煤矿底板突水通道的多级尺度地质建模分析方法
【专利摘要】本发明涉及一种煤矿底板突水通道的多级尺度地质建模分析方法，所述分析方法对原始地质数据经过处理形成三维多级尺度地质模型建模数据库；使用所述三维多级尺度地质模型建模数据库中的数据对一级尺度基础地质框架模型、二级尺度岩体精细地质模型以及三级尺度岩体裂隙网络模型进行建模；分析煤层底板断层本身的形态及其产状要素对突水的影响，根据裂隙扩展阻力变化，搜索岩层中最小抗剪力路径，找出煤层底板突水通道；将煤层底板突水通道与多级尺度地质模型进行对比分析，给出煤层底板突水风险性评价。本发明的特点在于通过在三维空间中以“地层-岩性-裂隙”三级尺度描述突水有关地质特征提高评价效率和精度，为煤矿安全生产提供保障。
【专利说明】煤矿底板突水通道的多级尺度地质建模分析方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及煤矿突水评价领域，特别涉及一种煤矿底板突水通道的多级尺度地质建模分析方法。
【背景技术】
[0002]煤层底板突水特别是奥灰突水是我国煤田存在的重大地质灾害问题。目前认为在与矿井突水有关的地下水体系中，突水水源条件在发生突水以前就基本上形成，而突水通道形成的过程和有关因素条件对于突水的预测和防治有着直接的重要意义。采动应力和水压力作用下岩层破断突水通道的形成过程是突水分析的核心内容和关键问题。其中，地质构造和岩体物理性质对突水灾害发生起着决定性的作用。因此，准确建立煤层底板突水通道的地质模型是解决底板突水预测和评价的基础之一。
[0003]煤矿生产过程中，煤矿地下环境处于一个三维的动态变化空间体系中，三维地质建模技术是提高多源数据利用水平、提升安全效率的一种有效手段，其已引起地质、采矿、岩土工程等诸多领域的日益重视，与传统的二维地质表示方法相比，三维模型能够完整准确地表达复杂地质结构以及边界条件，直观地再现地质单元的空间展布及其相互关系。
[0004]目前三维地质建模方法有以下几种:
[0005]1、基于钻孔的地层建模，该方法自动化程度高，但不能处理断裂等复杂问题。
[0006]2、基于剖面的地质体表面建模方法，其能处理比较复杂的地质建模问题，但是由于需要维护大量地质剖面数据等，建模效率以及模型动态更新方面不具备优势。
[0007]3、三维空间数据插值，该方法侧重于地质体内部属性非均一的表达，空间插值是地质建模的后处理以及应用阶段，需要在前述两种建模方法成果的约束下进行建模，形成三维地质属性模型。
[0008]现有的煤矿的三维地质建模方法还主要停留在描述层状地质构造和简单断裂上，尚无法表达煤矿地质条件的复杂性，更难以满足煤矿灾害预测等建模问题，无法为煤矿底板突水预测和评价提供更为准确的地质模型。
[0009]综上所述，提供一种更加准确的煤层底板突水通道分析所需的地质建模分析方法，成为本领域技术人员亟待解决的问题。
[0010]公开于该发明【背景技术】部分的信息仅仅旨在加深对本发明的一般【背景技术】的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。
【发明内容】
[0011]本发明要解决的问题是提供一种更加准确的煤层底板突水通道分析所需的地质建模分析方法。
[0012]为了解决上述问题，本发明提供一种煤矿底板突水通道的多级尺度地质建模分析方法，所述分析方法包括:[0013]I)获得原始地质数据；
[0014]2)通过多级尺度数据分析对原始地质数据进行处理，形成三维多级尺度地质模型建模数据库，所述多级尺度数据分析为“地层-岩性-裂隙”三级的尺度分析，其中所述“地层-岩性-裂隙”尺度分别对应为一级尺度、二级尺度和三级尺度；
