煤层顶板突水的三维动态可视化方法技术

本发明专利技术公开了一种煤层顶板突水的三维动态可视化方法，包括构建矿区的数据集；根据所述数据集，构建该矿区的3D地质模型；构建该矿区的顶板突水条件综合评价分区图；基于所述顶板突水条件综合评价分区图，确定煤层的拟开采区域、主巷道、工作面以及突水点位置；计算含水层每个节点在突水前和发生突水后各典型时段的水位，并获得相关时段的3D流线；对地层冒裂进行三维动态可视化模拟；对地下水流场进行三维动态可视化模拟。本发明专利技术首次基于三图法，利用地下水模拟和科学可视化技术，实现煤层顶板突水三维动态时空表达，提供了一个了解和分析煤层顶板突水过程的崭新平台。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及三维地质建模
，特别是指一种基于"三图法"的煤层顶板突水 的三维动态可视化方法。
技术介绍
随着矿山开采深度逐渐加大和下组煤开采，顶板冒落沟通上覆含水层而导致顶板 涌(突)水灾害发生或恶化工作面生产环境的实例日益增多，煤层顶板突水问题一直是困扰 华北型煤田煤炭工业可持续性发展的主要水患。矿井突水灾害长期以来是制约我国煤炭行 业安全经济开采主要灾种之一，号称煤矿"第二杀手"，全国65%生产矿井、40%原煤储量均 不同程度遭受水害威胁，造成人员伤亡和财产损失，影响采矿生产。由于煤层顶板突水灾害具有突发性、模糊性和不确定性特征，现有技术方法缺乏 对突水灾害发生过程的完整表达，无法准确反映煤层开采过程以及煤层顶板突水发生的时 空动态现实，从而成为实现煤层顶板突水预测及其可视化分析的一个瓶颈。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提出一种，以 提高对煤层顶板突水灾害发生过程的完整性表达。基于上述目的，本专利技术提供的包括以下步 骤：构建矿区的数据集，所述数据集包括钻孔、剖面、断层、裙皱、DTM/DEM数据、遥感数 据、点云数据、含水层富水性、隔水层空间结构、断层导水情况、水文孔、以及相关的地质图、 地形图、水文地质图、抽水试验综合成果图、工程布置平面图； 根据所述数据集，构建该矿区的3D地质模型；构建该矿区的顶板突水条件综合评价分区图；基于所述顶板突水条件综合评价分区图，确定煤层的拟开采区域、主巷道、工作面 以及突水点位置； 在分析该矿区地下水流场特征点的基础上，采用GMS地下水模拟系统，对含水层进 行参数分区，计算含水层每个节点在突水前和发生突水后各典型时段的水位，并获得相关 时段的3D流线； 对地层冒裂进行三维动态可视化模拟； 对地下水流场进行三维动态可视化模拟。在本专利技术的一些实施例中，所述构建该矿区的顶板突水条件综合评价分区图的步 骤包括： 1)计算含水层的厚度、单位涌水量、渗透系数、岩芯采取率和冲洗液消耗量，采用 层次分析法确定各多元地学信息在反映含水层富水性方面相对应的权重值，从而形成顶板 含水层的富水性分区图； 2)根据所构建的3D地质模型，确定含水层地层到煤层顶板的高度H，根据开采煤层 的厚度计算冒落带高度化、导水冒裂带高度Hu，从而形成顶板冒裂安全性分区图 3)将顶板含水层富水性分区图与顶板冒裂安全性分区图叠加，从而得到顶板突水 条件综合评价分区图。 在本专利技术的一些实施例中，所述步骤2)包括： 根据所述3D地质模型和数据集，计算并生成煤层顶板、煤层高度、冒落带高度、导 水冒裂带高度的空间分布模型； 根据所构建的3D地质模型，确定含水层地层到煤层顶板的高度H，根据开采煤层的 厚度结合防治水规程的经验公式计算冒落带高虔、导水冒裂带高g 其中，Μ为煤层的有效采厚； ， 如果Hu>H，那么该区域为冒裂安全分区图的危险区；如果Hu〈H，那么该区域为冒 裂安全分区图的相对安全区，从而形成顶板冒裂安全性分区图。在本专利技术的一些实施例中，所述步骤3)包括： 在顶板冒裂安全性分区图的结果上对确定为冒裂安全分区图的相对安全区的区 域，依照顶板含水层富水性分区图的富水性结果分为若干个级别，与顶板冒裂安全性分区 图的危险区叠加形成顶板突水条件综合评价分区图。 在本专利技术的一些实施例中，所述拟开采区域满足以下条件:A)不发生突水、B)有水 进入采空区但无突水、C)发生突水。 在本专利技术的一些实施例中，还包括构建工作面纵剖面和工作面横剖面的方法，具 体为：利用交互式方法，经过拟开采区域，以基于Z深度值的方法，采集一系列点集pi，p2,.. .pm，并形成一个开放曲面;使其与3D地质模型中的所有地层进行切割操作，通过重构 网格，构成工作面纵/横剖面模型。 