一种用于煤矿三维瓦斯地质模型构建的方法及系统

摘要

本发明公开一种用于煤矿三维瓦斯地质模型构建的方法及系统，包括：构建煤矿的三维模型；基于煤矿的三维模型，获取煤矿的地质层结构；基于煤矿的地质层结构，获取并标记瓦斯存在的特征点；基于瓦斯存在的特征点，计算得到特征点的瓦斯浓度；基于特征点的瓦斯浓度，得到煤矿的瓦斯分布，完成煤矿三维瓦斯地质模型构建。可以更直观更充分地显示地质信息，充分揭示了瓦斯的空间变化规律，对于煤矿安全开采具有指导意义。

说明书

技术领域

本发明涉及煤矿瓦斯地质模型构建技术领域，特别涉及一种用于煤矿三维瓦斯地质模型构建的方法及系统。

背景技术

由于煤矿工程处大多地质构造复杂，在进行地下工程建设之前，需要获取各种地层信息，以利于工程施工。通常，可以通过地质勘探、测量等手段获得大量的地质信息数据，包括地表地形、瓦斯分布和浓度等信息，以便对施工提供有效的支持。但是，这些数据往往都是一些离散不连续的数据，地质工作者很难利用这些数据分析出它们在地质体中的分布规律。

矿井瓦斯(成分以甲烷为主)具有爆炸危险，当巷道瓦斯涌出时，甲烷-空气并非均匀分布，而是存在多维浓度梯度，此时若出现点火源亦可能会发生爆炸。掌握煤矿甲烷多维浓度梯度特征及其演变规律，对于煤矿安全开采具有指导意义。现有技术中多是构建一维浓度场，这种一维与煤矿中甲烷的复杂浓度梯度存在一定差异，模拟结果仍无法反馈出瓦斯存在的多维浓度场特征。不能充分揭示其空间变化规律，难以使人们直接、完整、准确的理解和感受煤矿的瓦斯分布情况，越来越不能满足工程地质师和实际作业人员的工作需求。

发明内容

为解决上述现有技术中所存在的煤矿瓦斯分布获得不完整、不准确的问题，本发明提供一种用于煤矿三维瓦斯地质模型构建的方法及系统，利用构建煤矿的三维模型和瓦斯多维浓度场相结合，充分揭示了瓦斯的空间变化规律，对于煤矿安全开采具有指导意义。