[0015]3)使用所述三维多级尺度地质模型建模数据库中的数据进行一级尺度基础地质框架模型建模，其中，一级尺度为基础地质框架尺度，构建以“组”为单位的地层系统和主要岩性标志层，同时构建影响区域稳定性的区域断裂和大延伸的结构面；
[0016]4)使用所述三维多级尺度地质模型建模数据库中的数据，并且以所述一级尺度基础地质框架模型的建模结果为约束条件，进行二级尺度岩体精细地质模型建模，其中，二级尺度对应煤矿生产工程尺度，构建富水岩层与小断层和隐伏构造；
[0017]5)使用所述三维多级尺度地质模型建模数据库中的数据，并且以所述二级尺度岩体精细地质模型的建模结果为约束条件，进行三级尺度岩体裂隙网络模型建模，其中，三级尺度为裂隙网络模型尺度，构建岩体的裂隙网络；
[0018]6)基于步骤3)?步骤5)中的建模结果搜索岩体中最小抗剪力的路径，即潜在的煤层底板突水通道；
[0019]7)基于步骤3)?步骤5)中的建模结果建立三维多级尺度地质属性模型；
[0020]8)将潜在的煤层底板突水通道与三维多级尺度地质属性模型的数值分析结果进行结合分析，从而综合评价煤层底板突水的风险性。
[0021]优选地，所述方法进一步包括，9)根据矿井实际地质数据不断动态地修正所述一级尺度基础地质框架模型、二级尺度岩体精细地质模型和三级尺度岩体裂隙网络模型，重新进行突水风险评价。
[0022]优选地，所述步骤2)包括由原始地质数据经过数据整理分类形成三维建模源数据，再经过多级尺度数据分析所述三维建模源数据而形成三维多级尺度地质模型建模数据库。
[0023]优选地，在步骤3)中，所述一级尺度基础地质框架模型建模以钻孔数据、地质剖面、平面图、地震解释成果和断层曲面构建基础地质骨架、地层系统和相关岩性地层；在步骤4)中，所述二级尺度岩体精细地质模型建模是结合井下观测和物探数据，以目的煤层顶底板岩性精细分层信息为基础对所述地层系统进行细分以及局部构造，实现富水岩层和隔水岩层的精细构建和局部小构造处理；在步骤5)中，所述三级尺度岩体裂隙网络模型建模是通过对井下巷道裂隙几何参数的统计分析构建裂隙网络模型，构建裂隙分布的概率模型，生成复杂岩体的裂隙网络。
[0024]优选地，所述步骤6)包括分析煤层底板断层本身的形态及其产状要素对突水的影响，根据裂隙扩展阻力变化，搜索岩体中最小抗剪力的路径，形成潜在的煤层底板突水通道。
[0025]优选地，所述一级尺度基础地质框架模型以及二级尺度岩体精细地质模型采用以钻孔数据为主，平面图、剖面数据为线约束的建模方法，构建三维地质界面。
[0026]优选地，所述一级尺度基础地质框架模型、二级尺度岩体精细地质模型和三级尺度岩体裂隙网络模型的断层组合处理包括X型交叉断层构造和叠瓦式断层构造。
[0027]优选地，对逆断层处理包括整体空间分割法和断层面投影外延法；所述整体空间分割法利用逆断层将空间分割，在每一个分割空间内完成层面构建；所述断层面投影外延法是根据断层与层面接触关系，将上盘断层投影并外延，通过外延边界和下盘断层边界将整个层位分割内外两个部分，内部和外部均进行层面生成，再将两次生成的结果合并。
[0028]优选地，所述一级尺度基础地质框架模型、二级尺度岩体精细地质模型和三级尺度岩体裂隙网络模型能够进行模型更新，所述模型更新分为局部更新和整体更新，其中局部更新仅对模型局部进行调整，而整体更新对模型进行整体的更新。
[0029]优选地，所述三维多级尺度地质属性模型是在所述一级尺度基础地质框架模型、二级尺度岩体精细地质模型和三级尺度岩体裂隙网络模型的基础上进一步描述地质参数分布的模型；所述三维多级尺度地质属性模型的地质参数包括有岩石应力参数和地质物性参数，采用数值分析方法进行突水过程模拟。
[0030]本发明的有益效果是:
