基于GMS的某煤礦三維地層模型的建立*

趙晗博

(1. 中煤科工生態環境科技有限公司，北京 100013；2. 天地科技股份有限公司 生態科技事業部，北京 100013；3. 中國煤炭科工集團有限公司，北京 100013；4. 中煤科工集團北京土地整治與生態修復科技研究院有限公司，北京 100013)

三維地質建模是利用信息化技術將整合的地質數據實現可視化，反映地質體的幾何形態及實體間的相互關系，是很多相關領域研究的熱點和難點。三維可視化建模技術已經廣泛應用到各個科學領域[1]。目前國內外應用比較多的三維地質建模軟件有GMS、Surpac Vision、3D Mine Plus、Go CAD等。其中，GMS(Groundwater Modeling System)軟件以其良好的圖形處理能力、強大的數據存儲功能和優良的三維可視效果得到了業界的廣泛認可，成為國際上最受歡迎的地質建模模擬軟件之一[2]。溫繼偉等運用GMS軟件建立長春及周邊地區的三維地層結構可視化模型[3]；呂禹運用GMS軟件建立了孔莊礦含水層模型[4]；朱鵬程運用GMS軟件建立柳江盆地三維地質模型并進行了水資源量的預測[5]；王強利用GMS軟件建立井田三維地質模型，進一步了解辛安礦地質特征[6]。本文結合現有勘察成果，選用GMS軟件建立研究區三維地質模型，立體展示地質要素分布情況。

1 研究區概況

井田位于濟東煤田的中南部，行政區劃屬山東省濟南市。文祖斷層(F13)和亭山斷層(F1)構成了井田范圍的東西邊界，南北均以采礦許可證批準的范圍為界。極值地理坐標為東經117°24′27″～117°30′59″、北緯36°34′55″～36°42′23″。經過近幾十年的開采，井田范圍內1、3煤層探明的可采儲量接近枯竭，并于2015年9月30日閉坑。研究區下方及附近主要開采1煤、3煤和9-1煤層，開采方法采用上、下山單翼或雙翼采區、單一工作面布置方式，走向長壁后退式采煤方法?；夭煞绞綖楦邫n普采，村莊下、承壓水體上采用條帶開采和穿采(村莊保護煤柱范圍內)，回采工作面采用單體支柱配合鉸接頂梁支護，全部陷落法管理頂板。

2 工程地質條件

奧陶系、石炭系-二疊系、三疊系及第四系組成了研究區的主要地層，含煤地層為石炭～二疊紀月門溝群山西組和太原組。處于濟東煤田的埠村向斜兩冀，在文祖斷層與亭山斷層之間，井田斷裂構造發育，除3煤未受巖漿大面積侵蝕外，其它各煤層均不同程度受到侵蝕破壞。地質構造復雜程度屬中等類型，礦區內的各可采煤層屬較穩定～不穩定煤層，勘查類型為二類Ⅱ型。

根據工程勘察資料，研究區場地土類型為中軟場地土，建筑場地類型為Ⅱ類。場地地層結構及物理力學性質如下：

(1)第一層：素填土，褐色，以粘性土為主，少量孔以煤矸石為主要成分，含少量磚屑及植物根系。場區普遍分布厚度0.04～14.20 m。

(2)第二層：粉質粘土，褐黃色，可塑，稍有光澤，干強度及韌性中等，土質均勻。場區普遍分布，厚度2.60～5.60 m，平均3.66 m，為中等壓縮性土，不具有濕陷性。承載力特征值150 kPa。

(3)第三層：粉質粘土，褐黃色，可塑，稍有光澤，干強度及韌性中等，偶見姜石，厚度0.60～13.30 m，平均6.17 m，為中等壓縮性土，不具有濕陷性。承載力特征值130 kPa。

(4)第四層：碎石，灰褐色，中密-密實，成分為灰巖，次棱角狀，粒徑3～7 cm，含量80%，粘土充填。厚度1.0～9.0 m，平均厚度3.92 m，動探試驗29.5 m，每10 cm平均擊數14.7擊。承載力特征值220 kPa。

