張龍正

(中國煤炭科工集團 北京華宇工程有限公司，北京 100120)

目前BIM技術(shù)在民建、市政行業(yè)應(yīng)用已較成熟，國內(nèi)水利、水電、冶金等基礎(chǔ)設(shè)施行業(yè)也在大力推進[1]。煤炭工程設(shè)計中地面部分和其他行業(yè)地面工程BIM應(yīng)用方式差別不大，近年來北京華宇公司也在多個礦井地面工程、選煤廠三維設(shè)計中予以應(yīng)用。煤炭是我國的主體能源，而我國煤炭又以井工開采為主[2]，作為礦井工程主體的井下部分因一直未有能解決三維地質(zhì)建模、井巷建模、硐室建模，并能兼容地面三維數(shù)字化設(shè)計內(nèi)容的軟件或平臺，造成礦井工程主體井下部分BIM推廣應(yīng)用緩慢，其中又以地質(zhì)建模最為關(guān)鍵，也是實現(xiàn)數(shù)字礦山最基本、最核心的部分[3]。

相比地面工程，井下部分因地質(zhì)條件復(fù)雜，工程體量大，施工期間可視性差、施工空間受限等問題，基于BIM設(shè)計的模式因形象逼真，模型附帶大量信息的特點可以更好地服務(wù)礦井工程井下設(shè)計、施工。因此，研究井下工程設(shè)計、施工的基礎(chǔ)——煤田地質(zhì)三維數(shù)字化建模尤為必要。

1 地質(zhì)體三維建模研究現(xiàn)狀

傳統(tǒng)二維設(shè)計依據(jù)地質(zhì)報告提供的地質(zhì)圖表，其實質(zhì)是將三維環(huán)境下地層、地質(zhì)投影到平面上進行表達[4]，需要設(shè)計人員對地質(zhì)報告有較強的理解能力和空間重構(gòu)能力。目前市面上常見的三維地質(zhì)建模軟件如Surpac、3Dmine、Micromine等主要面向金屬塊狀礦體露天開采，更多用于資源評估、邊界分析、規(guī)劃生產(chǎn)等，不適應(yīng)煤田地質(zhì)等層狀礦體在井工礦設(shè)計方面的要求。國內(nèi)也有不少基于CAD、GIS、CATIA、OpenGL圖形庫進行二次開發(fā)研究的案例，實現(xiàn)了地質(zhì)體及構(gòu)造的三維建模[5]，但這些研究都是基于工程地質(zhì)三維建模。

MicroStation是Bentley工程軟件系統(tǒng)有限公司在建筑、土木、交通和工廠等領(lǐng)域提供BIM解決方案的基礎(chǔ)平臺，Bentley公司設(shè)計軟件大都基于這一平臺，并使用同一種數(shù)據(jù)格式進行交流，為不同專業(yè)實時協(xié)同中數(shù)據(jù)兼容提供了保證。中國電建華東勘測設(shè)計院基于MicroStation 平臺開發(fā)的GeoStation工程地質(zhì)建模軟件已比較成熟。吳小剛基于礦井地質(zhì)勘探報告資料在MicroStation平臺上通過二次開發(fā)，實現(xiàn)了鉆孔建模、煤層建模、構(gòu)造建模等[6]?？紤]工程地質(zhì)和資源地質(zhì)的共性及差異性，經(jīng)過對多種三維軟件的試用及研究，認(rèn)為MicroStation 平臺功能強大，可擴展性好，兼容性和協(xié)同能力較強，適合作為煤炭資源地質(zhì)進行三維建模開發(fā)的基礎(chǔ)平臺。

2 總體設(shè)計方案

三維地質(zhì)建模理論的提出與地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)的發(fā)展緊密相聯(lián)，地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)的發(fā)展得益于20世紀(jì)50年代D.G.Krige對克里金技術(shù)的研究[7]，國內(nèi)對三維地質(zhì)建模研究始于20世紀(jì)90年代，標(biāo)志是對EarthVision軟件的引入。三維地質(zhì)建模技術(shù)在不同工程領(lǐng)域因需求不同其側(cè)重也有差異，建模方法多種多樣。煤炭是典型的層狀礦藏結(jié)構(gòu)，與其他礦藏相比橫向相對穩(wěn)定，煤層的分叉、合并、尖滅以及地質(zhì)構(gòu)造表達最為重要，地質(zhì)構(gòu)造不同程度影響原巖應(yīng)力分布，從而影響井下安全開采[8]。煤田勘探所涉及到的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)有航測遙感資料、采樣資料、鉆孔資料、地震剖面以及電法等物探資料，以及煤、巖、瓦斯、硫分、灰分等各種化驗、電鏡分析資料[9]。本文中煤田地質(zhì)三維建模主要為滿足井工礦井上井下全專業(yè)BIM設(shè)計需要，數(shù)據(jù)源以地質(zhì)報告提供的鉆孔資料、煤質(zhì)資料及礦區(qū)地形等高線、煤層頂?shù)装宓雀呔€來進行三維建模，為井巷硐室、礦井安全提供地質(zhì)支持，優(yōu)化礦井開拓開采設(shè)計。