[0031]1、本发明为适合煤矿三维地质结构的多尺度精细建模方法，重点解决了多尺度模型空间一体耦合和对复杂问题(尤其断裂层、断层组合和多值问题)的快速、统一的处理。
[0032]2、多尺度地质模型的动态更新，重点解决主体建模方法处理动态更新数据的能力并根据煤矿动态开采快速完成对复杂地质模型的生成与修正。
[0033]3、提出基于多尺度模型的煤层底板岩体裂隙突水通道搜寻方法，为探讨煤层底板突水危险性评价提供新思路。
【专利附图】
【附图说明】
[0034]图1为根据本发明的煤矿底板突水通道的多级尺度地质建模分析方法的实施流程图。
[0035]图2A为根据本发明的煤矿底板突水通道的多级尺度地质建模分析方法的一级尺度地层(岩性)边界示意图。
[0036]图2B为根据本发明的煤矿底板突水通道的多级尺度地质建模分析方法的二级尺度岩性边界示意图。
[0037]图2C为根据本发明的煤矿底板突水通道的多级尺度地质建模分析方法的三级尺度岩性裂隙示意图。
[0038]图3A为根据本发明的煤矿底板突水通道的多级尺度地质建模分析方法的平面约束示意图，其中位于上方的是地质体的平面图，位于下方的是地质体的剖面图。
[0039]图3B为根据本发明的煤矿底板突水通道的多级尺度地质建模分析方法的剖面约束示意图，其中位于上方的是地质体的平面图，位于下方的是地质体的剖面图。
[0040]图4A为根据本发明的煤矿底板突水通道的多级尺度地质建模分析方法的正断层的平面和剖面示意图。
[0041]图4B为根据本发明的煤矿底板突水通道的多级尺度地质建模分析方法的逆断层的平面和剖面示意图。
[0042]图4C为根据本发明的煤矿底板突水通道的多级尺度地质建模分析方法的多值处理的平面和剖面示意图。
[0043]图5A根据图4B的分析逆断层的整体空间分割法示意图。
[0044]图5B根据图4B的分析逆断层的断层面投影外延法示意图。[0045]图6A为根据图5B的X型断层交叉的断层组合方式示意图。
[0046]图6B为根据图5B的叠瓦式构造的断层组合方式示意图。
[0047]图7为根据图4C的多值处理示意图。
【具体实施方式】
[0048]在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
[0049]下面结合图1进一步地对本发明的煤矿底板突水通道的多级尺度地质建模分析方法的过程进行详细描述。
[0050]本发明的煤矿底板突水通道的多级尺度地质建模分析方法包括如下步骤:
[0051]I)获得原始地质数据；
[0052]2)通过多级尺度数据分析对原始地质数据进行处理，形成三维多级尺度地质模型建模数据库，所述多级尺度数据分析为“地层-岩性-裂隙”尺度分析，其中所述“地层-岩性-裂隙”尺度分别对应为一级尺度、二级尺度和三级尺度；
[0053]3)使用所述三维多级尺度地质模型建模数据库中的数据进行一级尺度基础地质框架模型建模，其中，一级尺度为基础地质框架尺度，构建以“组”为单位的地层系统和主要岩性标志层，同时构建影响区域稳定性的区域断裂和大延伸的结构面；
[0054]4)使用所述三维多级尺度地质模型建模数据库中的数据，并且以所述一级尺度基础地质框架模型的建模结果为约束条件，进行二级尺度岩体精细地质模型建模，其中，二级尺度对应煤矿生产工程尺度，构建富水岩层与小断层和隐伏构造；
[0055]5)使用所述三维多级尺度地质模型建模数据库中的数据，并且以所述二级尺度岩体精细地质模型的建模结果为约束条件，进行三级尺度岩体裂隙网络模型建模，其中，三级尺度为裂隙网络模型尺度，构建岩体的裂隙网络；
[0056]6)基于步骤3)?步骤5)中的建模结果搜索岩体中最小抗剪力的路径，即潜在的煤层底板突水通道；
[0057]7)基于步骤3)?步骤5)中的建模结果建立三维多级尺度地质属性模型；
