数字地下空间与工程三维地质建模及应用研究

摘要

三维地质模型能够清晰的表达地质体的空间分布、空间关系及属性特征等，已广泛应用于能源、矿山、城市地下空间和交通隧道等领域。随着应用的深入，对建立研究区域三维地质模型的需求越来越旺盛，需要对三维地质建模方法进行深入研究；现有的地质建模方法没有考虑研究区域的场地特征和数据特征，本文则从这两方面考虑了地质建模的层次性：对于简单地质条件则适应于钻孔地质建模方法，对于复杂地质条件则适应于剖面地质建模或多源地质建模方法。基于此，本文的主要研究内容有如下方面： 1．建立以地质采样为约束条件的地质建模体系框架三维地质建模是三维地学模拟系统的核心内容，在数字地下空间与工程框架下将地下空间分为地质对象和工程对象。重点研究地质对象，分别从几何特征、空间特征和数据特征做了系统分析，认为认知地下空间的重要手段是地质采样，建立了以地质采用为约束条件的地质建模体系框架。 2．发展并完善基于钻孔数据的地质建模方法钻孔数据是最直观、准确和详细的地质信息，基于钻孔数据建立三维地质模型，一直是国内外研究的热点。本文将钻孔地质建模总结为两个核心步骤：一是基于Delaunay构网确立钻孔之间的拓扑关系，二是钻孔地层之间连接关系推理。一般的基于钻孔数据建模仅是利用原始钻孔生成三维地质模型，由于成本高昂，数据量较少，所建地质模型粗糙，可视化效果差。通过插入适当数量的虚拟钻孔可实现地质模型的细化，本文提出用Delaunay细分三角剖分来确定虚拟钻孔的插入位置，用自然邻接方法生成虚拟钻孔实体。并利用自然邻接实现对地层尖灭的进一步处理，使其更加符合实际。 3．基于地质剖面的地质建模方法钻孔建模方法通常适应于简单地质条件区域，针对这一特点，着重研究了基于剖面的地质建模方法，该方法适合复杂层状地质构造场地。首先研究序列剖面建模的一般原理，接着对地质剖面进行数据分析，将其分为三个层次，即地层线、地层块和层。利用最小多边形自动搜索算法实现对地质剖面数据的快速处理，使其构成剖面建模的基本单元，也即地层块或层。然后，讨论了轮廓线三维表面重构算法，通过施加强约束条件改进了最小对角线算法，避免了轮廓线之间的错误连接。最后，利用改进的轮廓线表面重构算法，研究了断层和褶皱构造的三维地质建模方法。 4．多源地质建模方法实际工程中，地质信息通常是由多种类型的，除地质测绘信息、钻孔、剖面之外，还有施工开挖所形成的地质素描等信息，这些信息同样能对地质模型起到约束作用，能够使地质模型得到进一步精细化。通过对数据源的分析，确立一套多源地质建模方法，对其中所涉及到的如层面裁剪和断层错动以及层面插值方法做了研究。 5．工程应用目前三维地质模型的工程应用主要体现在可视化方面，本文则结合煤矿工程实际，在三维地质模型的基础上，提出并实现巷道—巷道、巷道—断层及巷道—煤层之间的空间关系分析，实现煤矿工程中基于空间分析的巷道辅助优化设计。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1概述

1.2研究进展

1.2.1概念体系

1.2.2研究计划

1.2.3三维地质建模方法

1.3对三维地质建模的一些新认识

1.4本文开展的工作

1.5课题的创新点

第2章三维地质建模理论基础

2.1概述

2.2地下空间与工程

2.2.1地质对象

2.2.2工程对象

2.3地质对象几何特征

2.4地质对象空间特征

2.4.1地层与地层学

2.4.2构造

2.5地质对象数据特征

2.5.1地形地质数据

2.5.2地质测绘数据

2.5.3钻孔数据

2.5.4.地质剖面图

2.6三维地质建模任务

2.7地质建模的统一表达

2.8三维地质建模体系结构

2.9本章小结

第3章基于钻孔数据的三维地质建模方法

3.1概述

3.2基于Delaunay构网的钻孔拓扑关系建立

3.2.1 Delaunay三角构网的发展

3.2.2 GMaps拓扑数据结构

3.2.3基于GMaps的Delaunay三角网格剖分——逐点插入法

3.2.4 Delaunay细分

3.3钻孔地层连接的推理

3.3.1研究区域整体地层层序

3.3.2含断层的钻孔地层推理（陈学习等，2005）

3.3.3基于语义的钻孔地层推理（徐磊等，2007）

3.4钻孔数据地质建模方法

3.4.1钻孔数据直接建模

3.4.2地质模型细化

3.4.3该方法的优点

3.5模型修正

3.5.1数字钻探

3.5.2基于虚拟钻孔的模型修正方法

3.6本章小结

第4章基于地质剖面的三维地质建模方法

4.1概述

4.2剖面地质建模的一般原理

4.2.1剖面三维建模主要过程

4.2.2剖面三维建模过程分析

4.3地质剖面数据分析

4.3.1地质剖面元素

4.3.2剖面数据预处理

4.4最小多边形自动搜索算法

4.4.1基于分叉原则地层线合并

4.4.2基于图论的最小多边形自动搜索算法

4.5基于轮廓线的三维表面重构方法

4.5.1基本方法

4.5.2构造连接两地质剖面的三角面片

4.5.3改进的最短对角线法

4.5.4闭合轮廓线的蒙皮(Skin)算法

4.6闭合多边形的三角剖分算法

4.7复杂地层的三维表面重构

4.7.1断层

4.7.2地层尖灭

4.7.3褶皱

4.7.4复杂地质建模的一般问题

4.8基于剖面建模的模型修正方法

4.9本章小结

第5章多源地质数据建模方法

5.1概述

5.2多源地质建模方法

5.2.1数据源分析

5.2.2多源地质建模流程

5.3关键技术

5.3.1曲面裁剪

5.3.2断层错动

5.3.3插值方法研究

5.4本章小结

第6章工程应用

6.1概述

6.2望峰岗煤矿概况

6.3望峰岗煤矿三维地质建模

6.4巷道三维建模

6.4.1巷道三维设计的必要性

6.4.2巷道建模

6.5巷道优化设计方法

6.5.1巷道-煤层／断层空间分析

6.5.2巷道-巷道空间分析

6.5.3巷道优化设计流程

6.6 工程应用实例

6.7本章小结

第7章结论及展望

7.1主要研究结论及成果

7.2进一步工作展望

参考文献

致谢

个人简历 在读期间发表的学术论文与研究成果