基于GMS的某煤矿三维地层模型的建立*

赵晗博

(1. 中煤科工生态环境科技有限公司，北京 100013；2. 天地科技股份有限公司 生态科技事业部，北京 100013；3. 中国煤炭科工集团有限公司，北京 100013；4. 中煤科工集团北京土地整治与生态修复科技研究院有限公司，北京 100013)

三维地质建模是利用信息化技术将整合的地质数据实现可视化，反映地质体的几何形态及实体间的相互关系，是很多相关领域研究的热点和难点。三维可视化建模技术已经广泛应用到各个科学领域[1]。目前国内外应用比较多的三维地质建模软件有GMS、Surpac Vision、3D Mine Plus、Go CAD等。其中，GMS(Groundwater Modeling System)软件以其良好的图形处理能力、强大的数据存储功能和优良的三维可视效果得到了业界的广泛认可，成为国际上最受欢迎的地质建模模拟软件之一[2]。温继伟等运用GMS软件建立长春及周边地区的三维地层结构可视化模型[3]；吕禹运用GMS软件建立了孔庄矿含水层模型[4]；朱鹏程运用GMS软件建立柳江盆地三维地质模型并进行了水资源量的预测[5]；王强利用GMS软件建立井田三维地质模型，进一步了解辛安矿地质特征[6]。本文结合现有勘察成果，选用GMS软件建立研究区三维地质模型，立体展示地质要素分布情况。

1 研究区概况

井田位于济东煤田的中南部，行政区划属山东省济南市。文祖断层(F13)和亭山断层(F1)构成了井田范围的东西边界，南北均以采矿许可证批准的范围为界。极值地理坐标为东经117°24′27″～117°30′59″、北纬36°34′55″～36°42′23″。经过近几十年的开采，井田范围内1、3煤层探明的可采储量接近枯竭，并于2015年9月30日闭坑。研究区下方及附近主要开采1煤、3煤和9-1煤层，开采方法采用上、下山单翼或双翼采区、单一工作面布置方式，走向长壁后退式采煤方法。回采方式为高档普采，村庄下、承压水体上采用条带开采和穿采(村庄保护煤柱范围内)，回采工作面采用单体支柱配合铰接顶梁支护，全部陷落法管理顶板。

2 工程地质条件

奥陶系、石炭系-二叠系、三叠系及第四系组成了研究区的主要地层，含煤地层为石炭～二叠纪月门沟群山西组和太原组。处于济东煤田的埠村向斜两冀，在文祖断层与亭山断层之间，井田断裂构造发育，除3煤未受岩浆大面积侵蚀外，其它各煤层均不同程度受到侵蚀破坏。地质构造复杂程度属中等类型，矿区内的各可采煤层属较稳定～不稳定煤层，勘查类型为二类Ⅱ型。

根据工程勘察资料，研究区场地土类型为中软场地土，建筑场地类型为Ⅱ类。场地地层结构及物理力学性质如下：

(1)第一层：素填土，褐色，以粘性土为主，少量孔以煤矸石为主要成分，含少量砖屑及植物根系。场区普遍分布厚度0.04～14.20 m。

(2)第二层：粉质粘土，褐黄色，可塑，稍有光泽，干强度及韧性中等，土质均匀。场区普遍分布，厚度2.60～5.60 m，平均3.66 m，为中等压缩性土，不具有湿陷性。承载力特征值150 kPa。

(3)第三层：粉质粘土，褐黄色，可塑，稍有光泽，干强度及韧性中等，偶见姜石，厚度0.60～13.30 m，平均6.17 m，为中等压缩性土，不具有湿陷性。承载力特征值130 kPa。

(4)第四层：碎石，灰褐色，中密-密实，成分为灰岩，次棱角状，粒径3～7 cm，含量80%，粘土充填。厚度1.0～9.0 m，平均厚度3.92 m，动探试验29.5 m，每10 cm平均击数14.7击。承载力特征值220 kPa。

(5)第五层：粉质粘土，棕黄色，稍湿，可塑，稍有光泽，干强度及韧性中等，偶见铁锰氧化物，土质均匀，厚度1.80～10.30 m，平均5.19 m，为中压缩性土。承载力特征值160 kPa。

(6)第六层：碎石，灰褐色，密实，成分为灰岩，次棱角状，粒径3～7 cm，含量80%，粘土充填。最大揭露厚度16.7 m，动探试验35.2 m，每10 cm平均击数22.9击。承载力特征值250 kPa。

3 建模的总体思路及软件介绍

3.1 建模总体思路

第一步，在井田现有勘察成果基础上，人工分解录入地质剖面、地质构造、地质报告以及相关的成果报告等地层数据，建立三维可视化模型，立体展示井田地质体情况与断层分布情况。第二步，在后期综合勘察实施过程中，依据新的钻探和综合物探成果形成地质资料数据库，及时对三维模型进行补充完善，形成研究区地质体综合勘察成果的数据库管理，构建三维可视化模型，多角度立体展示研究区地质分布情况。

3.2 GMS软件简介

GMS软件在地下水研究方面应用较多[7]，钻探成果录入、地下水运移模拟、地下水数值模拟等模块共同组成了GMS软件，因此，软件本身具有综合性和全面性。GMS软件不仅能实现地质结构体的可视化，还具有地下水溶质运移模拟和溶质范围预测的功能。GMS软件建模的主要方法有网格法、概念模型法和Solids法[8]，本文采用Solids法进行模型构建。

3.3 GMS软件的优点

(1)录入信息方便。GMS软件可实现图片、CAD文件及Excel表格文件的直接导入，与GIS、CAD、CorelDRAW软件实现无缝对接，利于地信工作者的便捷工作。