[0058]8)将潜在的煤层底板突水通道与三维多级尺度地质属性模型的数值分析结果进行结合分析，从而综合评价煤层底板突水的风险性。
[0059]步骤I)?2)中，首先对煤矿的各种原始地质数据进行数据整理分类和多级尺度数据分析，形成三维多级尺度地质模型建模数据库。具体来说，首先获取相关地质数据(包括地质钻孔数据、勘探剖面数据、二维地质、地形图件、遥感图像以及物探、化探资料等)，根据“地层-岩性-裂隙”的三级尺度数据概念模型对收集到的原始地质进行数据整理分类，建立三维地质综合数据库，然后进行多级尺度数据分析将其转化为多尺度矢量模型，形成不同尺度地质模型建模时都能接受的三维多级尺度地质模型建模数据库(包括主体建模数据和约束数据)。
[0060]然后在步骤3)?5)中，利用本发明的多级尺度地质建模分析方法对数据进行处理，该多级尺度地质建模分析方法使用不同尺度进行三维地质结构建模。其中，一级尺度基础地质框架模型以钻孔数据、地质剖面、平面图、地震解释成果和断层曲面等构建基础地质骨架，地层系统精细到“组”和主要岩性地层(标志层)。二级尺度岩体精细地质模型是煤层精细地质建模，结合井下观测和物探等数据，以目的煤层顶底板岩性精细分层信息为基础，实现精细岩性划分、小断层的更新处理，构建富水岩层与小断层和隐伏构造，控制砂体、煤层和夹矸等地质体的边界。最后通过三维多级尺度地质模型建模数据库中的数据，尤其是对裂隙参数，也即对井下巷道裂隙几何参数的统计分析，应用Monte Carlo方法构建裂隙分布的概率模型，生成复杂岩体的三级尺度岩体裂隙网络模型。
[0061]另外如步骤9)所述，根据矿井实际地质数据不断动态地修正地质模型，重新进行突水风险性评价。如上所述进行建模后并经过各个尺度的模型评估修正与动态更新，可对煤层底板岩体裂隙突水通道进行分析评价。
[0062]采矿后底板岩体受到破坏，岩体裂隙模型也将发生变化，如步骤6)?8)所述，基于上述三维多级尺度地质模型的建模结果，也即一级尺度基础地质框架模型建模结果、二级尺度岩体精细地质模型建模结果以及三级尺度岩体裂隙网络模型建模结果，进行煤层底板突水通道搜寻，突水通道搜寻中分析断层本身的形态(力学性质、导水特性等)及其产状要素对突水的影响，根据裂隙扩展阻力变化，搜索岩体中连通率较高的路径——最小抗剪力的路径，即潜在的突水通道，并与三维多级尺度地质属性模型数值分析相结合进行综合分析，生成煤层底板突水高危险性区域的三维效果图从而给出煤层底板突水风险评价。
[0063]具体地，步骤7)?8)中，为了进一步精细分析突水危险性评价，结合已搜寻突水通道，利用数值方法进行突水模拟。数值模拟过程中主要使用的是三维多级尺度地质属性模型，所述三维多级尺度地质属性模型实际上是在本发明的三维多级尺度地质模型的基础上进一步模拟地质物性参数分布的模型。总体来说，三维多级尺度地质模型是一个多尺度的地质结构模型，也即一个框架，而三维多级尺度地质属性模型是这个框架里更为具体的内容。三维多级尺度地质模型，无法直接用于基于有线差分和有限元等数值分析进行突水模拟，而三维多级尺度地质属性模型可描述空间任意点上包含的岩石应力参数和地质物性参数，可用于数值模拟突水过程，一方面以供验证基于三维多级尺度地质模型搜寻的突水通道，另一方面结合实际情况给出突水风险的综合评价结果。
[0064]整体来说，本发明的方法考虑了不同尺度下地质构造和岩体结构对煤矿突水灾害的影响，提出了多级尺度地质建模分析方法，主要解决了不同尺度上钻探、物探和化探等多源数据的集成方法和复杂模型构建问题，也即下面两个方面:
[0065]1、基于多源数据的多级尺度数据集成方法。
