三维地质建模技术及其在煤田地质构造中的应用

王艳华

山东省煤田地质局第二勘探队 山东 济宁 272000

随着人类社会的不断发展，资源短缺以及环境污染问题正在不断加重，越来越多的国家对能源利用、地球空间等方面研究给予了高度的重视，这使得地球空间信息科学获得了快速的发展，三维地质建模是该领域的热点技术之一，它将地质理论知识和计算机三维可视化有机结合在一起，为地质空间建模提供更加高效精确的方法。煤田地质构造是三维建模技术在我国的一个重要应用领域。

一、三维地质建模技术的发展概述

三维地质建模技术存在广义和狭义两种概念，从广义上来看，三维地质建模是指采用各类勘探技术，基于综合性探测数据构建三维地质模型的过程。通常情况下，地质勘探工作的研究对象在空间分布上多呈现出三维特点，因此需要采用各类勘探手段对研究区域的三维地质条件进行了解掌握。从狭义的角度来看，三维地质建模则是指单纯的计算机三维地质建模，也就是利用计算机对地质勘探资料进行整合处理，转化为三维地质模型。

在上世纪八十年代就已经出现了三维地质建模的雏形，在一些针对大中型机环境的油气地震勘探资料处理软件中就具备对地震勘探资料处理结果构建“三维数据体”的相关功能。进入到九十年代之后，由澳大利亚Mincom公司所研发的一款采矿设计软件Minescape中就已经形成了三维地质建模功能。1994年，三维地质建模的概念正式被加拿大学者提出。在此之后，计算机技术在采矿设计、油气勘探中的应用变得越来越深入和广泛，对三维建模功能持续提出了新的要求加之三维几何造型理论的不断完善，三维地质建模技术获得了快速的发展。

我国针对三维地质建模的研究开始于上世纪九十年代，在经过二十多年的实践研究之后，已经形成了功能齐全且稳定的产品，虽然整体上来看，和国际上先进水平产品之间仍旧存在一定的差距，但也有效的改善了我国对国外三维地质建模产品的过度依赖。由中国地质调查局组织、中国地质调查局发展研究中心牵头，集合多个专业单位编写的《三维地质模型数据交换格式》标准的实施进一步推动了我国三维地质建模技术的应用。

二、三维地质建模技术在煤田地质构造中的应用

(一)煤田勘探中三维地质建模的数据源分析。在煤田勘探过程中涉及的数据主要包括航天/航空遥感资料、采样资料、钻孔资料、物探资料、化验分析资料等，其种类十分复杂，且结构类型各异，采用具有三维地质建模功能的三维地理信息系统进行管理更加高效。

通过钻孔勘探对区域煤、岩层进行对比是煤田构造研究的基础内容，重点内容则是对各个地质曲面进行确定，掌握地质界面所圈定地层的空间几何形态以及分布规律。因此钻孔数据是三维地质建模过程中的重要部分，在具体操作中，是通过取芯以及测井，获得钻孔轨迹经过岩层和煤层的实物样本，这样就可以掌握具体采样位置的岩层和煤层产状。一般情况下，钻孔柱状图所记录的详细分层对于三维地质建模过于细致，这需要技术人员对岩层和煤层分层进行适当的综合和概括。

地震勘探数据同样是煤田三维地质建模不可缺少的一项数据，在地震剖面上，同相轴连线可以作为勘探区域岩层或煤层物性界面和剖面的交线，其波形和振幅则可以用于界面两侧物性的判断。

(二)煤田勘探三维地质建模的功能需求分析。煤矿属于典型的层状矿藏，其矿层通常具有层厚偏小且横向相对稳定的特征，在煤炭勘探中，三维地质建模的进行时机可以分为两类，一是用于勘探，即使用三维地质建模软件基于地形和钻孔数据构建是三维地质模型的原型系统。基于该系统，可以进行勘探线剖面图的制作。二是用于勘探后，基于已经完成的地形地质图、储量计算图、勘探线剖面图等，进行更加精细的三维地质建模，用于矿井设计、数字矿山建设等领域。

(三)煤田勘探中三维地质建模的工作流程。在三维地质建模实际应用中涉及到的关键技术由两种，其一是不规则三角网结构的建立。利用特征线、特征点，通过三角网连接算法形成一系列的三角面。不规则的三角网模型由不规则三角形网构成，三角形的结点主要从等高线或离散高程测量点中获得。如图1所示，为某勘探区煤层底板钻孔样点进行三角剖分练成不规则的三角网。在实体模型建立中主要使用的三种方法为剖面法、合并法以及相连段法。剖面法是将煤层倾向勘探线的剖面线放入到三维空间中，相邻勘探线按照矿体的趋势连成三角网，最后在煤层控制剖面线的两端封闭起来。合并法是将煤层上、下表面做成面模型，之后配合上下面的边界连成三角网，最后将三个文件合并形成实体。相连段法则是利用矿体的轮廓线、辅助线以及边界线，在线之间连成三角网，最后建立矿体模型。

图1 某勘探区煤层底板钻孔样点进行三角剖分练成不规则的三角网

工作流程如下：首先，在勘探工作的过程中，利用三维地质建模软件构建原型系统。由于钻孔资料过于细致，因此需要进行适当的合并，形成几个可以进行对比的区域界面，之后基于界面上的钻孔样点，构建三维曲面。同时，对钻孔中确定的地质界面样点进行三角剖分，构建地质界面三角网，在此基础上进行进一步加密和细分，形成地质界面高次曲面三角网，在借由三角网插值追踪生成曲面的高等线。采用分层设色的方法使曲面呈现出高低起伏的状态，这即实现了曲面的三维可视化。基于同样的方法完成地面、松散层底面等构建工作，在三维地质模型的原型系统上指定勘探线上的钻孔号构建勘探线钻孔剖面图，最后通过一定的加工和修改获得储量计算图和勘探线剖面图。

其次，在煤田勘探之后，利用三维地质建模软件进行精细化建模。在勘探阶段，已经获得了的储量计算图、煤层底板等高线图以及勘探线剖面图等图件资料。在勘探完成后，则需要对这些图件进行深加工，以满足三维地质建模的要求。以煤层底板等高线图等为例，首先，应将需要连接但未连接的等高线和断面交线进行连接，因为在勘探中，制图工作人员为了方便标注通常会将等高线打断。其次，对底板等高线和断面交线进行重采样，这样是为了调整等高线的间距，避免其过密或是稀疏不利于三维曲面的构建。其三，为各条等高线赋予高程值。其四，以等高线和断面交线为限定线对限定三角进行剖分，完成限定三角网的构建。其五，提取限定三角网中的地性线，将其添加到曲面构建的限定线中，对三角网进行重构。最后，基于上下煤层底板的断面交线构建断层面。

结束语

综上，三维地质建模技术具有多源、多类型数据集成同化、构造要素表达直观立体以及平面和剖面构造形态空间一致等多项优势，可以帮助地质工程师更好的理解、分析以及表达各种复杂的地质现象。