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摘要:位于滕南煤田的田陈煤矿多元化地质构造发育,为更准确地反映地质构造要素之间的空间关系,论文对田陈煤矿三维地质建模及可视化应用进行了研究.基于solidworks对工作面巷道、煤层、断层进行建模,对工作面构造形态分析,安全生产及提高资源回收有很大指导意义。
关键词:三维地质建模;断层; solidworks
Deep thick coal seam faults of 3D geological modeling application research
Abstract: Tian Chen Coal Mine diversified geological structure in Tengnan coalfielddevelopment, spatial relations more accurately reflect the geological structureelements, the thesis carries out research on Tian Chen mine 3D geological modeling and visualization applications. SolidWorks on the working face, coal seam roadway, fault in modeling based on analysis of the structure, the working face, the safety production and has great guiding significance to improve resource recovery.
Keywords: The 3D geological modeling; fault; solidworks
中圖分类号：P618文献标识码： A
1概况
田陈煤矿位于滕南煤田中部,地形自然坡度约千分之一,为由东北向西南缓慢下降的滨湖冲积平原,西南部地势较低洼,面临微山湖和昭阳湖.区内含煤地层主要为石炭系上统太原组与二叠系下统山西组.
研究区地层区划属华北地层区鲁西地层分区,区内多被第四系所覆盖,基岩出露甚少,煤系基底为寒武、奥陶系,缺失奥陶系上统、志留系、泥盆系、石炭系下统和三叠系等地层.二叠系下统含煤地层发育较好,主采煤层3上、3下煤炭资源较为丰富,但区内断层构造极为发育,井下巷道共揭露落差大于0.5m（个别0.4m）的断层1258条（其中逆断层16条）,落差大于20m的断层35条,占断层总数的2.7%。对于大埋深厚煤层,其中北七采区出现煤层分叉现象，分叉间距为0~25m，且上分层煤厚大于1m，导致主采煤层层位判断容易出错。断层等构造及煤层分叉现象对工作面及回采带来诸多不便.
2三维地质建模理论
工作面内隐伏断层突然揭露及煤层分叉使工作面回采过程中容易发生机电事故，影响煤炭资源回收。因此对构造复杂煤层的三维地质模型构建三维空间效果，能够表达工作面煤层、断层赋存状态，生产单位通过对构造复杂区域煤层、断层的空间关系直观了解，提前做出应对措施，有很好的指导意义。
2.1地质建模载体
最近十年三维地层模型研究共发展了20多种空间建模理论,这些理论可分为表面模型、体元模型和混合模型[1-4].基于体元的三维地层模型主要有基于三棱柱体体元的三维地层建模[5]、基于钻孔信息的地层数据模型[6]等.这些方法具有同时对地质体外形和内部属性进行建模的能力,便于矿产储量计算,但建模过程比较复杂.
针对矿井回采工作面，采用solidworks三维制图软件绘制工作面三维地质图，方便快捷，煤层分叉、断层产状要素完整展示。
2.2地质建模步骤
工作面三维地质建模过程中步骤依次是：资料收集，建立巷道三维模型，分析工作面内断层延展分布，绘制工作面煤层三维模型，推采预测剖面图。
2.2.1资料收集
首先根据设计要求收集资料。首先需要将工作面平面图，剖面图，包括导点坐标，导点高程，煤层厚度等绘制出二维图。二维平剖面图为三维地质图提供了数据基础。
2.2.2建立巷道三维模型
当生成巷道模型时，从二维图上提取巷道顶板中心线和断面参数等数据，若1条巷道断面尺寸基本保持不变，则可利用巷道中心线、腰线和断面图来描述它的空间形态。根据上述思想，设计如下算法：
1)根据导线测量数据及二维平面图样确定巷道中心线。
2)巷道中心线平滑处理。
3)确定巷道断面数据。
4)绘制三维巷道实体模型。
巷道三维图见下图
巷道空间框架图
巷道三维地质模型图
2.2.3分析工作面内断层延展分布
巷道三维地质模型建成后，选择前视图，根据两巷高程差来判断工作面内断层存在。如工作面切眼内无断层，以切眼处为起点，沿推采方向移动，对比两巷高程差变化，两巷内高程差突然增大，预示面内存在落差较大隐伏断层。巷道三维地质图对分析工作面内断层分布提供帮助，通过分析后为绘制工作面断层
2.2.4绘制工作面煤层三维模型
巷道实体绘制结束后，将分析的断层分布规律，煤层分叉范围及情况绘制工作面内煤层三维图。工作面内煤层、断层实体完整空间展示。
工作面煤层三维图
2.2.5推采预测剖面图
在三维地质体模型的基础上,通过各种剖切生成指定位置的地质剖面,可以清楚的了解地质模型内部的各个细节.剖切面的建立分为以下2个步骤:
1)剖切平面与各地层层面及其断面求交,生成层面剖面线;
2)利用最短对角线方法对相邻地层剖面线进行缝合处理生成剖面三角网(如果剖面线呈上下分布),或利用多边形三角化的方法对剖切面内的剖面线之间进行三角化.