煤田地質(zhì)模型涉及井田邊界、鉆孔、地層/煤層、構(gòu)造等。井田邊界數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)字段為拐點坐標(biāo)的X/Y/Z值，鉆孔數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分為孔口、測斜、巖性、煤質(zhì)4類數(shù)據(jù)，各數(shù)據(jù)庫的關(guān)聯(lián)字段是鉆孔編號，地層/煤層與構(gòu)造的創(chuàng)建基于邊界及鉆孔模型，涉及三角網(wǎng)構(gòu)建(TIN面模型)、地質(zhì)體構(gòu)建(縫合)、空間插值、模型剪切、構(gòu)造構(gòu)建等算法。

本方案采用基于C++語言，具有MicroStation自己運行時間庫、編譯程序、鏈接程序和庫管理程序的程序化設(shè)計開發(fā)庫MDL(MicroStation開發(fā)庫)進行二次開發(fā)。開發(fā)工具Visual Studio2015，MicroStation update10及對應(yīng)版本的SDK(軟件開發(fā)包)，微軟Office2013(Access組件及數(shù)據(jù)庫引擎須正確安裝)。煤田地質(zhì)三維建模流程如圖1所示。

圖1 煤田地質(zhì)三維建模流程

3 三維地質(zhì)建模關(guān)鍵技術(shù)分析

3.1 鉆孔建模

鉆孔建模數(shù)據(jù)來源于礦井地質(zhì)報告、鉆孔綜合成果表等。鉆孔數(shù)據(jù)包含了大量的重要信息，包括鉆孔編號、坐標(biāo)、巖性、傾斜情況、巖層(煤層)厚度、煤質(zhì)以及其他需要表達的內(nèi)容，設(shè)計分為孔口表，測斜表、巖性表和煤質(zhì)特征表共4張數(shù)據(jù)表。每張數(shù)據(jù)庫表包含內(nèi)容見表1。

地層劃分是地質(zhì)數(shù)據(jù)整理的前提條件，地層劃分根據(jù)地質(zhì)體分層界定，多個臨近巖層可以合并以簡化分層數(shù)據(jù)，間接表現(xiàn)為數(shù)據(jù)庫記錄的多少。數(shù)據(jù)源標(biāo)準(zhǔn)化以后，即可結(jié)合MicroStation的參數(shù)化建模功能進行鉆孔建模，生成的鉆孔模型采用多段連續(xù)的線條來顯示鉆孔軌跡及每段的特征。每個鉆孔模型由多段層位信息模型組成，利用MicroStation的屬性管理器可即時查看巖層層位信息，如圖2所示。

表1 鉆孔數(shù)據(jù)庫表設(shè)計

圖2 鉆孔模型及層位屬性查詢

3.2 煤層建模

鉆孔模型建立以后，即實現(xiàn)了Access數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)向圖形數(shù)據(jù)的遷移，達到了圖數(shù)合一。數(shù)據(jù)鏈接與存取應(yīng)用了基于EC機制的ItemType(鏈接項)，EC基于XML技術(shù)，全稱為Engineering Content，即工程內(nèi)容或業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)屬性。鉆孔數(shù)據(jù)一旦被確認(rèn)，即可利用鉆孔數(shù)據(jù)創(chuàng)建界面，然后將這些界面按照地層順序疊加，確定面與面之間地質(zhì)單元地帶。但在礦井設(shè)計階段因鉆孔密度低，設(shè)計人員的地質(zhì)知識及對數(shù)學(xué)算法的理解程度等都影響其建立模型的精確度。因此需要采用一種合適的空間插值計算方法，利用已有鉆孔和勘探資料自動生成盡可能多的虛擬鉆孔，從而減少建模過程中人為因素。常用的層狀礦藏插值計算方法有β-spline插值法、距離反比法、克里金(Kriging)插值以及離散光滑插值法等[10]。與其他插值法相比，克里金法是建立在地質(zhì)介質(zhì)隨機模型基礎(chǔ)之上(即變差函數(shù)基礎(chǔ)上)的確定求解，能使得空間每一個點上的計算值與未知的客觀實際值之間偏差最小，本研究中空間插值即選用普通克里金法。煤層建模的數(shù)據(jù)來源是真實的鉆孔信息模型與煤層底板等高線及采用克里金插值法插值出來的眾多虛擬鉆孔。基于同一個煤層連接真實鉆孔和虛擬鉆孔對應(yīng)層位生成煤層/巖層頂板mesh面和底板mesh面，再利用MicroStation的mesh面縫合功能自動生成一個個煤層/巖層體。在插值過程中當(dāng)煤層頂板mesh面和底板mesh面相交時，相交線即為煤層厚度的零線，出現(xiàn)煤層尖滅，同時要求同一點底板mesh面對應(yīng)Z值必須小于等于頂板mesh面Z值，超此范圍不再進行插值。對煤層分岔或合并，因數(shù)據(jù)源來自地質(zhì)報告，故未單獨考慮。

