煤炭三维地质建模信息系统的研制及关键技术

对煤炭三维地质建模信息系统软件QvCoalMine的研制过程及关键技术进行了分析和说明。对系统的主体构架、业务流程、功能模块进行了介绍,详细分析了该系统在研发过程中的主要关键技术：真实折剖面技术;“钻孔－剖面－等高线”循环动态建模技术;地层煤层一体化建模技术;三维模型的动态编辑与分析技术。利用我国内蒙古东胜煤田的多个煤炭勘查区对本系统进行了综合测试和运用,结果表明：QvCoalMine系统提供的三维建模功能,能高效地构建出煤炭地质领域大多数地质对象和勘探开采工程的三维模型。     

三维采动应力条件下覆岩裂隙演化规律试验研究

利用自行研制的“多场耦合煤矿动力灾害大型模拟试验系统”,根据中国平煤神马集团十矿己15煤层24080工作面的地质资料,在三向不等应力条件下进行了三维模拟开采试验。通过应力监测、色素示踪、照相素描等手段,统计了各水平、垂直切面的裂隙形态、数量与分布特征,并建立了采空区覆岩裂隙网络数值模型。研究结果表明：三维应力条件下,采空区覆岩裂隙在空间上呈“类梯形台”形态,在低位岩层中呈“圆角矩形”形态,在中高位岩层则呈“O型”形态。按瓦斯运移难易程度可将覆岩裂隙分为以“纵向贯通裂隙”为主的直接流动通道和以“层内破断裂隙-层间离层裂隙-层内破断裂隙”方式延伸的间接流动通道。     

基于三维建模的煤矿瓦斯抽采钻孔设计

 阐述了煤矿地层体建模方法,基于煤矿地勘钻孔建立了钻孔数据库和三维地层模型。分析了煤矿巷道三维建模方法和巷道三维模型数据库的建立,利用工程数据和地测数据建立了三维巷道。基于3DMAX软件平台开发了煤矿瓦斯抽采钻孔三维设计软件;该软件可以快速、准确绘制瓦斯抽采钻孔并优化钻孔设计,减轻了工程设计人员设计工作量,提高了劳动效率;并为瓦斯抽采钻孔现场施工实现“安全钻、效率钻、经济钻”目的提供了科学参考。     

三维矿体表面建模中的三角剖分技术及其应用

介绍了如何根据勘探线剖面矿体边界线,用三角剖分方法逼近矿体表面,建立矿体三维可视化模型的技术。三维矿体表面建模技术主要包括勘探线剖面矿体边界线的圈定、相邻边界线之间三角剖分和单个边界线内部三角剖分等内容。针对矿体结构复杂的特点,提出应用“凸包投影法”和“凸点逐步消除法”,分别解决相邻凹多边形矿体边界线之间与单个凹多边形矿体边界线内部的三角剖分问题,从而建立起复杂矿体的三维可视化模型。应用研究表明：运用本文方法,根据矿区勘探数据,能够建立起符合实际的三维矿体表面模型。     

基于CT技术的裂隙煤体细观数值重构方法

为研究采动过程中原生裂隙对矿山压力的响应规律,运用高精度工业CT扫描技术,对王家岭煤矿12309工作面煤体原生裂隙场进行扫描,获得了煤样原生裂隙场的细观分布情况。基于Matlab软件编程,利用Soble算子对扫描所得裂隙数据进行三维重构,将三维重构结果导入PFC~(3D)数值模拟软件,建立包含原生裂隙场的煤岩三维细观数值模型。结果表明:该方法在细观尺度方面有效、精确地重构了煤样原生裂隙场,建立了充分考虑细观裂隙的PFC~(3D)细观数值模型,为提高数值模拟的可靠性与准确度提供了更为有效的数值建模方法。     

基于剖面的面体混合三维地质建模研究

三维地质建模与可视化是数字矿山的一项关键技术，对矿山生产、地学分析和资源评估具有重要的意义。以钻孔信息和地质剖面图为基础数据，提出了基于剖面的三维地质建模流程，建立了地质体的面模型及其相应的地质块段体模型，最终实现了“剖面-TIN-块段”（section-TIN-block）面体混合构模和科学计算可视化。对建模涉及的关键算法进行了研究：提出“切开-缝合”法解决了形状和顶点数目差异较大的相邻剖面轮廓线重构三维形体问题；研究了含岛屿多边形的三角剖分算法，解决了含有夹石或孔洞的复杂地质体构模问题。     