剖面线的生成方法是:依地层网格区域生成剖切平面,将其分成两个三角形;根据三角网格求交线的算法,分别求出剖平面与层面三角网格、断面三角网格的交线,将层面和断面交线线段重连得到剖平面在该地层的剖线.
利用复杂区域地质构造断层分析，来实现工作面内推采时过断层断层方式，提前做出采煤工艺改变，减少地质条件突然变化复杂时被迫改变采煤工艺带来的损失。
3 三维地质建模应用结论
通过建立三维工作面模型，可以实现工作面全景显示和动态显示，真实、直观、准确、清晰地表现煤层、上分层煤、岩形态，表达钻孔、巷道、坡度、高程、岩性、标注，表达煤层、断层空间赋存状态，两巷间高程高差变化情况，通过工作面三维模型和GIS的联合应用，可以有效地建立矿山空间数据库，有效地利用现有资料对未采区和采掘工作面前方、断层变化、其他开采条件进行预报预测，实现对煤层直观表现，加强对更新数据的理解，提高信息的利用效率，复杂地质条件下预测及展示指导专业科室及专业区队提前做出对应措施，进而实现矿山安全生产，提高生产效率。
参考文献:
[1]曹代勇,李青元,朱小弟,等.地质构造三维可视化模型探讨[J].地质与勘探,2001,37(4):60-62.CAO Dai-yong, LI Qing-yuan, ZHU Xiao-di, et al.Study on the 3D visual model of geological structure[J]. Geology and Prospecting, 2001,37(4):60-62.
[2]程朋根,龚健雅,史文中,等.基于似三棱柱体的地质体三维建模与应用研究[J].武汉大学学报信息科学版,2004,7(7):602-607.CHENG Peng-gen, GONG Jian-ya, SHI Wen-zhong,et al. Geological object modeling based on quasi tri-prism volume and its application[J]. Geomatics andInformation Science of Wunan University, 2004, 7(7):602-607.
[3]吴立新,沙从术.两种真三维地学模拟系统与水利工程应用[J].南水北调与水利科技,2003,1(2):20-25.WU Li-xin, SHA Cong-shu. Real 3D geosciencesmodeling system and its applications in hydraulic en-gineering[J]. South-to-North Water Transfers andWater Science & Technology, 2003,1(2):20-25.
作者简介：张运国，1986.12出生，本科学历，2010年于山东科技大学毕业，从事地测技术管理工作，2011年取得助理工程职称。
关键词:三维地质建模;断层; solidworks
Deep thick coal seam faults of 3D geological modeling application research
Abstract: Tian Chen Coal Mine diversified geological structure in Tengnan coalfielddevelopment, spatial relations more accurately reflect the geological structureelements, the thesis carries out research on Tian Chen mine 3D geological modeling and visualization applications. SolidWorks on the working face, coal seam roadway, fault in modeling based on analysis of the structure, the working face, the safety production and has great guiding significance to improve resource recovery.
Keywords: The 3D geological modeling; fault; solidworks
中圖分类号：P618文献标识码： A
1概况
田陈煤矿位于滕南煤田中部,地形自然坡度约千分之一,为由东北向西南缓慢下降的滨湖冲积平原,西南部地势较低洼,面临微山湖和昭阳湖.区内含煤地层主要为石炭系上统太原组与二叠系下统山西组.
研究区地层区划属华北地层区鲁西地层分区,区内多被第四系所覆盖,基岩出露甚少,煤系基底为寒武、奥陶系,缺失奥陶系上统、志留系、泥盆系、石炭系下统和三叠系等地层.二叠系下统含煤地层发育较好,主采煤层3上、3下煤炭资源较为丰富,但区内断层构造极为发育,井下巷道共揭露落差大于0.5m（个别0.4m）的断层1258条（其中逆断层16条）,落差大于20m的断层35条,占断层总数的2.7%。对于大埋深厚煤层,其中北七采区出现煤层分叉现象，分叉间距为0~25m，且上分层煤厚大于1m，导致主采煤层层位判断容易出错。断层等构造及煤层分叉现象对工作面及回采带来诸多不便.
2三维地质建模理论
工作面内隐伏断层突然揭露及煤层分叉使工作面回采过程中容易发生机电事故，影响煤炭资源回收。因此对构造复杂煤层的三维地质模型构建三维空间效果，能够表达工作面煤层、断层赋存状态，生产单位通过对构造复杂区域煤层、断层的空间关系直观了解，提前做出应对措施，有很好的指导意义。
2.1地质建模载体
最近十年三维地层模型研究共发展了20多种空间建模理论,这些理论可分为表面模型、体元模型和混合模型[1-4].基于体元的三维地层模型主要有基于三棱柱体体元的三维地层建模[5]、基于钻孔信息的地层数据模型[6]等.这些方法具有同时对地质体外形和内部属性进行建模的能力,便于矿产储量计算,但建模过程比较复杂.