为了实现上述技术目的，本发明提供了一种用于煤矿三维瓦斯地质模型构建的方法，包括：

步骤1，构建煤矿的三维模型；

步骤2，基于所述煤矿的所述三维模型，获取所述煤矿的地质层结构；

步骤3，基于所述煤矿的所述地质层结构，获取并标记瓦斯存在的特征点；

步骤4，基于所述瓦斯存在的所述特征点，计算得到所述特征点的瓦斯浓度；

步骤5，基于所述特征点的所述瓦斯浓度，得到所述煤矿的瓦斯分布，完成煤矿三维瓦斯地质模型构建。

可选的，所述煤矿的所述三维模型构建过程包括：

获取所述煤矿的勘探孔的钻孔数据，对所述钻孔数据进行插值计算得到插值数据，整合所述钻孔数据和所述插值数据，得到建模数据；

基于所述建模数据生成点云数据，根据所述点云数据生成地面曲线；

基于所述地面曲线提取顶点数据，构建所述煤矿的所述三维模型。

可选的，所述煤矿的地质层结构包括正断层、逆断层、平移断层、陷落柱。

可选的，所述特征点的瓦斯浓度计算过程包括：

采用光学瓦斯鉴定仪测量所述特征点的瓦斯浓度的离散分布特性；

基于所述瓦斯浓度的所述离散分布特性，结合线性插值理论绘制所述瓦斯浓度分布云图；

基于所述瓦斯浓度分布云图获得所述特征点的横向特征参数和纵向特征参数；

基于所述横向特征参数和所述纵向特征参数，得到所述特征点的瓦斯浓度。

本发明还提供一种用于煤矿三维瓦斯地质模型构建的系统，包括：构建模块、第一获取模块、第二获取模块、第一计算模块；

所述构建模块用于构建煤矿的三维模型；

所述第一获取模块用于获取所述煤矿的地质层结构；

所述第二获取模块用于获取瓦斯存在的特征点；

所述第一计算模块用于计算所述特征点的瓦斯浓度。

可选的，所述构建模块包括：第三获取模块、第二计算模块、整合模块；

所述第三获取模块用于获取所述煤矿的勘探孔的钻孔数据；

所述第二计算模块用于对所述钻孔数据进行插值计算；

所述整合模块用于整合所述钻孔数据和所述插值数据，以及基于所述建模数据生成点云数据。

可选的，所述第一计算模块包括：测量模块、绘制模块；

所述测量模块用于测量所述特征点的瓦斯浓度的离散分布特性；

所述绘制模块用于根据所述瓦斯浓度的所述离散分布特性，结合线性插值理论绘制所述瓦斯浓度分布云图。

可选的，所述测量模块包括光学瓦斯鉴定仪。

本发明具有如下技术效果：

利用构建煤矿的三维模型和瓦斯多维浓度场相结合，通过根据实际测量的地层数据信息来实现三维地层模型的构建，可以更直观更充分地显示地质信息，充分揭示了瓦斯的空间变化规律，对于煤矿安全开采具有指导意义，为工程施工提供有力的支持。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例煤矿三维瓦斯地质模型构建方法的流程框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明公开一种用于煤矿三维瓦斯地质模型构建的方法，包括：

步骤1，构建煤矿的三维模型，过程为：

步骤1.1，获取所述煤矿的勘探孔的钻孔数据，对所述钻孔数据进行插值计算得到插值数据，整合所述钻孔数据和所述插值数据，得到建模数据；

具体为，在实际工作进行勘探钻孔时，由于煤矿特殊的地质特性，得到的钻孔数据往往会有缺失、重复，在本实施例中，将典型分层的钻孔和特殊分层的钻孔区分开，使获取的钻孔数据的分层一一对应。将所述勘探孔对应的所述钻孔数据的地层按照沉积顺序进行编号，沉积年代越晚的土层编号越小，对于特殊分层存在的地层缺失，添加一个厚度为0的地层，按照土层标号从小到大的顺序编号，生成所有勘探孔的地层序列。

按照从小到大的顺序，采用克里金插值模型对所述钻孔数据进行插值计算，通过所述克里金插值模型得到的任一插值点P，将所述钻孔数据中的实际钻孔点对插值点P的权重系数记为α，若所述实际钻孔点在当前地层的厚度为0，则将权重系数α与预设的权重边界条件q进行比较，若α大于q，则令插值点P在当前地层的厚度为0。

对所有的插值数据和钻孔数据都进行查找和排序，按照勘探孔从小到大的顺序进行排列，得到建模数据。

步骤1.2，基于所述建模数据生成点云数据，根据所述点云数据生成地面曲线；

具体为，采用非均匀有理B样条模型将所述建模数据拟合生成地层曲线，在拟合时，采用反算法求出控制顶点来拟合曲线曲面，且限定过曲面上每个顶点的权重系数为1。

步骤1.3，基于所述地面曲线提取顶点数据，构建所述煤矿的所述三维模型；

提取地层曲线中的上表面顶点集合和下表面顶点集合，在所述上表面顶点集合和下表面顶点集合分别确定一个顶点为起点，分别调整两个所述顶点集合中顶点的顺序，确保这两个顶点集合中的顶点都按照相同的方向排列。从所述上表面顶点集合和下表面顶点集合中的任一个顶点集合中选取两个顶点，再从另一个顶点集合中选取另一个顶点，连接选取的三个顶点，构建煤矿三维模型。

步骤2，基于所述煤矿的所述三维模型，获取所述煤矿的地质层结构；

根据步骤1人工勘探的方法，得到人工勘探孔的钻孔信息，查阅历年煤矿地质钻孔的历史资料，得到所述煤矿的地质类型，进而得到所述煤矿的地质层结构。

所述煤矿的地质层结构包括：断层：正断层、逆断层、平移断层、陷落柱。由于断层两盘的相对运动，上盘下降、下盘上升的断层为正断层，上盘上升、下盘下降的断层为逆断层，断层两盘顺断层面走向相对滑动的断层对平移断层。断层造成煤层不连续，煤体受力酥软，瓦斯涌水增大，陷落柱可能是矿井瓦斯的通道，影响煤矿生产的安全。

