李青元-三维地质建模在煤炭资源勘探与煤矿安全高效开采

三维三维地质地质建模及其在建模及其在煤炭资源勘探煤炭资源勘探与煤矿安全高效开采中的作用与煤矿安全高效开采中的作用李青元李青元((研究员研究员))中国测绘科学研究院中国测绘科学研究院((地理信息工程重点实验室地理信息工程重点实验室))1351101302813511013028，，[e-mail]@casm.ac.cn2013煤矿安全高效开采地质保障技术研讨会厦门9-29~10.1概要概要11背景背景22三维地质建模工作回顾三维地质建模工作回顾33计算机三维地质建模回顾与现状计算机三维地质建模回顾与现状44三维地质建模软件的优势三维地质建模软件的优势55三维地质建模方法三维地质建模方法66平剖面三维联动编辑的实现途径平剖面三维联动编辑的实现途径77总结总结1.1.背景背景古人曰：古人曰：““工欲善其事，必先利其器工欲善其事，必先利其器””。。今人今人云云：：““装备决定能力，技术决定水装备决定能力，技术决定水平平””。。装备与技术决定了企业的市场竞争力。装备与技术决定了企业的市场竞争力。三维地质建模软件三维地质建模软件是煤炭资源勘探与是煤炭资源勘探与煤矿高效安全开采的煤矿高效安全开采的““器器””与与““装备装备””。。三维地质建模软件虽然处于地质勘探环节三维地质建模软件虽然处于地质勘探环节与矿井生产管理的最末端，但确是非常重与矿井生产管理的最末端，但确是非常重要的一个环节。要的一个环节。因为它能因为它能帮助地质工程师们将人们费了千帮助地质工程师们将人们费了千辛万苦获的野外资料、钻井资料、测井资辛万苦获的野外资料、钻井资料、测井资料、地震剖面、电法剖面、化验测试资料料、地震剖面、电法剖面、化验测试资料等数据，加工成人们最终所需要的地质报等数据，加工成人们最终所需要的地质报告。告。帮助煤矿地质与采矿工程师正确地认识生帮助煤矿地质与采矿工程师正确地认识生产中所遇到的各种构造与水文现象，避免产中所遇到的各种构造与水文现象，避免多种矿井灾害的发生，为安全高效生产保多种矿井灾害的发生，为安全高效生产保驾护航。驾护航。本人来自于中国测绘科学研究院地理信息本人来自于中国测绘科学研究院地理信息工程重点实验室。工程重点实验室。中国测绘科学研究院是隶属于国家测绘地中国测绘科学研究院是隶属于国家测绘地理信息局，是国家理信息局，是国家100100所公益性研究院所所公益性研究院所之一。之一。我们的定位我们的定位是为矿产资源勘探、开采提供是为矿产资源勘探、开采提供地理空间信息领域的公益性的专业服务。地理空间信息领域的公益性的专业服务。由于本人毕业于煤田地质勘探专业，也从由于本人毕业于煤田地质勘探专业，也从事过煤矿地质工作，希望在面向煤炭资源事过煤矿地质工作，希望在面向煤炭资源勘探的三维建模软件方面有所作为。勘探的三维建模软件方面有所作为。概要概要11背景背景22三维地质建模工作回顾三维地质建模工作回顾33计算机三维地质建模回顾与现状计算机三维地质建模回顾与现状44三维地质建模软件的优势三维地质建模软件的优势55三维地质建模方法三维地质建模方法66平剖面三维联动编辑的实现途径平剖面三维联动编辑的实现途径77总结总结•地质勘探与矿井地质的研究对象在空间上是三维的，•地质勘探与矿井地质工作的本质是对研究区真实世界进行三维地质建模。•但是，在很长的时间里，地质、采矿工程师都只能采用二维的平面图（即俯视投影图）以及垂直剖面图的方式来表达三维的地质模型。2.2.三维地质建模工作回顾三维地质建模工作回顾•平面图与剖面图是采用降维的方式表达三维模型。•有经验的地质工程师、采矿工程师通过对平面图与剖面图的读图（观察与分析），能够在大脑中还原地质模型的三维特征。•因此，在三维可视化软件平台出现之前，地质工程师们就已经能够用二维的平面图与剖面图来表达、讨论、交流人们对地质模型的三维空间特征认识与理解。