针对矿井回采工作面，采用solidworks三维制图软件绘制工作面三维地质图，方便快捷，煤层分叉、断层产状要素完整展示。
2.2地质建模步骤
工作面三维地质建模过程中步骤依次是：资料收集，建立巷道三维模型，分析工作面内断层延展分布，绘制工作面煤层三维模型，推采预测剖面图。
2.2.1资料收集
首先根据设计要求收集资料。首先需要将工作面平面图，剖面图，包括导点坐标，导点高程，煤层厚度等绘制出二维图。二维平剖面图为三维地质图提供了数据基础。
2.2.2建立巷道三维模型
当生成巷道模型时，从二维图上提取巷道顶板中心线和断面参数等数据，若1条巷道断面尺寸基本保持不变，则可利用巷道中心线、腰线和断面图来描述它的空间形态。根据上述思想，设计如下算法：
1)根据导线测量数据及二维平面图样确定巷道中心线。
2)巷道中心线平滑处理。
3)确定巷道断面数据。
4)绘制三维巷道实体模型。
巷道三维图见下图
巷道空间框架图
巷道三维地质模型图
2.2.3分析工作面内断层延展分布
巷道三维地质模型建成后，选择前视图，根据两巷高程差来判断工作面内断层存在。如工作面切眼内无断层，以切眼处为起点，沿推采方向移动，对比两巷高程差变化，两巷内高程差突然增大，预示面内存在落差较大隐伏断层。巷道三维地质图对分析工作面内断层分布提供帮助，通过分析后为绘制工作面断层
2.2.4绘制工作面煤层三维模型
巷道实体绘制结束后，将分析的断层分布规律，煤层分叉范围及情况绘制工作面内煤层三维图。工作面内煤层、断层实体完整空间展示。
工作面煤层三维图
2.2.5推采预测剖面图
在三维地质体模型的基础上,通过各种剖切生成指定位置的地质剖面,可以清楚的了解地质模型内部的各个细节.剖切面的建立分为以下2个步骤:
1)剖切平面与各地层层面及其断面求交,生成层面剖面线;
2)利用最短对角线方法对相邻地层剖面线进行缝合处理生成剖面三角网(如果剖面线呈上下分布),或利用多边形三角化的方法对剖切面内的剖面线之间进行三角化.
剖面线的生成方法是:依地层网格区域生成剖切平面,将其分成两个三角形;根据三角网格求交线的算法,分别求出剖平面与层面三角网格、断面三角网格的交线,将层面和断面交线线段重连得到剖平面在该地层的剖线.
利用复杂区域地质构造断层分析，来实现工作面内推采时过断层断层方式，提前做出采煤工艺改变，减少地质条件突然变化复杂时被迫改变采煤工艺带来的损失。
3 三维地质建模应用结论
通过建立三维工作面模型，可以实现工作面全景显示和动态显示，真实、直观、准确、清晰地表现煤层、上分层煤、岩形态，表达钻孔、巷道、坡度、高程、岩性、标注，表达煤层、断层空间赋存状态，两巷间高程高差变化情况，通过工作面三维模型和GIS的联合应用，可以有效地建立矿山空间数据库，有效地利用现有资料对未采区和采掘工作面前方、断层变化、其他开采条件进行预报预测，实现对煤层直观表现，加强对更新数据的理解，提高信息的利用效率，复杂地质条件下预测及展示指导专业科室及专业区队提前做出对应措施，进而实现矿山安全生产，提高生产效率。
参考文献:
[1]曹代勇,李青元,朱小弟,等.地质构造三维可视化模型探讨[J].地质与勘探,2001,37(4):60-62.CAO Dai-yong, LI Qing-yuan, ZHU Xiao-di, et al.Study on the 3D visual model of geological structure[J]. Geology and Prospecting, 2001,37(4):60-62.
[2]程朋根,龚健雅,史文中,等.基于似三棱柱体的地质体三维建模与应用研究[J].武汉大学学报信息科学版,2004,7(7):602-607.CHENG Peng-gen, GONG Jian-ya, SHI Wen-zhong,et al. Geological object modeling based on quasi tri-prism volume and its application[J]. Geomatics andInformation Science of Wunan University, 2004, 7(7):602-607.
[3]吴立新,沙从术.两种真三维地学模拟系统与水利工程应用[J].南水北调与水利科技,2003,1(2):20-25.WU Li-xin, SHA Cong-shu. Real 3D geosciencesmodeling system and its applications in hydraulic en-gineering[J]. South-to-North Water Transfers andWater Science & Technology, 2003,1(2):20-25.
作者简介：张运国，1986.12出生，本科学历，2010年于山东科技大学毕业，从事地测技术管理工作，2011年取得助理工程职称。