[0066]针对步骤I)?2)，原始地质数据经过数据整理分类后得到矢量数据，也即三维建模源数据，这些三维建模源数据形成三维地质综合数据库，然后再经过对这些矢量数据的多级尺度数据分析把它们转换成多尺度矢量数据，这些数据构成了三维多尺度地质模型建模数据库，形成三维多尺度地质模型建模数据源。其实施要点包括:
[0067]第一、本发明提出了 “地层-岩性-裂隙”的三级尺度数据概念模型，将数据的构建划分为三级尺度，一级尺度主要是地层系统、主要岩性标志层和一些区域断裂和延伸较大的结构面，影响区域稳定性，由基础地质资料和钻探等地质勘查资料获得；二级尺度对应煤矿生产工程尺度，构建富水岩层与小断层和隐伏构造，主要是岩性地层和一些小断层、复杂岩体和隐伏构造等；三级尺度为裂隙网络模型尺度，对于局部岩体的稳定性有着重要的影响。所述“地层-岩性-裂隙”的三级尺度分别对应为一级尺度、二级尺度和三级尺度，具体地，对应着所述一级尺度基础地质框架模型(地层)，所述二级尺度岩体精细地质模型(尤其富水岩性)以及所述三级尺度岩体裂隙网络模型(裂隙)这样三个尺度的模型的建立，这三个尺度的模型构成三维多级尺度地质模型。
[0068]第二、多尺度模型的耦合集成。在概念模型基础上，基于点、线、曲面，体(表面)等多尺度矢量数据模型，首先实现同一尺度下数据的存储、空间拓扑关系和语义联系管理，使不同来源的各地质数据在语义上相互联系，在空间位置上保持一致；然后，建立这些数据在不同尺度上的联系，在数据库存储中下级尺度的数据记录其属于上级尺度数据的关键码，比如一级尺度中存储了山西组(关键码100)有关信息，二级尺度中该组的一个岩层(如泥岩)信息记录中要存储关键码100，这样两个尺度上的数据在地质语义和空间位置上形成了联系，说明二级尺度上岩层数据要以一级尺度上的数据为边界约束，这样保证了不同尺度数据在空间位置关系上的正确性，实现无缝耦合。
[0069]2、三级尺度复杂模型的构建
[0070]针对步骤3)?5)，下面对本发明中不同尺度的三个模型构建要点进行说明。
[0071]所述三维多级尺度地质模型建模数据库中的数据用于对所述一级尺度基础地质框架模型、二级尺度岩体精细地质模型和三级尺度岩体裂隙网络模型进行建模。
[0072]—级尺度基础地质框架模型对基础地质骨架、地层系统和主要岩性地层进行建模，具体地，通过钻孔数据、地质剖面、平面图、地震解释成果和断层曲面等构建基础地质骨架，地层系统精细到“组”和主要岩性地层(标志层)。
[0073]二级尺度岩体精细地质模型对所述地层系统进行细分以及局部构造进行建模，从所述三维多级尺度地质模型建模数据库中获得数据，并且以所述一级尺度基础地质框架模型的建模结果为约束条件，实现精细岩性分布、小断层的更新处理，构建富水岩层与小断层和隐伏构造，并控制地层系统边界条件，具体地，结合井下观测和物探等数据，以目的煤层顶底板岩性精细分层信息为基础，实现精细岩性划分、小断层的更新处理，控制砂体、煤层和夹矸等地质体的边界。
[0074]三级尺度岩体裂隙网络模型构建裂隙网络模型，从所述三维多级尺度地质模型建模数据库中获得数据，并且以所述二级尺度岩体精细地质模型的建模结果为约束条件，通过对井下巷道裂隙几何参数的统计分析，应用Monte Carlo方法构建裂隙分布的概率模型，生成复杂岩体的裂隙网络。
[0075]具体来说，对于本发明的一级尺度基础地质框架模型、二级尺度岩体精细地质模型以及三级尺度岩体裂隙网络模型的构建来说，其中需要解决两个关键问题，即不同尺度建模结果的耦合以及模型中复杂地质体的建模处理方法，下面进一步地进行说明。
[0076]上述的“地层-岩性-裂隙”的三级尺度数据概念模型中已经描述过一级尺度以地层系统和主要岩性地层为基本对象，影响区域稳定性，二级尺度对应煤矿安全生产的工程尺度，三级尺度为局部岩体裂隙网络模型。从图2A、图2B以及图2C可以看出，在三级尺度概念模型基础上，二级尺度下的精细建模是以一级尺度下的地质边界为空间约束，岩体裂隙网络以二级尺度模型为边界约束，即可建立不同尺度建模结果在地质语义和空间关系的联系，可实现多级尺度地质模型的无缝耦合。这也为精细地质建模和动态更新提供了基础。
