為煤層，紅色面模型為根據(jù)微震監(jiān)測數(shù)據(jù)構(gòu)建的底板破壞深度包絡(luò)面，綠色面模型為根據(jù)網(wǎng)絡(luò)電法監(jiān)測數(shù)據(jù)構(gòu)建的底板水壓導(dǎo)升面。圖4a顯示t采場三維充水結(jié)構(gòu)動態(tài)可視化模型需要可視化平臺來承載展示，可視化平臺架構(gòu)設(shè)計分為4層，支撐層、數(shù)據(jù)層、業(yè)務(wù)層、界面(UI)層。支撐層是利用面向服務(wù)的體系架構(gòu)、空間數(shù)據(jù)庫、關(guān)系數(shù)據(jù)庫等技術(shù)，通過數(shù)據(jù)和服務(wù)融合，提供采場三維充水結(jié)構(gòu)監(jiān)測預(yù)警平臺所需的服務(wù)和共享資源;數(shù)據(jù)層是通過分析礦井地質(zhì)、物探、水文地質(zhì)、采掘等多源數(shù)據(jù)信息，利用支撐層建立采場充水結(jié)構(gòu)多源數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)鉆孔、地層、斷層、陷落柱、水位/水溫、底板破壞深度、水壓導(dǎo)升面等存儲功能;業(yè)務(wù)層在服務(wù)器端通過三維開源幾何內(nèi)核OpenCASCADE平臺基于采場充水結(jié)構(gòu)多源信息，以三維可視化軟件為建模平臺，通過數(shù)字化處理地質(zhì)、物探、水文地質(zhì)監(jiān)測等資料，基于三角網(wǎng)格動態(tài)生長算法，依據(jù)充水水源、充水通道等信息，構(gòu)建三維充水結(jié)構(gòu)三維可視化模型;采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將監(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸?shù)饺S充水結(jié)構(gòu)模型平臺上，將水溫、水壓、應(yīng)力-應(yīng)變等監(jiān)測“點(diǎn)”數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)電法和微震等監(jiān)測“面”數(shù)據(jù)與三維充水結(jié)構(gòu)靜態(tài)模型相融合，形成能夠動態(tài)更新并含有時間維度的“點(diǎn)-面”結(jié)合的采場三維充水結(jié)構(gòu)動態(tài)可視化模型。4應(yīng)用實(shí)例分析4.1建立采場三維充水結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫葛泉礦東井11916工作面呈單斜構(gòu)造，傾角7°～21°，煤厚4.2～6.6m，平均厚度5.0m。9號煤層底板至本溪灰?guī)r間距平均19m，至奧灰頂界面平均間距40m，對工作面掘進(jìn)有影響的斷層主要有SF1斷層。為了構(gòu)建采場三維充水結(jié)構(gòu)模型，設(shè)計開發(fā)了在CAD幾何操作核心上加入地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)插值算法的三維充水結(jié)構(gòu)建模軟件。基于采場三維充水結(jié)構(gòu)多源信息數(shù)據(jù)庫，通過對井田地球物理勘探資料的數(shù)字化處理，提取斷層、褶皺、陷落柱等構(gòu)造信息，基于三角網(wǎng)動態(tài)生長算法，形成采場充水結(jié)構(gòu)三維可視化模型。采用離散光滑插值算法對地面勘探鉆孔數(shù)據(jù)、注漿鉆孔的巖性數(shù)據(jù)、巷道測量數(shù)據(jù)、采掘揭露的煤層頂?shù)装鍞?shù)據(jù)、斷層數(shù)據(jù)、推測陷落柱數(shù)據(jù)、電法異常點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何模型構(gòu)建，形成了包含煤層、奧灰、本灰、巷道、斷層、陷落柱、采前電法勘探異常點(diǎn)的采場充水結(jié)構(gòu)靜態(tài)模型(圖5);基于實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用克里金插值算法動態(tài)構(gòu)建底板破壞深度包絡(luò)面、水壓導(dǎo)升面(圖6)。4.2監(jiān)測方案及監(jiān)測結(jié)果東翼軌道大巷一側(cè)的工作面底板隔水層厚度變化不大，如圖7所示，工作面西北側(cè)剖面如圖8所示，工作面東北部分隔水層厚度最大，從東北部到西南部隔水層越來越薄。根據(jù)采場三維充水結(jié)構(gòu)模型，分析11916工作面開采煤層底板巖層厚度變化特征，識別出工作面煤層底板隔水層變薄區(qū)。同時，工作面直流電測深法和音頻電穿透法存在3個異常區(qū)(圖5)。將煤層底板隔水層薄弱區(qū)、隱伏構(gòu)造發(fā)育區(qū)及物探異常區(qū)作為監(jiān)測預(yù)警重點(diǎn)區(qū)段，以監(jiān)測點(diǎn)、監(jiān)測層位、監(jiān)測范圍等為分析重點(diǎn)，形成工作面重點(diǎn)區(qū)段1、2與正常區(qū)段分區(qū)監(jiān)測設(shè)計方案(圖9):將區(qū)段1作為重點(diǎn)區(qū)段的原因是該區(qū)域存在電法勘探異常點(diǎn)、并靠近SF1斷層;區(qū)段2作為重點(diǎn)區(qū)段是因?yàn)樵搮^(qū)域靠近陷落柱位置，底板承壓含水層在該區(qū)域明顯變厚，煤層底板隔水層變薄，相對于其他區(qū)域危險性較高。在工作面上、下巷外幫淺孔埋設(shè)多頻連續(xù)電法電極120個，微震傳感器分別布署于地面4個、巷道垂深1.5m淺孔25個和井下垂深20m孔中14個，并對工作面中部陷落柱附近和斷層附近進(jìn)行了傳感器加密布設(shè)。為了更直觀地顯示實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)，使用Echarts圖表繪制2019年2月21日至2020年1月20日的水壓監(jiān)測曲線(圖10)。以采場三維充水結(jié)構(gòu)動態(tài)可視化模型為基礎(chǔ)，當(dāng)“水壓導(dǎo)升面”與“破壞深度包絡(luò)面”疊置時，按照“下三帶”理論形成突水預(yù)警判據(jù)，監(jiān)測水壓變化劇烈，并出現(xiàn)明顯波動。5充水監(jiān)測預(yù)警模型建立的問題1)提出了三維充水結(jié)構(gòu)可視化概念，將三維充水結(jié)構(gòu)劃分為靜態(tài)模型和動態(tài)可視化模型，靜態(tài)模型是水文地質(zhì)實(shí)體結(jié)構(gòu)模型，用來展示采場原生含、導(dǎo)水異常體，是底板突水監(jiān)測監(jiān)測方案設(shè)計的依據(jù)。動態(tài)可視化模型是在靜態(tài)模型基礎(chǔ)上嵌入充水要素的動態(tài)監(jiān)測信息，直觀顯示突水監(jiān)測預(yù)警的前兆信息。2)在研究三維地質(zhì)建模理論和算法的基礎(chǔ)上，提出了三維充水結(jié)構(gòu)的建模框架及流程。根據(jù)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)源的特點(diǎn)，形成了三維充