一种冲击地压矿井多地质要素数字化建模方法

摘要

本发明提出一种冲击地压矿井多地质要素数字化建模方法，构建的地质要素包括地表、地层面和断层面。首先利用三维设计软件建立较精确的三维地质体表面，并将三维地表拉伸获得没有结构面和分层信息的煤矿三维模型。然后根据勘探钻孔等地质勘探信息，通过插值运算，建立真实展布的断层结构面和地层面，并将经过断层的地层面延展到断层面附近。最后组合地表、地层、断层面等地质要素，对模型进行统一的网格剖分与网格优化，最后导入到数值计算软件中，实现模型的构建。本发明充分利用了煤矿地质勘探获知的钻孔数据，通过插值运算获得了真实起伏的断层面和地质面，解决了三维设计软件在网格剖分的不足，为冲击地压矿井多地质要素建模提供了新思路。

说明书

技术领域

本发明涉及煤矿冲击地压领域，具体为一种冲击地压矿井多地质要素数字化建模方法。

背景技术

冲击地压是煤矿井巷和采场周围的煤岩体由于变形能突然释放而产生的具有剧烈破坏特征的动力现象，严重威胁着煤矿的安全生产。影响冲击地压发生的地质因素有很多，包括矿井埋深、煤层厚度变化、断层结构面的分布等。

矿井三维建模是分析煤矿开采应力分布和结构稳定性的基础。对于冲击地压矿井的建模，要充分考虑煤层开采所涉及的地质要素，包括岩层厚度、断层分布等相关地质信息。然井下各类地层和地质结构的空间信息复杂，还原各地质要素的空间结构信息工作量大，这为冲击地压矿井三维建模带来了困难。

当前煤矿三维建模一般采用两种方法，一种是利用数值模拟软件自带命令建模。这些命令仅适用于描述结构规则，边缘整齐的模型。而对于结构复杂，边界及地层交界面极其不规则的地质模型，软件自带的建模命令则受到很大制约。采用自带命令进行建模，则不得不简化地质条件，甚至删减地质要素，无法再现真实的地质情况，建模的精度大大降低。显然采用这种方式建立的煤矿三维地质模型存在地质要素不全、复杂地质结构还原度不足的问题，无法为冲击地压矿井的采动应力分析和结构演化提供支撑。

另一种建模方法是借助CAD等三维设计软件建模，这种方法通过对地层剖面线实施拉伸处理，从而形成不规则的层面。但这种方法默认岩层在拉伸方向上的起伏度不发生变化，与地下空间中的真实情况不符。此外，在三维设计软件在网格剖分方面存在天然劣势，三维设计软件剖分的网格形状和密度都不够合理，采用由此建立的网格模型进行计算，会严重制约数值模拟的结果精度；一些三维设计软件建立的网格模型甚至只有表面轮廓，其内部为中空的甚至无法用来模拟运算。

发明内容

针对上述现有技术中存在的不足，本发明提出了一种冲击地压矿井多地质要素数字化建模方法，包括如下步骤：

S1，利用三维设计软件建立包含地表起伏的三维地质模型

S11，建立三维地表；根据建模区域的地表等高线数据，等分等高线，从而获得一定数目的线段，提取所有线段的端点，获得地表等高线的三维点云数据；

优选的，以建模最小尺度来等分等高线。

S12，由三维点云数据生成地表网格面和光滑过渡的三维地表曲面，拉伸地表曲面，形成未进行地层分割的三维地质体模型；

S2，在三维地质模型中建立真实展布的断层面和地层

S21，确立断层面，根据勘探钻孔数据，由断层位置的点坐标信息，通过插值运算，建立建模区域内的真实展布的断层面；

S22，确立地层，根据勘探钻孔数据，提取在相同地层分界面上的钻孔点，在相同地层分界面上的钻孔点生成同一地层的界面，通过插值运算，确立地层分界面，通过相邻的地层分界面建立真实展布的每个地层；