[0077]对于复杂地质体建模处理方法，无论是钻孔为主的建模方法还是剖面为主的建模方法都是利用同一地质体上的约束点和线构建地质的表面(上表面、下表面或者整体表面)。煤矿生产中主要建模数据形式包括钻孔、剖面图、平面图和断层信息等多源数据，因此地质建模需要同时处理这些数据。
[0078]考虑到煤矿生产特点，利用基于剖面方法需要维护更新较多建模剖面，难以快速进行地质建模。本发明将以钻孔数据为主，平面图、剖面数据为线约束的建模方法，其过程是利用建模源数据中来自同一地质对象形成构建地质层面的点、线数据，采用三角剖分的方法实现由不规则三角网格表达的地质曲面构建。曲面网格生成采用DSI (离散光滑插值)算法；利用同一地层上的钻孔点、剖面线、平面边界以及断层边界点构建地层曲面；利用同一断层上的边界生成断层曲面；在所有地层面和断层面形成后，将属于同一地质体(地层)的地质界面合并，从而形成封闭的地质体。
[0079]如图3A所示,地层或者地质体尖灭点可以通过平面图圈定约束,如图3B所示,井间“未知”区域以及简单褶曲可以通过剖面线约束。在地层结构相对清楚且稳定区域增加虚拟钻孔控制地层的起伏，减少维护剖面的个数。以上过程如果在步骤2)中保证了钻孔、平面图和剖面图在对应点属性一致，便可自动化的进行模型构建，而且易于动态编辑修正。
[0080]对于陷落柱、采空区和夹矸等具有一定空间分布边界且影响煤矿安全开采的地质体，通过平面图控制边界和剖面图纵向几何外形约束可完成复杂三维封闭表面的构建，采用后处理方法，通过体布尔操作嵌入到整个地质模型中。
[0081]下面给出本发明对于断层和多值处理的解决方法。如图4A所示，对于正断层，由于不存在层面重叠问题，在层位面生成时将断层面(实为断层与层面相交线)作为约束条件即可。如图4B所示，对于逆断层，本发明重点提高自动化建模流程。通过分析逆断层对面形成的影响，提供以下两种方案。
[0082]1、整体空间分割法。此种解决方法是利用逆断层将空间分割，然后在每一个分割空间内完成面的构建，如图5A所示。这种方案适合大断层处理并会造成不同空间面交接处的变形。
[0083]2、断层面投影外延法。根据断层与层面接触关系，将上盘投影并外延一定距离，这样通过外延边界W和下盘断层边界X将整个层位分割为边界区W/X内外两个部分，如图5B所示；然后内部由W/X围成边界，进行面生成，外部将上盘断层边界和外延边界合成“洞”参与层面生成；最后将两次生成的结果合并。经过实际验证这种方法适合小断层处理，具体实施中外延方法的选择对层面网格质量有一定影响。
[0084]对于断层组合方式，从建模处理角度重点解决了 X型断层交叉情况和叠瓦式构造情况。
[0085]1、X型交叉断层。如图6A所示，对于仅有正断层情况，将断层组合边界为约束参与构面；而对于出现逆断层的情况需要进行两步处理，采用断层面投影外延法以外延组合边界为约束参与构面，第二步再处理边界内区域；
[0086]2、叠瓦式构造断层。如图6B所示，叠瓦式构造断层中一般出现只由两个盘引起的多值问题时可仍采用断层面投影外延法，但当出现三个盘及以上情况，需要单个断层独立处理或者直接采用沿断层走向制作剖面，利用轮廓线算法处理局部情况。
[0087]如图4C所示，多值问题是采用增加辅助线方式，将多值体一分为二，对多值面单独编号和体生成，如图4C。这种方法也适用于复杂多值问题，如图7所示，此时重点在于提供有效交互工具指定多值面的编号并易于更新维护。