在本专利技术的一些实施例中，还包括： 采用.net平台提供的MFC方法构建基础软环境，结合OpenGL图形库，通过定义类classCOpenGL:publicCGraBaseU，设置坐标系、视窗、绘制参数、拾取、辅助队列以及植 染参数，并在主调函数中定义COpenGL*p_Graphic，完成煤层顶板突水三维动态可视化场景 的构建，再将钻孔模型、地层模型、"三图"、主巷道、拟开采区域、工作面、以及水位、流线模 型导入*p_Graphic所创建的场景中，并完成融合处理；采用树控件对所述模型进行分类管理； 重构已建立的冒裂带，切割获得其在工作面上的冒裂分布情况，结合树控件中的 地层分支，依次与地质模型中*L(i=l，...，6)所指向的地层网格进行布尔求交，并局部 重构发生相交的网格单元； 基于统计方法，在冒裂带的影响区域内分别插值离散点并进行剖分，冒落带:接近 煤层的点密度略小于远离煤层的点密度，且冒落的倾向呈现拱形即上小下宽，形成一系列 不规则破碎块体模型，记为V，以便实现实时破碎模拟;裂隙带:接近冒落带的点密度略大于 远离冒落带的点密度，形成一系列凸壳断裂体模型，记为F，并重构相应地层网格单元，裂缝 的宽度与煤层上覆岩体垮落的程度相关联； 在.net中定义定时器，通过OnTimerO事件启动nIDEvent的1个/多个赋值，结合工 作面走向长度L，进行步长设置，令步长At=L/FN，FN为总帧数;导入重构动态帧，实现动态 演示功能。在本专利技术的一些实施例中，所述对地层冒裂进行三维动态可视化模拟的步骤包 括： 步骤a、设置模型V中的网格单元为活动单元，而其它与V单元相邻的地层边界均为 稳定单元，构建树结构来存储管理这些单元； 步骤b、伴随着煤层的开采，按照所设置的步长At，选择t时刻冒落带受影响的相 关一系列单元体viGV，i<n，n为V中的单元个数，冒落倾向呈现拱形，以作为当前跨落单 元；步骤c、利用基于动力学的刚体碰撞检测算法，进行群体移动时的快速碰撞检测， 并通过重力和单元体间作用力分析，获取单元速度，继而可计算出节点的位移Axi,Ayi,A Zi，从而实现实时动态下落； 步骤d、选择裂隙带内受影响的关联单元体fj￡F，j<m，m为F中的单元个数，通过 对相关单元体建立可断裂约束，以形成裂缝； 步骤e、当前所有被选单元Vv,满足终止条件时，如果开采进程长度小于L或尚未 达到突水点位置，则转入步骤b，使得t+=At，继续下一帧的操作;否则，冒裂过程结束。 在本专利技术的一些实施例中，所述对地下水流场进行三维动态可视化模拟的步骤包 括： 煤层开采开始至突水前为第1阶段，以AB工作面纵剖面为例，并通过设置 CRunPara*pRP中的pRP->alpha= 0.6 以及glBlendFunc(GL_SRC_ALPHA，GL_0NE_MINUS_SRC_ ALPHA)，将含水层设置为透明模式； 在模拟开采过程中，测试当前被选择单元体Vi， 如果VigZ2区域，冒落未影响到含水层，流线不改变流向，为第1种情况，没有发生 突水； 如果VleZ2区域，冒落抵达含水层，但含水层富水性较差，仅有少量地下水流入采 空区，为第2种情况，采空区虽有水流进入，但未发生突水； 如果VleZ2区域，冒落抵达含水层，且含水层富水性较强，则发生突水，大量地下 水流入采空区，水位形成漏斗，为第3种情况，发生突水； 突水发生后为第2阶段，通过地下水模拟本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种煤层顶板突水的三维动态可视化方法，其特征在于，包括以下步骤：构建矿区的数据集，所述数据集包括钻孔、剖面、断层、褶皱、DTM/DEM数据、遥感数据、点云数据、含水层富水性、隔水层空间结构、断层导水情况、水文孔、以及相关的地质图、地形图、水文地质图、抽水试验综合成果图、工程布置平面图；根据所述数据集，构建该矿区的3D地质模型；构建该矿区的顶板突水条件综合评价分区图；基于所述顶板突水条件综合评价分区图，确定煤层的拟开采区域、主巷道、工作面以及突水点位置；在分析该矿区地下水流场特征点的基础上，采用GMS地下水模拟系统，对含水层进行参数分区，计算含水层每个节点在突水前和发生突水后各典型时段的水位，并获得相关时段的3D流线；对地层冒裂进行三维动态可视化模拟；对地下水流场进行三维动态可视化模拟。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：武强，徐华，
申请(专利权)人：中国矿业大学北京，
类型：发明
国别省市：北京;11