•传统的纸质平面图、剖面图虽然能够表达三维地质模型，但存在以下几个方面的不足。–剖面的位置是静止的，一旦剖面制作完成，其位置就固定了，人们要想了解剖面旁边的地质构造只能在新位置上重新制作，或用相邻剖面进行推断。–图件的自作程序繁琐，制作工期较长。–虽然通过平面图、剖面图人们能够在大脑重建真实世界的三维地质模型，这个联想过程不够直观，并且由于读图者的水平不同，联想的能力和结果有较大的差异。概要概要11背景背景22三维地质建模工作回顾三维地质建模工作回顾33计算机三维地质建模建模回顾与现计算机三维地质建模建模回顾与现状状44三维地质建模软件的优势三维地质建模软件的优势55三维地质建模方法三维地质建模方法66平剖面三维联动编辑的实现途径平剖面三维联动编辑的实现途径•地球物理勘探是地质勘探的一个分支，它曾经是上个世纪计算机进步的重要动力之一。•油、气勘探是一个高投入、高产出、高风险的行业。有大把的钱用于支持高性能计算机的进步，•因此油气地球物理勘探资料处理在上个世纪的很长一段时间里一直是高档、大型计算机行业的支撑用户。•可以说没有这些用户的支撑，计算机行业是不可能从早期的烧钱产业发展到现在的进入千家万户的挣钱行业。3.3.计算机三维地质建模回顾与现状计算机三维地质建模回顾与现状3.13.1地球物理勘探行业地球物理勘探行业•目前，大多数的石油、天然气勘探公司都已引进了国外多种先进的地震资料处理与三维地质建模软件。•石油、天然气、煤炭的地震勘探单位是我国高档计算机、与三维地质建模软件最集中的用户。涿州的石油物探局、煤炭物探研究院曾经是我们国家的中型机/大型机/巨型机的聚集区。•地球物理勘探行业仍然是我国计算机以及三维地质建模软件应用水平最高的行业。•大多数地质勘探单位已经普遍采用计算机辅助提交地质报告。•随着计算机行业的持续进步，摩尔定理的持续作用，在地质勘探队计算机的硬件设备已经不是问题。•操作各种软件的技术人才也已基本不是问题。3.23.2普通的地质勘探队普通的地质勘探队•目前的地质勘探队计算机应用主要集中在–用Excel表管理钻孔与化验等原始数据–用Word/WPS编制地质报告–用MapGIS/AutoCAD/ArcGIS编制地质图件(平面图、剖面图、钻孔柱状图)•上面三项应用已经使地质报告的编制效率得到了成倍的提高。•但大多数地质勘探队都没有对勘探成果进行三维地质建模。•因此，计算机应用能够带来的效益还有很大的提升空间。•三维地质建模软件的应用将使煤炭地质勘探队的信息化水平再上一个台阶。•而且它对于后续的矿井设计、数字矿山建设都将带来巨大的效益。•总的来说，地质勘探行业已经落在了时代的后面。•为这与地质勘探行业的主管领导缺乏应有的远见，在这方面没有持续的投入与扶持有关。•还有与要应用于地质三维建模软件的开发难度大，用户面小有关。•地质勘探行业的计算机应用也正在落后于矿山开采企业的计算机应用水平。3.33.3煤矿设计院煤矿设计院•煤矿设计院的三维建模目前正处于一个两难的十字路口。•一方面，煤矿设计院已经引进或开发了采用三维建模技术的设计软件，能够为建井与生产企业提供三维的设计方案。•另一方面，由于其煤矿设计的基础数据源--地质报告还没有提供计算机建模的三维地质模型。•既使很多地质报告已经是数字化了（图件已经用CAD\MapGIS绘制），但这些电子图件距离三维模型还有很大的距离，要用其构建三维地质模型还有很大的工作量。3.43.4煤矿煤矿•煤矿的计算机应用由于这些年“数字矿山”的推动,其信息化水平已经有了很大的提高。•但煤矿勘探、设计的数据来源还是传统方式，对其进行三维建模的工作量还很大。•很多数字矿山软件目前主要注重地上建筑、井巷、设备的三维建模，•其三维地质建模功能还很弱，不能很好地满足地质、采矿工程师对把握矿山三维地质、水文条件的需求。•数字矿山软件的三维地质建模能力也还有很大的提升空间。