賈慶仁

國防科技大學(xué)電子科學(xué)學(xué)院，湖南 長沙 410073

煤層地質(zhì)空間三維建模及空間分析方法的研究已成為助力數(shù)字礦山、智能礦山建設(shè)與發(fā)展的研究熱點。論文將煤層與對其開采過程中常涉及的自然實體(如地層、斷層)、人工實體(如巷道)等多種類型的三維實體及其所占有的三維空間定義為煤層地質(zhì)空間。三維地質(zhì)建模技術(shù)可以構(gòu)建科學(xué)的地質(zhì)空間的幾何及拓?fù)?，為地下資源分布與工程構(gòu)筑物的直觀可視化和資源開發(fā)決策提供保障。

煤層地質(zhì)空間三維建模技術(shù)的關(guān)鍵問題是如何將從煤礦地質(zhì)、勘探、測量等工作中獲得的離散數(shù)據(jù)準(zhǔn)確地映射為三維結(jié)構(gòu)化的幾何模型。針對上述問題與挑戰(zhàn)，論文開展的研究和取得的進(jìn)展主要包括：

(1) 分析了煤層地質(zhì)空間典型數(shù)據(jù)的類別和特征。對煤礦環(huán)境下通過不同技術(shù)手段獲取到的數(shù)據(jù)進(jìn)行了分類，給出從多源數(shù)據(jù)中提取所需煤層地質(zhì)空間離散數(shù)據(jù)的預(yù)處理方法，并為數(shù)據(jù)存儲和程序開發(fā)設(shè)計了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

(2) 研究提出了針對煤層異質(zhì)異構(gòu)數(shù)據(jù)的空間插值方法。①針對各向異性、非均勻地質(zhì)離散點插值問題，結(jié)合各向異性變換和空間多尺度處理的方法，提出了各向異性多尺度緊支撐徑向基函數(shù)插值方法。該方法比距離反比插值、普通克里金插值方法更高效，且精度更高。②針對煤層異構(gòu)數(shù)據(jù)(地質(zhì)離散點和斷煤交線)的插值，提出了一種CD-TIN(constrained delaunay triangular irregular network)約束的克里金方法，該方法以斷煤交線為線性約束與離散地質(zhì)點結(jié)合構(gòu)建CD-TIN來約束克里金鄰域搜索過程，再通過插值完成含斷層地層三維建模。與幾種現(xiàn)有的插值方法對比，該方法具有較高的時間效率，在斷層影響域內(nèi)有更好的插值精度。

(3) 提出了針對煤礦單一地層和跨地層斷層的建模方法。①針對單一地層格網(wǎng)上的斷層建模，提出了一種基于位移向量插值的斷層建模方法。該方法通過插值斷煤交線上的斷層位移向量，能更準(zhǔn)確地在地層上構(gòu)建正、逆斷層和相交斷層。②針對單一地層上側(cè)翼結(jié)構(gòu)的建模需求，引入定義在離散地層網(wǎng)格上標(biāo)量場、梯度場及散度，然后通過調(diào)整斷煤交線與地層的接觸角度、插值斷煤交線上的空間變換參數(shù)來控制梯度參數(shù)在地層格網(wǎng)上的傳播，最后根據(jù)網(wǎng)格上的場求解泊松方程，更新斷層結(jié)構(gòu)，完成斷層精細(xì)側(cè)翼結(jié)構(gòu)的重建。③針對跨地層的斷層的三維重建需求，基于參數(shù)化方法構(gòu)建斷層局部參考坐標(biāo)系，然后在此坐標(biāo)系內(nèi)為所有相交地層計算斷層位移。該方法能在統(tǒng)一的空間參考體系下為跨地層的斷層建模，提高建模效率和模型的可解釋性。

(4) 提出了針對復(fù)雜巷道的組件式建模方法。該方法首先定義了巷道基本組件及其三維建模方法，然后通過深度優(yōu)先遍歷巷道中心線雙向圖自動生成巷道雙邊線和基本組件區(qū)域，最后對基本組件分別建模以實現(xiàn)巷道網(wǎng)絡(luò)三維模型構(gòu)建。該方法解決了從巷道中心線網(wǎng)絡(luò)到復(fù)雜巷道(曲線巷道、相交巷道)的無縫建模問題，并且在實踐中建模時間隨著巷道中心線數(shù)的增長呈線性增長，穩(wěn)定性較好。

(5) 研發(fā)了針對煤礦生產(chǎn)運(yùn)營的三維建模與應(yīng)用軟件模塊。根據(jù)筆者提出的煤層地質(zhì)空間三維建模方法，采用面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計與計算機(jī)可視化技術(shù)，開發(fā)了煤層地質(zhì)空間三維建模與應(yīng)用軟件模塊。論文介紹了軟件的架構(gòu)設(shè)計、用戶界面、功能設(shè)計與應(yīng)用模塊。結(jié)合在唐山市錢家營煤礦收集的實際數(shù)據(jù)，從礦區(qū)和綜采工作面兩個尺度詳細(xì)介紹了煤層地質(zhì)空間三維建模、模型更新和基于模型的統(tǒng)計應(yīng)用實例，并給出了針對煤礦具體應(yīng)用場景設(shè)計的基于三維模型的工作面采煤量統(tǒng)計、礦井涌水量、采空區(qū)積水計算和虛擬鉆孔設(shè)計等潛在應(yīng)用。