[0088]如步骤8)所述，对于本发明的三维多级尺度地质模型(也即一级尺度基础地质框架模型、二级尺度岩体精细地质模型和三级尺度岩体裂隙网络模型)，其精度还需要评估修正与动态更新。由于地质现象的复杂性和多解性，通过人机交互工具，判断模型的正确性并对模型进行修正，同时根据煤矿生产动态数据调整相应尺度建模数据源，进而对本发明的三维多级尺度地质模型进行评估和修正，该评估与修正是需要对三个尺度都进行的。
[0089]由于煤矿生产中，尤其是考虑煤层底板平面图和巷道实测剖面图的数据为主要需要更新的数据的情况下，一级尺度基础地质框架模型更新较慢，二级尺度岩体精细地质模型和三级尺度岩体裂隙网络模型更新比较快，因此具体的模型动态更新的方案如下所述:
[0090]本发明的三维多级尺度地质模型的更新主要分为局部更新和整体更新，其中局部更新是根据数据仅仅对模型局部进行调整，而新数据对地质认识有较大变化时，需要整体更新。
[0091]典型更新数据的种类主要包括:钻孔更新、断层位置更新、巷道参数更新以及地层边界更新。
[0092]1、钻孔更新。对一级和二级尺度模型有较大影响。通过钻孔和模型进行比较，如果仅仅对地层面空间几何外形进行调整，实施相邻孔局部插值调整；如果钻孔地层与模型差别较大，甚至地层反转，需要重新认识地质现象，需要重新进行模型构建。
[0093]2、断层位置更新。煤矿生产中，断层位置更新主要对二级尺度模型有较大影响。主要更新包括断层面的位置移动以及断层断距的调整，通过平面图和剖面图的更新，对相应层面进行重新生成。
[0094]3、地层边界更新。通过巷道掘进过程中揭露的煤层厚度和顶底板变化，进行煤层顶底板层面的高程更新。当地层水平边界发生变化时，通过更新平面图和剖面图上地层接触边界，对相应层面进行重新生成，其中，如果地层接触关系没有变化，仅仅地层接触位置改变，则进行局部生成；如果地层接触关系发生较大变化，即地层间接触关系重新认识时，需要整体建模。
[0095]本发明在现有技术基础上，立足技术创新，结合煤矿生产中的实际需要重点建立快速有效准确的三维多级尺度地质模型，并在该模型基础上开展其在矿井煤层底板突水通道搜寻上的实际应用方法，提升三维地质建模在煤矿三维地下空间地质环境重建中的应用水平，指导矿井安全开采。
[0096]上述实施例是用于例示性说明本发明的原理及其功效，但是本发明并不限于上述实施方式。本领域的技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，在权利要求保护范围内，对上述实施例进行修改。因此本发明的保护范围，应如本发明的权利要求书覆盖。
【权利要求】
1.一种煤矿底板突水通道的多级尺度地质建模分析方法，所述分析方法包括: 1)获得原始地质数据； 2)通过多级尺度数据分析对原始地质数据进行处理，形成三维多级尺度地质模型建模数据库，所述多级尺度数据分析为“地层-岩性-裂隙”尺度分析，其中所述“地层-岩性-裂隙”尺度分别对应为一级尺度、二级尺度和三级尺度； 3)使用所述三维多级尺度地质模型建模数据库中的数据进行一级尺度基础地质框架模型建模，其中，一级尺度为基础地质框架尺度，构建以“组”为单位的地层系统和主要岩性标志层，同时构建影响区域稳定性的区域断裂和大延伸的结构面； 4)使用所述三维多级尺度地质模型建模数据库中的数据，并且以所述一级尺度基础地质框架模型的建模结果为约束条件，进行二级尺度岩体精细地质模型建模，其中，二级尺度对应煤矿生产工程尺度，构建富水岩层与小断层和隐伏构造； 5)使用所述三维多级尺度地质模型建模数据库中的数据，并且以所述二级尺度岩体精细地质模型的建模结果为约束条件，进行三级尺度岩体裂隙网络模型建模，其中，三级尺度为裂隙网络模型尺度，构建岩体的裂隙网络； 6)基于步骤3)~步骤5)中的建模结果搜索岩体中最小抗剪力的路径，即潜在的煤层底板突水通道； 7)基于步骤3)~步骤5)中的建模结果建立三维多级尺度地质属性模型； 8)将潜在的煤层底板突水通道与三维多级尺度地质属性模型的数值分析结果进行结合分析，从而综合评价煤层底板突水的风险性。