S23，将断层经过的地层延展到断层面；

S3，对三维地质模型进行网格划分

S31，对三维地质模型进行初次粗略剖分；

S32，利用Griddle中的表面网格优化技术Gsurf操作，对表面网格进行优化剖分；

S33，利用Griddle插件中的Gvol功能，生成矿井多地质要素网格模型；

S4，将步骤S3建立的矿井多地质要素网格模型导入数值模拟软件。

有益效果：本发明提出一种冲击地压矿井多地质要素数字化建模方法，所构建的地质要素包括地表、地层面和断层结构面。首先利用三维设计软件的建模优势，建立较精确的三维地质体表面，并将三维地表拉伸获得没有结构面和分层信息的煤矿三维模型。其次，根据勘探钻孔等地质勘探信息，通过插值运算，建立真实展布的断层结构面。然后，根据勘探钻孔信息，通过插值运算，建立真实展布的每个地层面，并将断层经过的地层面延展到断层面附近。最后组合地表、地层、断层面等地质要素，采用Griddle软件对模型进行统一的网格剖分与网格优化，导入到数值计算软件中，实现模型的构建。本方法充分利用了煤矿地质勘探获知的钻孔数据，通过插值运算获得了真实起伏的断层结构面和地质层面，并解决了三维设计软件在网格剖分的不足，为冲击地压矿井多地质要素建模提供了新思路。

附图说明

图1是未进行地层分割的三维地质体模型；

图2是由断层面上的点建立的断层模型(图中圆圈为钻孔点)；

图3是置于三维地质体中的断层；

图4是位于断层两侧的同一岩性的地质层面(图中圆圈为钻孔点)；

图5是依照钻孔坐标信息生成的多个地层面模型；

图6是本发明包含多地质要素的三维地质体模型；

图7是表面网格优化剖分后的三维地质体模型；

图8是导入数值模拟软件的三维地质体模型。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明的技术方案进行更为详细的描述。

一种冲击地压矿井多地质要素数字化建模方法，利用三维设计软件建立精确的三维地质体表面，并将三维地表拉伸获得没有结构面和分层信息的煤矿三维模型；根据勘探钻孔等地质勘探信息，通过插值运算，建立真实展布的断层结构面；根据勘探钻孔等地质勘探信息，通过插值运算，建立真实展布的每个地层，并将断层经过的地层延展到断层面附近；组合地表、地层、断层面等地质要素，采用Griddle软件对模型进行统一的网格剖分与网格优化，导入到数值计算软件中，实现模型的构建；

具体包括如下步骤：

S1，利用三维设计软件建立包含地表起伏的三维地质模型

S11，建立三维地表；根据建模区域的地表等高线数据，等分等高线，从而获得一定数目的线段，提取所有线段的端点，获得地表等高线的三维点云数据；

优选的，以建模最小尺度来等分等高线。

S12，由步骤S11中的三维点云数据生成地表网格面和光滑过渡的三维地表曲面，拉伸地表曲面，形成未进行地层分割的三维地质体模型，如图1所示；

S2，在三维地质模型中建立真实展布的断层面和地层

S21，确立断层面，根据勘探钻孔数据，由断层位置的点坐标信息，通过插值运算，建立建模区域内的真实展布的断层面，如图2-3所示；

S22，确立地层，根据勘探钻孔数据，提取在相同地层分界面上的钻孔点，在相同地层分界面上的钻孔点生成同一地层的界面，通过插值运算，确立地层分界面，通过相邻的地层分界面建立真实展布的每个地层(每个地层由上下相邻的两个地层分界面确定)；

S23，将断层经过的地层延展到断层面，如图4-6所示；

S3，对三维地质模型进行网格划分

S31，对三维地质模型进行初次粗略剖分，获得的网格形状不规则，还不满足模拟运算需求；

S32，利用Griddle中的表面网格优化技术Gsurf操作，对表面网格进行优化剖分；如图7所示；

S33，利用Griddle插件中的Gvol功能，生成矿井多地质要素网格模型；

S4，将步骤S3建立的矿井多地质要素网格模型导入数值模拟软件；如图8所示。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。