3.3 構(gòu)造建模

煤田地質(zhì)三維建模中的構(gòu)造主要是斷層、陷落柱、褶曲等，對礦井開拓、開采設(shè)計及安全影響最大。本次開發(fā)利用武強院士在《三維地質(zhì)建模與可視化方法研究》中提供的根據(jù)斷層面的傾角和傾向，運用一個平面模擬斷層面，再推斷斷層面空間幾何形態(tài)的方法[11]。通過該方法建立空間斷層面后，利用MicroStation的布爾運算結(jié)合點云數(shù)據(jù)處理方式生成斷層構(gòu)造與地質(zhì)三維模型的擬合體。利用該方法建立的斷層構(gòu)造如圖3所示。

圖3 煤田地質(zhì)三維模型中的地質(zhì)構(gòu)造

4 模型應(yīng)用

4.1 儲量計算

儲量計算是煤田地質(zhì)勘探工作及礦井設(shè)計中的一項重要內(nèi)容。傳統(tǒng)的計算方法采用塊段法，利用各個塊段厚度平均值乘以面積來計算體積，這種計算方法工序繁雜、效率低，且容易出現(xiàn)漏項或多算的情況。借助三維地質(zhì)建模技術(shù)建立的地質(zhì)信息模型可快速計算煤層儲量。首先對煤層模型進行儲量分級，根據(jù)分級模型在MicroStation環(huán)境下自動統(tǒng)計不同級別的儲量，還可參照地質(zhì)報告對儲量進行誤差分析計算，分級模型如圖4所示，估算結(jié)果見表2(括號內(nèi)數(shù)據(jù)表示建模計算儲量和地質(zhì)報告提供儲量對比，加號表示偏大，減號表示偏小)。對比結(jié)果表明，使用該方法計算的儲量不僅自動化程度高，而且具備較高精度，基本能滿足礦井設(shè)計儲量計算需要。

表2 煤層儲量分及模型估算結(jié)果

圖4 煤層儲量分級模型

4.2 各類圖表輸出

通過提取鉆孔模型中附帶的煤質(zhì)數(shù)據(jù)，并在井田邊界線包絡(luò)盒范圍內(nèi)進行空間插值，根據(jù)插值后的數(shù)據(jù)在MicroStation中利用Delaunay原理可建立煤質(zhì)趨勢面，通過趨勢面與水平面的布爾運算，可快速創(chuàng)建不同煤質(zhì)特性的煤層等厚線圖，硫分、灰分、水分、瓦斯等值線圖等，如圖5所示。

圖5 煤層硫分等值線圖(%)

利用建立的煤層地質(zhì)模型還可沿任意方向、按一定比例進行剖切，并快速創(chuàng)建地質(zhì)剖面圖，具有較高的成果轉(zhuǎn)化度和自動化程度。

5 結(jié) 語

依托MicroStation基礎(chǔ)平臺二次開發(fā)的煤田地質(zhì)三維建模技術(shù)，以地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)和隨機建模原理為理論支撐，通過建立鉆孔及煤質(zhì)數(shù)據(jù)庫，以多元、多參數(shù)建模方法為指導(dǎo)。相較國內(nèi)其他建模方式及平臺，具有信息集成更全面、瀏覽查詢更便捷、兼容性更好的特點。通過該方法建立的三維成果能夠快速實現(xiàn)二維圖、表輸出，能輔助設(shè)計人員直觀、準(zhǔn)確地進行礦井設(shè)計，使得設(shè)計質(zhì)量得到較大提高，實現(xiàn)與井下采礦、機制、供電等全專業(yè)數(shù)據(jù)兼容，證明該技術(shù)具備良好的可行性。但鑒于井田地質(zhì)條件的復(fù)雜性，后期應(yīng)根據(jù)不同項目的需求不斷優(yōu)化、完善，如夾矸處理、復(fù)雜構(gòu)造構(gòu)建等，為數(shù)字化礦井建設(shè)及BIM技術(shù)在煤炭工程中推廣應(yīng)用提供支持。