(5)第五層：粉質粘土，棕黃色，稍濕，可塑，稍有光澤，干強度及韌性中等，偶見鐵錳氧化物，土質均勻，厚度1.80～10.30 m，平均5.19 m，為中壓縮性土。承載力特征值160 kPa。

(6)第六層：碎石，灰褐色，密實，成分為灰巖，次棱角狀，粒徑3～7 cm，含量80%，粘土充填。最大揭露厚度16.7 m，動探試驗35.2 m，每10 cm平均擊數22.9擊。承載力特征值250 kPa。

3 建模的總體思路及軟件介紹

3.1 建?？傮w思路

第一步，在井田現有勘察成果基礎上，人工分解錄入地質剖面、地質構造、地質報告以及相關的成果報告等地層數據，建立三維可視化模型，立體展示井田地質體情況與斷層分布情況。第二步，在后期綜合勘察實施過程中，依據新的鉆探和綜合物探成果形成地質資料數據庫，及時對三維模型進行補充完善，形成研究區地質體綜合勘察成果的數據庫管理，構建三維可視化模型，多角度立體展示研究區地質分布情況。

3.2 GMS軟件簡介

GMS軟件在地下水研究方面應用較多[7]，鉆探成果錄入、地下水運移模擬、地下水數值模擬等模塊共同組成了GMS軟件，因此，軟件本身具有綜合性和全面性。GMS軟件不僅能實現地質結構體的可視化，還具有地下水溶質運移模擬和溶質范圍預測的功能。GMS軟件建模的主要方法有網格法、概念模型法和Solids法[8]，本文采用Solids法進行模型構建。

3.3 GMS軟件的優點

(1)錄入信息方便。GMS軟件可實現圖片、CAD文件及Excel表格文件的直接導入，與GIS、CAD、CorelDRAW軟件實現無縫對接，利于地信工作者的便捷工作。

(2)三維可視化。在建立地質數據庫的基礎上，GMS軟件可以對三維地質體任意剖面進行切割剖分，直觀表達剖面地質情況，便于檢驗勘察成果。

(3)與地下水模塊相結合。眾所周知，地下水是地質研究的重要組成部分，GMS軟件可以實現地下水資源量預測和地下水溶質運移模擬以及地下水環境研究。在三維地質建?；A上結合該研究區地下水的研究成果，將使得模型更具有參考性和實用性。

(4)概念模型(Conceptual Models)方法，是GMS軟件建立三維地質模型最有效的手段。通過這種方法，一個概念模型可以通過GIS要素(點-points、弧線-arcs、多邊形-polygons)和高程數據(立體-solid、散點-scatter points或者鉆孔-borehole)建立。一旦概念模型建立完成，可以通過轉換工具將概念模型數據轉化到grid的單元格，而大多數地質建模軟件只能通過grid的方法來建立模型。

3.4 GMS軟件的不足

GMS軟件語言支持不足。圖件中的圖例不能顯示中文，模型工程文件不能用中文名，否則每次重新打開工程文件的時候出現“could not open namefile”錯誤，使得模擬文件丟失，影響工作進度。

4 利用GMS建模

4.1 資料準備

資料的收集和整理是地質建模工作的重中之重[9]，構建三維可視化地質模型需要的資料包括三維地層參數、煤層空間分布參數、斷層等構造三維產狀參數等[10-11]。本次所收集的資料主要是近五年鉆探和物探成果，有勘探線地質剖面圖6幅、鉆孔信息統計表、煤層采掘工程平面圖1幅、井田地基穩定性評價報告等。經整理，六條地質勘探線一共布設原始鉆孔24個，分別是西2勘探線：ZK35、ZK36、ZK37、ZK63、ZK64、ZK65；西3勘探線：ZK3、ZK4、ZK39、ZK40、ZK54；西4勘探線：ZK44、ZK66、ZK67、ZK68、ZK69、ZK82、ZK123；西5勘探線：ZK12、ZK49；西6勘探線：ZK53、ZK73；西7勘探線：ZK11、ZK47。