2.根据权利要求1所述的煤矿底板突水通道的多级尺度地质建模分析方法，其中，所述方法进一步包括，9)根据矿井实际地质数据不断动态地修正所述一级尺度基础地质框架模型、二级尺度岩体精细地质模型和三级尺度岩体裂隙网络模型，重新进行突水风险评价。
3.根据权利要求1所述的煤矿底板突水通道的多级尺度地质建模分析方法，其中，所述步骤2)包括由原始地质数据经过数据整理分类形成三维建模源数据，再经过多级尺度数据分析所述三维建模源数据形成三维多级尺度地质模型建模数据库。
4.根据权利要求1所述的煤矿底板突水通道的多级尺度地质建模分析方法，其中，在步骤3)中，所述一级尺度基础地质框架模型建模是以钻孔数据、地质剖面、平面图、地震解释成果和断层曲面构建基础地质骨架、地层系统和相关岩性地层； 在步骤4)中，所述二级尺度岩体精细地质模型建模是结合井下观测和物探数据，以目的煤层顶底板岩性精细分层信息为基础对所述地层系统进行细分以及局部构造，实现富水岩层和隔水岩层的精细构建和局部小构造处理； 在步骤5)中，所述三级尺度岩体裂隙网络模型建模是通过对井下巷道裂隙几何参数的统计分析构建裂隙网络模型，构建裂隙分布的概率模型，生成复杂岩体的裂隙网络。
5.根据权利要求1所述的煤矿底板突水通道的多级尺度地质建模分析方法，其中，所述步骤6)包括分析煤层底板断层本身的形态及其产状要素对突水的影响，根据裂隙扩展阻力变化，搜索岩体中最小抗剪力的路径，形成潜在的煤层底板突水通道。
6.根据权利要求4所述的煤矿底板突水通道的多级尺度地质建模分析方法，其中，所述一级尺度基础地质框架模型以及二级尺度岩体精细地质模型建模采用以钻孔数据为主，平面图、剖面数据为线约束的建模方法，构建三维地质界面。
7.根据权利要求6所述的煤矿底板突水通道的多级尺度地质建模分析方法，其中，所述一级尺度基础地质框架模型、二级尺度岩体精细地质模型和三级尺度岩体裂隙网络模型的断层组合处理包括X型交叉断层构造和叠瓦式断层构造。
8.根据权利要求7所述的煤矿底板突水通道的多级尺度地质建模分析方法，其中，对逆断层处理包括整体空间分割法和断层面投影外延法；所述整体空间分割法利用逆断层将空间分割，在每一个分割空间内完成层面构建；所述断层面投影外延法是根据断层与层面接触关系，将上盘断层投影并外延，通过外延边界和下盘断层边界将整个层位分割内外两个部分，内部和外部均进行层面生成，再将两次生成的结果合并。
9.根据权利要求1所述的煤矿底板突水通道的多级尺度地质建模分析方法，其中，所述一级尺度基础地质框架模型、二级尺度岩体精细地质模型和三级尺度岩体裂隙网络模型能够进行模型更新，所述模型更新分为局部更新和整体更新，其中局部更新仅对模型局部进行调整，而整体更新对模型进行整体的更新。
10.根据权利要求1所述的煤矿底板突水通道的多级尺度地质建模分析方法，其中，所述三维多级尺度地质属性模型是在所述一级尺度基础地质框架模型、二级尺度岩体精细地质模型和三级尺度岩体裂隙网络模型的基础上进一步描述地质参数分布的模型；所述三维多级尺度地质属性模型的地质参数包括有岩石应力参数和地质物性参数，采用数值分析方法进行突水过程模拟。
【文档编号】G06T17/05GK103700141SQ201310585450
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2013年11月19日 优先权日:2013年11月19日
【发明者】王占刚 申请人:中国矿业大学(北京)