一种基于GOCAD的三维地质建模方法与流程

本发明属于煤矿防治水领域，尤其是涉及一种基于gocad的三维地质建模方法。

背景技术：

在传统的煤矿防治水研究工作中，地质、水文地质资料的分析和解释一般只局限于二维、静态的表达方式，它描述空间地质体起伏变化和直接性差，往往不能充分显示其空间变化规律，不易直接、完整、准确的理解和感受地下三维地质情况。如今，随着计算机技术的飞速发展以及数字地质学的深入研究，使得三维地质建模及显示成为了现实。现在三维地质建模及可视化技术在水利水电工程、石油工程和岩土工程中的成功应用，为在煤矿防治水工作领域中的应用带来了许多可借鉴的成功经验。因此，研发一种应用三维地质建模及可视化技术建立煤矿地质体模型的方法，让地质工作者直观地掌握在煤矿防治水工作中所需要的各种信息(如隔水顶、底板薄弱带的分布、导水断层的展布情况、疏排水工程的最佳区域等)，可以为煤矿防治水工作的分析研究等提供一种新的手段和方法，有效的分析指导煤矿防治水。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明旨在提出一种基于gocad的三维地质建模方法，可以有效的分析指导煤矿防治水。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种基于gocad的三维地质建模方法，其过程如下：

步骤一：数据分析、导入、生成点集

如有测量原始数据点文件时，可以通过文本格式将文件导入到gocad中；当无测量原始数据点文件时，可由地形图提取等高线，把autocad图件保存为dxf格式，以dxf文件导入gocad。

步骤二：建立构造地形面

根据步骤一生成的点集，通过gocad中surfacecreation功能生成地形曲面，如果生成的点面上的节点和控制点不重合，需要进行几何适应，然后通过hideconstraints来隐藏不需要的限制，最后附上等值线值即可。

步骤三：钻孔的生成

钻孔数据只作为层面的控制要素，建模中基本采用文本文件方式录入钻孔相关数据，数据读入gocad后，可在well的marker项修改各层的信息并加入各层的产状信息。

步骤四：岩层面、构造面的建模

将岩层的地表出露线从autocad导入gocad，得到一个curve对象，然后岩层产状换算为面的切向量，地表curve对象沿该切向量拉伸一定距离得到一个面对象(surface)，再将这个面拟合到由钻孔、平硐确定的该层的离散点位置，得到一曲面，重复以上过程，对每一个地层面、断层面分别建模，就得到整个建模区域的岩性、构造分布情况面模型。

步骤五：编辑曲面

1、对于曲面上不合理部分，通过在gocad中拖动三角面网的节点进行调整。

2、为了地层面建立统一的约束，使地层面在垂直方向上位于同一个范围，在gocad的surfacemode模型下生成tube曲面，然后通过的surfacemode模型下的edit功能需要延伸的地层面的边界延伸到tube曲面。

3、通过bysurfaces命令切割地层面不需要的部分。

步骤六；网格/实体模型的建立

通过gocad的网格模型对象(sgrid)完成了地质网格模型的建立。

进一步的，在步骤一中，对所得到钻孔、测井的分布和根据其取得的数据进行分析，对地质剖面进行矢量化形成ascⅱ文件，输入到gocad中形成三维地质面，可以根据其提供的地层起伏、尖灭等对研究区进行建模，增加建模的精确度。

进一步的，gocad软件以dsi插值方法为基础，融合地质体形状的定性数据，提供了一种“地质体网格”的概念：一个地质体网格由边界和内部网格单元组成，其中边界由地质体的界面定义，内部网格单元代表地质体的内部组成，用来进行面向对象的随机模拟方法。

进一步的，所述插值方法包括离散光滑方法和克立格(kriging)插值法。

进一步的，在步骤二中，由已建立的各个岩层的曲面，在gocad的workflow中建立地质体的相关层面结构模型；根据建立的层面结构模型，生成体模型(sgrid)，然后输入参数，建立物性模型。

进一步的，在步骤六中，首先定义上下地层面，计算上下地层面间的pillars，然后定义各中间地层，并将中间地层一定要按地层的新老顺序进行排列，生成中间各地层面，最后在将单元切割得小一些。

进一步的，本方法以岩层出露线和岩层产状作为岩层的形态要素，钻孔数据作为层面的控制要素，建立各层面，对层面进行修改以满足实际情况，再用workflow指导建立研究区的三维地质模型由面成体。

相对于现有技术，本发明所述的基于gocad的三维地质建模方法具有以下优势：通过野外实测的离散的地质勘探数据来进行拟合和插值，建立按比例仿真的地形、地层分界线及属性等信息的三维地质模型,把地质结构信息通过三维可视化具体体现出来，利用其可视性进而直观的指导其煤矿生产和防治水工作，为煤矿防治水工作的分析研究等提供一种新的手段和方法，对煤矿防治水方案分析具有有效的指导意义。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明的流程图；