矿山深部工程FLAC3D初始地应力场生成的速度-应力边界法

初始地应力场是工程稳定性数值模拟分析的基础。已有较多的岩石地下工程稳定性模拟证明,在FLAC3D模拟时常用的速度边界法和快速应力边界法可以生成与实际较为一致的初始地应力场;但对于矿山深部工程,利用这2种边界条件加载方法,则模拟结果分别存在“地应力与实际不符”、“边界条件施加困难和浅部区域地应力与实际不符”的问题。针对这些问题,综合前述2种边界条件加载方法的优点,提出了矿山深部工程FLAC3D初始地应力场生成的“速度-应力边界法”,探讨了模型速度边界条件与应力边界条件加载范围的确定方式,通过算例分析验证了“速度-应力边界法”生成初始地应力场的合理性。研究表明：采用“速度-应力边界法”构建的矿山深部工程数值计算模型,可以通过多次试计算的方式确定速度边界条件与应力边界条件的加载范围;生成的初始地应力场与矿山深部工程地应力实测数据基本一致;解决了前述2种边界条件加载方法存在的问题。研究成果可为矿山深部工程的数值模拟分析提供参考。     

三维数据场可视化技术在数字矿山中的应用*

介绍了三维数据场可视化技术和数字矿山的概念,并通过作者参与开发的全国产矿业软件--“固体矿产资源储量估算与三维矿体建模可视化系统”实例来说明三维数据场可视化技术在矿体表面建模、品位块体模型、品位等值曲面生成中的实际应用,最后展望了体绘制技术在数字矿山中的应用价值和前景。     

基于GOCAD的边坡三维地质体模型的构建与应用

构建三维的地质模型能够将地形信息以及勘察信息以更加形象的方式展现出来,这样可以总结归纳出该区域此信息的分布规律,从而为利用ANSYS等数值分析软件进行分析构造出相应的三维模型。首先阐述了三维地质建模的概念与GOCAD三维地质建模软件特点,然后以某露天矿山排土场边坡为例,进行了基于GOCAD的边坡三维地质体建模构建。继而提出利用GOCAD软件对某区域的地表、地层的地质信息进行相应的的转化,得到的模型数据文件可以被数值模拟软件如ANSYA、FLAC3D直接读取,从而进行边坡稳定性方面的数值分析。     

北票矿区废弃矿井煤层气泄漏气源集聚数值模拟

针对北票矿区台吉井田特殊地质条件和关井后煤层气由地表泄漏的实际情况，在大量实际现场勘测的基础上，从数值分析角度，利用ANSYS有限元软件，通过简化建立三维有限元模型模拟了开采前后地应力场和位移场变化，得到开采前后煤层剖面应力场和地表沉陷等值线图等模拟结果，从开采前后应力场和位移场变化规律进行归纳分析，得出：将开采和灾害后应力释放降低区作为煤层气原生气源集聚区判断依据，将地层沉陷“三带”影响范围作为煤层气后生气源集聚区确定的根据，并给出了煤层气后生气源集聚区范围的确定方法.据此得到废弃矿区采空区为煤层气原生气源集聚位置，“三带”影响区域为煤层气后生气源集聚范围.     

ANSYS在新疆某铁矿崩落法中的建模应用

新疆某铁矿矿体覆盖岩较厚,当采用无底柱崩落法进行放顶作业时,采场顶板崩落效果差,会导致巷道受力变形严重,或者崩落后地表塌陷不到位,造成滑坡、山崩等地质灾害。因此,通过岩石力学试验,获得建模所需弹性模量、泊松比等力学参数,借助ANSYS有限元分析软件,分别建立厚覆岩模型、巷道模型、矿体模型、并模拟初始地应力,为后期模型开挖确定放顶顺序、选择合理方案提供可靠的技术指导与参考。     

基于精细建模技术的深部采动过程综合集成系统

深部地下开采中采动应力是导致采场冲击地压,造成片帮、冒顶乃至岩爆地质灾害的显著因素。针对深部开采过程中基本生产单元--采场回采过程中采动应力场的时空演化规律进行研究,提出深部采场精细建模技术,构建采动岩体层次细节模型、采动行为动态仿真模型、多元异质采动岩体场元模型和采动过程动态调控设计参数化自适应优化模型;整合静态场景建模技术、生产工艺动态仿真技术、采动过程应力场信息动态可视化技术、动态调控设计方案预演技术,形成深部采场回采过程综合集成系统;进而探求回采过程中采动行为变化与采动岩体场元变化间的动态解译规律,揭示回采过程应力场的时空演化过程,最终为采场开采方法选择、支护时机与位置预测、回采参数优化提供指导,为采场安全生产提供科学依据和技术支撑。     

岩体结构理想地质模型的建立

提出了基于优势节理组、节理平均间距及节理等效连通率三参数的理想化岩体结构地质模型,并从哲学辩证思维的角度分析了建立节理岩体的理想化地质结构模型的必要性与可行性,最后应用某工程岩体露头进行分析.这种建模方法具有理论基础坚实与操作性强等特点,可为相关研究提供了一条新的思路.     