(2)三维可视化。在建立地质数据库的基础上，GMS软件可以对三维地质体任意剖面进行切割剖分，直观表达剖面地质情况，便于检验勘察成果。

(3)与地下水模块相结合。众所周知，地下水是地质研究的重要组成部分，GMS软件可以实现地下水资源量预测和地下水溶质运移模拟以及地下水环境研究。在三维地质建模基础上结合该研究区地下水的研究成果，将使得模型更具有参考性和实用性。

(4)概念模型(Conceptual Models)方法，是GMS软件建立三维地质模型最有效的手段。通过这种方法，一个概念模型可以通过GIS要素(点-points、弧线-arcs、多边形-polygons)和高程数据(立体-solid、散点-scatter points或者钻孔-borehole)建立。一旦概念模型建立完成，可以通过转换工具将概念模型数据转化到grid的单元格，而大多数地质建模软件只能通过grid的方法来建立模型。

3.4 GMS软件的不足

GMS软件语言支持不足。图件中的图例不能显示中文，模型工程文件不能用中文名，否则每次重新打开工程文件的时候出现“could not open namefile”错误，使得模拟文件丢失，影响工作进度。

4 利用GMS建模

4.1 资料准备

资料的收集和整理是地质建模工作的重中之重[9]，构建三维可视化地质模型需要的资料包括三维地层参数、煤层空间分布参数、断层等构造三维产状参数等[10-11]。本次所收集的资料主要是近五年钻探和物探成果，有勘探线地质剖面图6幅、钻孔信息统计表、煤层采掘工程平面图1幅、井田地基稳定性评价报告等。经整理，六条地质勘探线一共布设原始钻孔24个，分别是西2勘探线：ZK35、ZK36、ZK37、ZK63、ZK64、ZK65；西3勘探线：ZK3、ZK4、ZK39、ZK40、ZK54；西4勘探线：ZK44、ZK66、ZK67、ZK68、ZK69、ZK82、ZK123；西5勘探线：ZK12、ZK49；西6勘探线：ZK53、ZK73；西7勘探线：ZK11、ZK47。

4.2 圈定研究区范围

进行三维建模的第一步是圈定研究区范围，一般建立研究区范围多为矩形或者多边形，相比于圆形，矩形的可视化效果更好。圈定范围步骤：第一，扫描纸质底图为CAD所支持的格式的文件，在CAD里面对底图进行配准，赋予自定义坐标系。在CAD中提取矿区边界文件，将文件导入图新地球中，选择合适的投影带使得矿区边界文件显示在地图影像中，截取图像导出为tiff文件。第二，打开GMS软件，导入井田底图tiff文件，选择Map模块，点击new coverage建立边界文件，用直线工具对底图进行矢量化，研究区范围圈定完毕如图1所示。

图1 研究区范围

4.3 建立钻孔数据库

录入钻孔数据有两种方法，一种是选择Boreholes模块中的Borehole(钻孔)，直接在模块中输入钻孔数据(包括坐标、标高、地层数据等)；另一种是将钻孔信息整理成Excel表格，导入GMS中生成单个钻孔。本次建立地质数据库选用后一种方法。

建立煤层钻孔情况表，包括钻孔编号和坐标、煤层顶底板标高、地层编号、岩性编号等，如表1所示。首先整理好已有的钻孔编号信息和平面坐标信息，其次对照井田勘探线剖面图对单个钻孔进行地质分层并编号，地质分层分为第四系、二叠系上统、二叠系下统、石炭系、奥陶系、1煤、3煤、9煤。

表1 钻孔信息表

导入钻孔信息表之后软件自动生成每个钻孔，利用钻孔编辑器对钻孔数据进行编辑，自上而下编排层与层接触面ID，设置每个地层所对应的颜色，如图2所示。图例中Q表示第四系、P2表示二叠系上统、P1表示二叠系下统、C表示石炭系、O表示奥陶系。回到主界面中，便可看到每个钻孔的三维立体分布，如图3所示。

图2 钻孔编辑器

图3 钻孔三维立体展示

4.4 利用钻孔数据建模

选择Boreholes模块中的Auto-fill blank cross sections来自动生成剖面，以ZK82和ZK68所切剖面为例，如图4所示，经与西4勘探线剖面图的岩层情况进行对比，结果基本吻合，证明所形成的地层模型符合要求。然后，通过HorizonSolid命令，把钻孔数据转变成Solid立体模型，这就是地层结构模型。研究区内落差较大的断层为西F7和西F8，最大落差均达到了40 m，属于研究区的最大断层，如图5所示。GMS软件不具备文字矢量化的功能，将模型导入ArcGIS软件进行矢量化，研究区煤层采空区(白色部分)、研究区范围、工业广场、勘探线编号等信息在模型上一一展现，增加了模型的可视化程度。

图4 剖面示意图

图5 研究区三维地质模型

5 结 论

(1)三维地质建模一般有钻孔数据建模和剖面建模两种，本文基于GMS软件采用钻孔建模法建立了研究区的三维地质模型，初步展示井田范围内的地层分布和断层情况。经过对比验证，该模型与真实地层基本吻合，满足生产要求，为后期的设计和勘察提供一定的验证依据。但现有的地质资料存在不真实、不完整、不详实的情况，导致建立的三维地质模型及地质数据库不够完善，后期应继续开展勘察评估工作，完善地质成果，使数据库更加丰富。

(2)随着科技的发展，三维地质建模对于可视化的要求更高，地质建模软件应更多地与建筑景观设计信息化软件相结合，真正做到地质剖面任意切割展示，地质信息云端一站式储存，让地质工作者的工作更加高效。