图2为本发明三维地质模型建模流程图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

一种基于gocad的三维地质建模方法，其过程如下：

步骤一：数据分析、导入、生成点集

如有测量原始数据点文件时，可以通过文本格式将文件导入到gocad中；当无测量原始数据点文件时，可由地形图提取等高线，把autocad图件保存为dxf格式，以dxf文件导入gocad。

对所得到钻孔、测井的分布和根据其取得的数据进行分析，对地质剖面进行矢量化形成ascⅱ文件，输入到gocad中形成三维地质面，可以根据其提供的地层起伏、尖灭等对研究区进行建模，增加建模的精确度。

步骤二：建立构造地形面

根据步骤一生成的点集，通过gocad中surfacecreation功能生成地形曲面，如果生成的点面上的节点和控制点不重合，需要进行几何适应，然后通过hideconstraints来隐藏不需要的限制，最后附上等值线值即可。

由已建立的各个岩层的曲面，在gocad的workflow中建立地质体的相关层面结构模型；根据建立的层面结构模型，生成体模型(sgrid)，然后输入参数，建立物性模型。

步骤三：钻孔的生成

钻孔数据只作为层面的控制要素，建模中基本采用文本文件方式录入钻孔相关数据，数据读入gocad后，可在well的marker项修改各层的信息并加入各层的产状信息。

步骤四：岩层面、构造面的建模

将岩层的地表出露线从autocad导入gocad，得到一个curve对象，然后岩层产状换算为面的切向量，地表curve对象沿该切向量拉伸一定距离得到一个面对象(surface)，再将这个面拟合到由钻孔、平硐确定的该层的离散点位置，得到一曲面，重复以上过程，对每一个地层面、断层面分别建模，就得到整个建模区域的岩性、构造分布情况面模型。

步骤五：编辑曲面

1、对于曲面上不合理部分，通过在gocad中拖动三角面网的节点进行调整。

2、为了地层面建立统一的约束，使地层面在垂直方向上位于同一个范围，在gocad的surfacemode模型下生成tube曲面，然后通过的surfacemode模型下的edit功能需要延伸的地层面的边界延伸到tube曲面。

3、通过bysurfaces命令切割地层面不需要的部分。

步骤六：网格/实体模型的建立

通过gocad的网格模型对象(sgrid)完成了地质网格模型的建立。

gocad软件以dsi插值方法为基础，融合地质体形状的定性数据，提供了一种“地质体网格”的概念：一个地质体网格由边界和内部网格单元组成，其中边界由地质体的界面定义，内部网格单元代表地质体的内部组成，用来进行面向对象的随机模拟方法。所述插值方法包括离散光滑方法和克立格(kriging)插值法。

本方法以岩层出露线和岩层产状作为岩层的形态要素，钻孔数据作为层面的控制要素，建立各层面，对层面进行修改以满足实际情况，再用workflow指导建立研究区的三维地质模型由面成体。

下面以内蒙古罐子沟煤矿实例,综合考虑煤矿防治水所涉及的各种地质信息，结合已有地质资料(如地层的分布特别是含、隔水层的分布范围、厚度、埋深以及岩石力学物理实验指标等信息)，针对罐子沟煤矿一盘区，利用gocad软件建立三维地质体模型。

一、数据分析、导入、生成点集

将测量原始数据点文件通过文本格式将文件导入到gocad中。

二、构造地形面

gocad提供了由point和curve两种方式生成地形图，基于point生成的地形面，速度快，但精度较低；而基于curve生成的地形面则精度更高，能够准确表达地形的起伏。

如有测量原始数据点文件时，可以通过文本格式将文件导入到gocad中(file-importobject-rawfiles-pointset-pointsetsfromcolumns-basedfile)/直接读入gocad，成为一个点集对象，用于生成地形。

当无测量原始数据点文件时，可由地形图提取等高线，把autocad图件保存为dxf格式，以dxf文件导入gocad(即dxf文件的输入可以通过file-importobject-acad-dxf这种方法输入，需要主意的是，输入前需要对图形文件进行清理，这样输入后可以省去许多编辑工作)，得到一个曲线对象，按一定精度在这些等高线上提取数据点，生成点集(在pointssetmode模式下，执行new-frompointsset-curveorsurface把线改为提取为点集)，作为生成地形面的控制点。由等高线生成的点集或直接导入的点集，可以参与三维地质建模的下一步运算。

点集生成后，然后通过wizards(向导)生成面，在surfacecreation(创建面)中选择fromdata(withoutinternalborder)(通过资料无内边界的创建)，选择createoutlinecurvefrompoints(利用点群创建外轮廓线)和optiamizeoutlinecurvetobetterfitpoints(优化外轮廓线使其更好的与点群相拟合)，同时可以多次点击右侧的螺旋按键，多次优化；达到满意的效果后，如果需要保存生成outline就要在objects中进行重命名和保存。最后点击createsurface由点集和边界曲线离散平滑内插(dsi)生成地形曲面。

