基于GOCAD方法的漳村煤矿三维地质建模

＊罗明坤 齐嘉义 荣海

（1.山西潞安环保能源开发股份有限公司漳村煤矿 山西 046000 2.辽宁工程技术大学 安全科学与工程学院 辽宁 125105 3.辽宁工程技术大学 矿业学院 辽宁 123000）

随着科技的不断发展进步及计算机软件在各行业中的拓展应用，三维地质建模软件在油藏、数字矿山、地质勘探等诸多领域得到了普及和重视[1]。

相比于以往只能通过结合多张二维平面图纸抽象地描述一个地质区域，三维地质建模软件能立体化、可视化地将地质构造表达出来的功能显得更为方便及实用。正因如此，学者们不断探究三维地质建模的技术方法及相关影响因素，并研发出了针对于不同领域的三维地质建模软件[2-3]。GOCAD便是基于法国Nancy大学的Mallet教授提出的离散光滑插值理论，由美国PST油藏技术公司开发的在国际上公认功能极为强大的三维地质建模软件。董梅[4]等已在GOCAD结合地质勘探的领域提出了建模方法及应用前景的研究与讨论。詹莉[5]等将GOCAD三维地质建模应用于金沙江乌东德水电站的建设工程，并将GOCAD软件下的三维模型剖面图与人工绘制的剖面图进行比较，分析了其在建设工程中应用的可行性。

本文将利用GOCAD三维地质建模软件，基于钻孔数据建立潞安漳村煤矿主采煤层、临近岩层及地表的整体三维地质模型。并通过三维可视化技术[6]，精确、形象地表达出漳村煤矿的煤层赋存条件，探讨三维地质建模软件在数字矿山领域的应用方法及前景。

1.GOCAD软件概述

GOCAD（Geological Object Computer Aided Design）地质建模软件是一款主要应用于地质领域的三维可视化建模软件，同时也是国际上公认的主流三维地质建模软件。其在地质工程、地球物理勘探、矿业开发、水利工程中均有广泛的应用[7]。GOCAD软件的研发工作自1989年开始至今，研发团队日益壮大，软件功能也趋于成熟[8]。该软件是以工作流程为核心的新一代地质建模软件，达到了半智能化建模的世界一流水平，具有强大的三维建模、可视化、地质解释和分析的功能。其主要特点如下：（1）应用离散光滑插值技术作为软件核心。其优势在于能通过有限的地质数据及资料模拟生成复杂地质体，并分析处理复杂地质体内部的相关地质信息。（2）界面精简，易于操作。使用者只需按照工作流程中的问题添加相应的参数，便可顺利完成相应的建模工作，这种半智能化的建模方法极大地提高了建模过程的效率。（3）数据通用，兼容性强。在GOCAD软件建模过程中，可以导入导出其它相关格式的数据文件，并能与AutoCAD、FLAC3D等其它专业软件进行数据交换。此外，该软件还具有能在几乎所有硬件平台（Sun、SGI、PCLinux、PC-Windows）上运行的特点。

2.GOCAD三维地质建模的流程

(1)初始数据的收集与导入

三维地质建模及其可视化的工作，基本的思路便是利用已知的地质勘探资料（例如地形等高线、钻孔数据等）作为初始数据，通过GOCAD自身强大的离散光滑插值技术将有限的二维初始数据转化成连续曲面，从而建立可视化的三维地质模型的过程。因此，收集并导入初始数据是GOCAD三维地质建模的根本。GOCAD支持Ascii文本文件、DXF、BMP图像文件等多种外部文件格式的连接及导入，例如AutoCAD绘制的等高线图、统计钻孔坐标的文本文件等初始数据均可实现对GOCAD的直接导入[9]。

(2)点数据及线数据生成三维曲面

GOCAD软件采用工作流程的方式建立三维地质模型，其流程从本质上讲便是将最初导入的离散点通过一个个环节最终演化成三维体[10,11]。建模环节遵循原则如下：点数据（GOCAD中的PointsSet点单元）→确认边界的封闭的线（GOCAD中的Curve线单元）→由大量三角网格及封闭边界组成的曲面（GOCAD中的Surface面单元）→由多个不同方向曲面交叉切割产生的三维曲面。在如上流程的建模过程中，还涉及到离散光滑插值技术的应用，例如在初始数据较少的情况下，经由离散光滑插值技术的自动修正和处理，可使一些生成曲面时的不确定数据根据控制点进行多次匹配，生成最贴近初始数据的曲面且尽最大可能杜绝几何畸变的产生。至此，GOCAD中的三维地质模型已初见端倪。

(3)填充三维曲面建立三维地质模型实体

当完成建立三维曲面的过程之后，三维地质模型的外观便已成型，但这并不代表三维地质模型的建模过程完全结束。例如一台电脑的主机箱，只有箱体的外壳而没有内部的硬件电脑是无法运行的。三维地质模型的道理亦是如此，虽有描述外观的三维曲面，但没有进行实体填充步骤的情况下，当对该模型进行剖面切割或地质模型内部岩体属性探查时，是无法显示任何数据的。因此，需要依据GOCAD工作流程中的Solid（实体填充）功能或Grid（栅格）功能填充三维地质模型并赋予其内部构造信息。直至此步，三维地质模型的建模过程基本结束，通过辅以一些特殊指令或操作便可获得所需的三维地质模型信息。