4.2 圈定研究區范圍

進行三維建模的第一步是圈定研究區范圍，一般建立研究區范圍多為矩形或者多邊形，相比于圓形，矩形的可視化效果更好。圈定范圍步驟：第一，掃描紙質底圖為CAD所支持的格式的文件，在CAD里面對底圖進行配準，賦予自定義坐標系。在CAD中提取礦區邊界文件，將文件導入圖新地球中，選擇合適的投影帶使得礦區邊界文件顯示在地圖影像中，截取圖像導出為tiff文件。第二，打開GMS軟件，導入井田底圖tiff文件，選擇Map模塊，點擊new coverage建立邊界文件，用直線工具對底圖進行矢量化，研究區范圍圈定完畢如圖1所示。

圖1 研究區范圍

4.3 建立鉆孔數據庫

錄入鉆孔數據有兩種方法，一種是選擇Boreholes模塊中的Borehole(鉆孔)，直接在模塊中輸入鉆孔數據(包括坐標、標高、地層數據等)；另一種是將鉆孔信息整理成Excel表格，導入GMS中生成單個鉆孔。本次建立地質數據庫選用后一種方法。

建立煤層鉆孔情況表，包括鉆孔編號和坐標、煤層頂底板標高、地層編號、巖性編號等，如表1所示。首先整理好已有的鉆孔編號信息和平面坐標信息，其次對照井田勘探線剖面圖對單個鉆孔進行地質分層并編號，地質分層分為第四系、二疊系上統、二疊系下統、石炭系、奧陶系、1煤、3煤、9煤。

表1 鉆孔信息表

導入鉆孔信息表之后軟件自動生成每個鉆孔，利用鉆孔編輯器對鉆孔數據進行編輯，自上而下編排層與層接觸面ID，設置每個地層所對應的顏色，如圖2所示。圖例中Q表示第四系、P2表示二疊系上統、P1表示二疊系下統、C表示石炭系、O表示奧陶系?；氐街鹘缑嬷?，便可看到每個鉆孔的三維立體分布，如圖3所示。

圖2 鉆孔編輯器

圖3 鉆孔三維立體展示

4.4 利用鉆孔數據建模

選擇Boreholes模塊中的Auto-fill blank cross sections來自動生成剖面，以ZK82和ZK68所切剖面為例，如圖4所示，經與西4勘探線剖面圖的巖層情況進行對比，結果基本吻合，證明所形成的地層模型符合要求。然后，通過HorizonSolid命令，把鉆孔數據轉變成Solid立體模型，這就是地層結構模型。研究區內落差較大的斷層為西F7和西F8，最大落差均達到了40 m，屬于研究區的最大斷層，如圖5所示。GMS軟件不具備文字矢量化的功能，將模型導入ArcGIS軟件進行矢量化，研究區煤層采空區(白色部分)、研究區范圍、工業廣場、勘探線編號等信息在模型上一一展現，增加了模型的可視化程度。

圖4 剖面示意圖

圖5 研究區三維地質模型

5 結 論

(1)三維地質建模一般有鉆孔數據建模和剖面建模兩種，本文基于GMS軟件采用鉆孔建模法建立了研究區的三維地質模型，初步展示井田范圍內的地層分布和斷層情況。經過對比驗證，該模型與真實地層基本吻合，滿足生產要求，為后期的設計和勘察提供一定的驗證依據。但現有的地質資料存在不真實、不完整、不詳實的情況，導致建立的三維地質模型及地質數據庫不夠完善，后期應繼續開展勘察評估工作，完善地質成果，使數據庫更加豐富。

(2)隨著科技的發展，三維地質建模對于可視化的要求更高，地質建模軟件應更多地與建筑景觀設計信息化軟件相結合，真正做到地質剖面任意切割展示，地質信息云端一站式儲存，讓地質工作者的工作更加高效。