复杂地质条件矿区瓦斯综合治理技术体系研究

为解决复杂地质条件矿区瓦斯综合治理技术难题，针对淮南矿区实际，通过理论研究和工程实践，研究了复杂地质条件下的煤与瓦斯共采技术体系和瓦斯治理工程保障技术体系，包括岩巷快速掘进技术、围岩控制与巷道支护工程技术体系和瓦斯地质保障技术，形成了复杂地质条件矿区瓦斯综合治理技术体系。研究结果表明，应用这些技术成果，能够显著提高矿区安全和经济效益。     

覆岩含水层采动破坏机理流固耦合分析及保护措施研究

为了研究煤层开采对覆岩含水层的破坏机理,采用岩石破裂过程流固耦合分析系统UDECFlow,根据老三沟井田6煤工作面地质条件,对覆岩含水层(砂砾岩、细砾岩和粗砂岩含水层)的破坏过程进行数值模拟。模拟结果显示,随着工作面的推进,裂隙不断向上发育,直接顶、基本顶的相继破断和垮落导致了导水裂隙的形成;同时随着工作面的推进,先前生成的一些裂隙出现了闭合,而工作面附近又产生新的裂隙。以6煤为例,对上覆含水层的保水开采难度进行分级,并提出了相应的保水开采技术,如加快工作面推进速度、注浆加固、降低采高、充填开采及部分开采等,将指导6煤开采时覆岩含水层保护,对同类开采地质条件下的矿井有较好的指导借鉴意义。     

基于SVM的厚松散层矿区开采下沉系数预测模型

针对厚松散层薄基岩矿区开采沉陷变形预计中存在的下沉系数偏大问题,以23个开采工作面的地质采矿条件及其下沉系数为学习和测试样本,将文化-随机粒子群算法(CA-rPSO)和支持向量机(SVM)相结合,利用CA-rPSO的快速并行寻优功能优化SVM参数,建立了厚松散层薄基岩开采条件下下沉系数的SVM预测模型。通过实例验证SVM的预计结果与实际符合较好。     

层状岩体地下开采物理模型试验研究

物理模型试验是岩土工程领域重要的研究手段之一。应用二维物理模型对地下开采进行模拟研究。首先是在遵循相似理论的前提下,确定模型试验的参数、相似材料的配比,根据现场工程地质情况,选择合适的剖面作为研究对象,之后进行模型的堆砌、开挖、变形的观测,最终总结出地下开采时围岩上观测点的位移矢量方向,变形的规律以及开挖所造成的影响范围。     

盘区矿柱回采方案的优化研究

盘区矿柱回采厚度是影响资源回收率的重要因素之一。合理的盘区矿柱回采厚度不但能够提高资源的回收率和经济效益,而且能够降低矿柱回采过程中的安全风险。在提出不同的回采方案的基础上,对岩体力学参数进行合理的折减处理,并通过自下而上的三维实体建模技术建立分析模型,并在分析中以摩尔-库伦岩土模型为破坏准则。采用FLAC3D分析软件对盘区矿柱不同的回采厚度进行数值模拟分析,研究盘区矿柱及其周围采空区围岩内应力和应变的变化规律。通过对盘区矿柱不同回采厚度模拟结果的分析比较,确定了盘区矿柱合理的回采厚度,能够保证盘区矿柱安全的回采。最后通过技术经济分析比较,综合考虑技术、经济和安全等多方面因素得出结论,选择其中的最优回采方案。     

基于GIS的冲击地压区域预测预防系统的探讨

文章应用地理信息系统和地质动力区划方法，确定活动断裂与冲击地压的内在联系和冲击危险区域判别准则，建立冲击地压区域预测预防服务站。结合矿井开拓开采随时提供区域冲击危险预测图，提出防治冲击地压的技术途径。     

基于三维建模技术的矿山移动范围圈定

结合罗山矿区工程实例, 提出了一种将传统的工程类比法或数值模拟方法与矿山三维建模技术相结合来确定金属矿山移动范围的方法。介绍了以MAPGIS、AutoCAD及SURPAC软件为主要工具的矿山三维建模的基本原理和步骤。在移动范围确定过程中, 借助先进的3D建模技术获得三维矿山模型。该模型可以实现各类地质体的可视化, 直观地展示其形态与产状, 清晰地反映各构成因素间的相互关系。在3D模型中截取的特征剖面与工程类比法或数值模拟方法相结合, 能轻松获得各特征剖面上的岩移参数值。通过给定的岩移参数值进而确定各特征剖面上的地表移动边界点, 将各移动边界点连接即可实现矿山移动范围的圈定。