步骤3，基于所述煤矿的所述地质层结构，获取并标记瓦斯存在的特征点；

所述特征点用于表示在步骤1构建的三维模型中，煤矿的不同地质层中瓦斯存在的点。采用矿用瓦斯检测仪检测煤矿中的瓦斯气体，并标记特征点。

步骤4，基于所述瓦斯存在的所述特征点，计算得到所述特征点的瓦斯浓度；

步骤4.1，采用光学瓦斯鉴定仪测量所述特征点的瓦斯浓度的离散分布特性；

具体的，基于离散网格布点方式测量特征点的瓦斯浓度的离散分布特性，离散网格的横向和纵向的距离均不超过1000mm，每个网格节点的单次测量时间不低于30s，且每个网格节点的测量次数不低于三次，采用光学瓦斯鉴定仪测量瓦斯在不同空间位置上的具体浓度。

步骤4.2，基于所述瓦斯浓度的所述离散分布特性，结合线性插值理论绘制所述瓦斯浓度分布云图；

具体的，根据步骤4.1中所得的瓦斯浓度在煤矿地质层截面的离散分布特性，结合线性插值理论绘制全截面瓦斯浓度分布云图，实现瓦斯浓度的伪连续精确测量。线性插值理论是指使用连续两个已知量的直线来确定在这两个已知量之间的一个未知量的值的方法，对于本实施例来说则是测出两个代表特征点的瓦斯浓度，再根据测量结果求出在该两个代表特征点的连线上且处于该两个代表特征点之间的特征点的瓦斯浓度。从而最终实现煤矿不同地质层截面全截面内的瓦斯浓度的伪连续精确测量。

步骤4.3，基于所述瓦斯浓度分布云图获得所述特征点的横向特征参数和纵向特征参数；

相邻特征点的横向间隔x取值范围为800mm≤x≤2000mm，根据步骤4.2获得的煤矿不同地质层全截面瓦斯浓度分布云图以及相邻特征点的横向间隔x，得到特征点的横向特征参数；

特征点的布置深度y取值范围为0≤y≤n，根据步骤3.2获得的煤矿不同地质层全截面瓦斯浓度分布云图以及相邻特征点的纵向布置深度y，得到特征点的纵向特征参数。

整合所述横向特征参数和纵向特征参数得到特征点的瓦斯浓度，测得的特征点处的瓦斯浓度的平均值与煤矿不同地质层全截面内对应的瓦斯浓度平均值之间的偏差λ不超过3％，偏差λ的计算公式为：

其中，

步骤5，基于所述特征点的所述瓦斯浓度，得到所述煤矿的瓦斯分布，完成煤矿三维瓦斯地质模型构建。

根据步骤4得到的所述煤矿中所有瓦斯存在的特征点，以及步骤1得到的所述煤矿的所述三维模型，将所述特征点标记于所述三维模型中，得到所述煤矿的瓦斯分布，完成煤矿三维瓦斯地质模型的构建。

本发明还公开一种用于煤矿三维瓦斯地质模型构建的系统，包括：构建模块、第一获取模块、第二获取模块、第一计算模块；

所述构建模块用于构建煤矿的三维模型；

所述第一获取模块用于获取所述煤矿的地质层结构；

所述第二获取模块用于获取瓦斯存在的特征点；

所述第一计算模块用于计算所述特征点的瓦斯浓度。

具体的，所述构建模块包括：第三获取模块、第二计算模块、整合模块；

所述第三获取模块用于获取所述煤矿的勘探孔的钻孔数据；

所述第二计算模块用于对所述钻孔数据进行插值计算；

所述整合模块用于整合所述钻孔数据和所述插值数据，以及基于所述建模数据生成点云数据。

具体的，所述第一计算模块包括：测量模块、绘制模块；

所述测量模块用于测量所述特征点的瓦斯浓度的离散分布特性；

所述绘制模块用于根据所述瓦斯浓度的所述离散分布特性，结合线性插值理论绘制所述瓦斯浓度分布云图。

具体的，所述测量模块包括光学瓦斯鉴定仪。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。