3.GOCAD在漳村煤矿中的应用

笔者对漳村煤矿进行三维地质模型建模时，收集了漳村煤矿的42组可用钻孔地质柱状图信息，并获知其3#、9#及15#煤层为主采煤层。因此，笔者决定通过以上已知条件构建能够反映漳村煤矿煤层赋存条件的三维地质模型，并通过GOCAD软件的相关功能对该矿的地质条件进行分析与归纳。

(1)离散点数据的录入

因钻孔地质柱状图中包含任一点的精确经纬坐标以及高程信息，对应的正是三维层面的x、y、z坐标。因此利用已知的42组漳村煤矿钻孔柱状图信息，获取钻孔的实际坐标（x，y），并计算出地表、3#煤顶底板、9#煤顶底板以及15#煤顶底板的高程坐标（z），从而生成三维地质建模中需要的三维点数据（x，y，z）（图1）。因GOCAD软件可以载入txt文本格式的点数据信息，故利用txt文本格式的软件进行点数据的统计与整理。

(2)漳村煤矿三维地质模型建模过程

利用GOCAD软件的点数据列加载方式（Culumn as PointSet）对收集统计的txt文本格式的点坐标信息进行加载。依据此方法分别载入地表、3#煤层顶底板等地质层的点数据，载入后的GOCAD内三维离散点效果如（图1）所示。因三维地质模型需确定每个三维曲面的外围边界，故在本次建模过程中，利用钻孔点数据生成外围边界线，生成后的效果如（图2）所示。

图1 GOCAD中加载完成的离散点

图2 确定各三维曲面的外围边界线

此时通过离散点与外围边界线结合的方式自动生成三维曲面，其中曲面的高低起伏通过同一地质面中各个钻孔点的高程差来决定。三维曲面的精细程度可通过离散光滑插值过程中预设的三角网格密度来调整。三角网格密度越高，生成的图形则越精细（图3）。通过每个三维曲面的属性设置栏可为其命名、变化颜色及选择三角网格的显现与否。

图3 带有三角网格的三维曲面

在三维曲面生成之后，为进一步完成三维地质模型的内部填充工作，需为每两个三维曲面依次匹配生成相对应的侧面，从而形成一个封闭的三维曲面。例如3#煤层的顶底板之间生成侧面，通过两个三维曲面及侧面的组合可生成一个密闭的三维模型，同时可以此三维模型精确代表3#煤层。生成侧面的方式采用的是剪切法，该方法的原理是利用两个三维曲面的外围边界线生成相对应的侧面，并利用外围边界线对侧面进行精细的剪切，致使生成的侧面与两个三维曲面完全封闭，不存在缝隙，确保之后的内部填充工作的顺利进行（图4）。

图4 由三维曲面及侧面组成的封闭三维模型

在生成多个代表不同地质层的封闭三维模型并将其合并为一个整体模型后，漳村煤矿三维地质模型的框架及外观便已成型，之后的工作便是对该三维地质模型进行填充。利用GOCAD的Solid（实体填充）功能将模型中的岩层、3#煤层、9#煤层、15#煤层分别进行赋予不同内部属性的填充，填充过程中需注意每个单一三维曲面的封闭性，否则极易造成填充的失败或属性混乱。最后，为表示该三维地质模型的建模依据，将42个钻孔点信息加载于模型中，可明确对应三维地质模型中的点坐标。至此，漳村煤矿的三维地质模型建模过程结束。图5是漳村煤矿三维地质模型的总效果图。

图5 漳村煤矿三维地质模型效果图

(3)三维地质模型的应用

宏观上，因GOCAD软件内的三维地质模型可实现任意角度方向的旋转和拖拽，因此可使本身抽象复杂的井田地质地貌更为直观、立体化的呈现出来。例如漳村煤矿井田范围内各主采煤层的赋存特征及走向、倾向信息；微观上，GOCAD软件内可以缩放观测三维地质模型任一煤岩层，通过鼠标的每一步移动，均可显示所处地点的精确三维坐标。同时，利用GOCAD软件内的剖面功能，可做任意方向、面积的剖面，科学分析测量剖面图（图6），得出各煤岩层的具体特性信息，利于指导矿井设计和安全生产。

图6 GOCAD所切剖面图

4.结论

本文应用GOCAD软件对漳村煤矿进行三维地质建模，利用较有局限性的钻孔地质柱状图信息，通过GOCAD软件内部的离散光滑插值技术及半智能化的工作流程将抽象的点数据最终形成立体化、形象化的三维地质模型，科学直观地表达了漳村煤矿的煤层赋存条件等相关信息，同时，GOCAD软件提供的相关处理三维地质模型的功能也能很好地应用于地质勘探以及煤矿开采的过程中。

由GOCAD软件的实际应用可知，计算机软件以及三维数字化技术的合理利用，对于地质勘查、矿山等领域的现代化建设发展起到了很好的保障，构建了良好的技术平台。但本文仅对漳村煤矿局部区域进行了基础的建模，GOCAD软件及三维建模技术更深层次的应用仍有待发掘。