概要概要11背景背景22三维地质建模工作回顾三维地质建模工作回顾33地质勘探行业计算应用回顾与现状地质勘探行业计算应用回顾与现状44三维地质建模软件的优势三维地质建模软件的优势55三维地质建模方法三维地质建模方法66平剖面三维联动编辑的实现途径平剖面三维联动编辑的实现途径44三维地质建模软件的优势三维地质建模软件的优势4.14.1三维地质建模软件的长处三维地质建模软件的长处•1.各种采样数据的统一管理。•2.将离散的采样数据建立三维地质模型。•3.动态地制作各种剖面图与水平切面图。•4.方便地进行储量计算。•5.各种特殊的三维可视化方法（例如关闭某些无关紧要的面）对于地质界面的几何形态与相互关系的研究，是常规方法所难以达到的。4.24.2三维建模软件与机助制图系统的区别三维建模软件与机助制图系统的区别•机助制图系统（指AutoCAD/MapGIS/ArcInfor/MapInfo/SurperMap等二维GIS软件系统）•其本质是用计算机模仿传统的手工制图。即更多是计算机描图员的角色。•很难进行三维模型的操作。4.34.3三维建模软件与三维数字城市软件三维建模软件与三维数字城市软件的区别的区别•现在几乎所有的GIS（地理信息系统）软件都具有地形、建筑的三维可视化功能。•很多的GIS软件都号称是自己是三维GIS软件。•他们号称他们具有真正的真三维功能，能解决所有三维建模与三维可视化问题。•GIS学科眼中的是真三维强调“真实感”、“沉浸感”。•他们认为街景（全景虚拟实景）GIS、或可以戴上双目眼镜看的虚拟现实软件可以算“真三维”。•为了具有“沉浸感”，需要戴上头盔、数据手套，而这样的配置常常需要几千万元。•其实戴上头盔后时间稍长就会感到头晕、恶心。•这确实是一个让人体验“沉浸感”的环境，但不是一个适合地质、采矿工程师们解决他们的地下工程问题的环境。•我个人认为，对于工程界，尤其是地质、采矿等应用学科，•能切制横剖面、纵剖面、水平切面才算“真三维”。•真三维的关键是使我们能够通过切制的纵横剖面或水平切面，“看”到物体的“内部”结构与成分。•以这个标准衡量，目前很多号称的三维GIS软件都不能算“真三维”。•因为它们无法胜任三维地质建模的任务。•因为它们只能表达一个界面，没有体的概念(三维城市建模的建筑物与地质三维建模中的地质体也完全是不同的概念)。•它无法切制垂直剖面与水平切面。•无法表达断层与地层的切割关系。•从软件大类上说，三维地质建模软件是属于GIS（地理信息系统）。•GIS软件主要是由测绘、地理与计算机科学结合的产物。•地质、采矿工程师们在GIS的发展过程的话语权很小。•这其中一个重要的原因就是因为要满足地质、采矿应用的功能的实现难度很大，而其应用面比起二维制图、查询以及数字城市等应用其用户群小得多。因而其利润率低得多。•很多游戏与三维GIS软件所展现的三维可视化功能常常使我们目瞪口呆。•我们常常感叹，在计算机三维可视化应用如此泛滥的时代，我们的地质勘探行业、采矿行业的地质与采矿图件制作过程已经落后。概要概要11背景背景22三维地质建模工作回顾三维地质建模工作回顾33地质勘探行业计算应用回顾与现状地质勘探行业计算应用回顾与现状44三维地质建模软件的优势三维地质建模软件的优势55三维地质建模方法三维地质建模方法66平剖面三维联动编辑的实现途径平剖面三维联动编辑的实现途径55..三维地质建模方法三维地质建模方法煤矿煤矿床床三维地质建模的几个不同阶段的主要数据三维地质建模的几个不同阶段的主要数据特点与建模方法。特点与建模方法。（（11）根据钻孔数据进行三维建模）根据钻孔数据进行三维建模（（22）根据剖面数据进行三维建模）根据剖面数据进行三维建模（（33）根据各矿层底板等高线数据进行三维建模）根据各矿层底板等高线数据进行三维建模（（44））平、剖面三维平、剖面三维联合建模联合建模（（11）根据钻孔数据进行三维建模）根据钻孔数据进行三维建模需要对各个钻孔进行分层，确定全区能对需