如果生成的点面上的节点和控制点不重合，需要进行几何适应，然后通过hideconstraints来隐藏不需要的限制，生成光滑的地形面，最后附上等值线值即可，这就完成了研究区的整个地表面。

三、钻孔的生成

建模中基本采用文本文件方式录入钻孔相关数据，数据读入gocad后，可在well的marker项修改各层的信息并加入各层的产状信息。

四、岩层面、构造面建模

相对于建模区域而言，由钻孔得到的地层分布数据极其有限，因此在建模中，钻孔数据只作为层面的控制要素，而岩层出露线和岩层产状作为岩层的形态要素。首先将岩层的地表出露线从autocad导入gocad，得到一个curve对象，然后岩层产状换算为面的切向量，在gocad中，坐标与地质图坐标一致，正北为y方向，正东为x方向，向上为z方向，设岩层产状为“倾向∠倾角”(dd∠da，0≤dd≤360，0≤da≤90)，则该层面的切向量为：

x＝cos(da)sin(dd)

y＝cos(da)cos(dd)

z＝-sin(da)

将地表curve对象沿该切向量拉伸一定距离得到一个面对象(surface)，即为该地层面的宏观基本形态，该面为一直平面，与地表出露线及产状数据相一致。再将这个面拟合到由钻孔、平硐确定的该层的离散点位置，得到一曲面，该曲面在宏观形态上与出露线和产状数据一致，在局部与钻孔确定的层面位置一致，如果其展布情况与地质规律不矛盾，则可认为该曲面可以模拟该地层面。

重复以上过程，对每一个地层面、断层面分别建模，就得到整个建模区域的岩性、构造分布情况面模型。可见，钻孔、平硐数据的数量，直接影响曲面形状与真实地层面形状的接近程度，随着工程勘察工作的不断深入，模型将不断完善，同时也为下一步工程勘察重点和地质分析提供依据。同时，模型的地层也存在不合理的地方，于是就要我们对生成的地形面、岩层面等结构面的地层尖灭、缺失区域或其它不合理区域进行编辑处理。

五、编辑曲面

1、编辑不合理部分

利用gocad强大的编辑功能进行调整。gocad的编辑功能是通过拖动三角面网的节点来实现的。进行编辑时，首先选择gocad的节点编辑工具(reshapenodesonallobjecttypes)，然后单击需要调整的三角面的控制节点，向各个方向移动，达到曲面的理想效果。

2、建立地层面的统一约束并切割地层

具体步骤如下：

首先，选择研究区域的边界线，在surfacemode模型下，执行new-builtinforms-tube命令。这样，生成的tube曲面就是以研究区边界从正负两个方向延伸而成的。长度以能覆盖所有的地层面边界为宜。执行surfacemode—edit—border—extend--one命令，在弹出的对话框中键入你要延伸的值，将其它岩层面分别延伸，将需要延伸的地层面的边界延伸到tube曲面。

3、切割地层面

各岩层面延伸后，选择我们就要切割掉我们不需要的部分，执行surfacemode—edit—cut—bysurfaces命令，在弹出的对话框中surface内选择被切割的面，在surfaceby中选择切割面，点击ok。然后将割掉的不需要的部分移除，在在surfacemode下点击edit—part—remove命令，移除掉不需要的部分后的效果；同时发现原来生成的下部地层面会与地形面相交，将这些部分也用上面类似的方法移除不需要的部分。

六、网格/实体模型的建立

首先定义上下地层面，计算上下地层面间的pillars，然后定义各中间地层，并将中间地层一定要按地层的新老顺序进行排列，生成中间各地层面，最后在[guildthegrid]步骤中要将单元切割得小一些，否则生成的模型将会出现很严重的锯齿。

生成的sgrid模型需要在regions属性中对各个地层的颜色进行区别定义，并在graphic属性中关掉volumei3isplay的fullvolume选项，就可以清楚地看到生成的各个地层了。

通过观察、分析地质模型，给罐子沟煤矿提出了以下几点防治水建议：

1、对6#煤顶板泥岩展部情况进行观察、分析，发现该泥岩仅在中观附近较厚，其它区域均较薄。因此在采掘过程中，6#煤顶板泥岩势必被破坏，隔水性能失效。因此疏排水是十分必要的。

2、对水位、水力坡度及降落漏斗分布情况分析，在含水层较厚区域，此区域采用地面疏排水工程。在采掘工作接近此区域时，同时应进行超前探放水。

3、对6#煤顶板砂岩裂隙含水层露头进行观察、分析，建议地下疏水工程多布置在露头附近，截断该含水层的补给，以达到疏干的目的。

通过对罐子沟煤矿实际的防治水工作情况的了解，发现罐子沟煤矿采用的方法和以上的建议吻合，这也证明了利用gocad三维地质模型来指导矿井防治水是可行的，前景广阔。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。