0 引 言
水害是煤矿5大灾害之一，给国家财产和人民生命造成了重大损失，预防水害事故是煤矿安全生产中的一项重要课题[1-2]。突水监测预警[3]是预防和降低水灾事故损失的重要防线，矿井充水条件动态可视化及其预警功能的实现是提升防治水安全技术管理和智能化水平的重要标志。自从三维地质建模概念提出以来，在石油、工程地质等领域获得广泛应用，但在水文地质领域的应用起步较晚，尽管如此，已经取得有一定影响力的研究成果。颜辉武等[4]建立了常州-武进地区第四系三维水文地质模型；刘天霸等[5]提出基于剖面数据的多源信息建模方法，建立了华北平原三维水文地质模型；张渭军[6]建立了孔隙含水层的三维水文地质模型；王建军等[7]建立了基于沉积相特征的深部水文地质结构模型。纵观这一技术的研究及应用，利用三维地质建模技术构建矿井(或采场)充水结构模型却鲜有报道。随着计算机软、硬件技术的飞速发展，三维地质建模技术在“透明矿井”、“水文地质可视化”等热点问题研究中受到普遍重视[8-9]，极大地推动了矿井充水结构三维建模的步伐。
为了精确刻画矿井水文地质结构的三维特征，提高矿井水害监测水平，笔者基于三维地质建模技术构建了采场充水结构可视化实体，并在其中嵌入水害监测信息，开发出集模型展示、数据查询等模块于一体的采场三维充水结构可视化模型，在煤层底板突水综合监测与智能预警系统的构建中发挥了重要作用。
1 采场三维充水结构可视化概念
采场三维充水结构可视化是基于地质、物探、水文地质及采掘工程信息，综合应用三维地质建模和可视化技术，提取充水水源、充水通道等矿井充水要素静态和动态信息，实现充水结构的三维可视化表达。从水文地质角度，采场三维充水结构基于含水层、隔水层的结构特征，既包含含水层、隔水层空间展布特征，又包含地下水位(压)等水文地质动态信息，水文地质结构体及其属性信息是第1特征；从地质构造角度，裂隙、节理、断层、褶皱轴部(或核部)是表征重点，构造是其第2特征；从采掘扰动角度，力求刻画充水水源和充水通道的空间响应特征，在静态模型基础上描述动态条件的时空变化，采掘扰动形成含、导水条件的空间变异是第3特征。
构建采场三维充水结构模型的主要目的就是精细刻画其空间形态及其组合关系，厘清水文地质结构类型，从“体结构”及“体特征”2个层面，揭示采场水文地质结构体在充水过程中的空间变异规律，进而为水害监测预警提供决策支持平台。
2 三维地质建模理论与算法
2.1 三维地质建模理论
三维地质建模[10-11]是应用计算机技术，在三维环境下将空间信息管理、空间分析和预测以及图形可视化等工具结合起来，用于地质结构研究的一门技术。三维地质建模以钻孔、剖面、地形图、地质图、物探数据、水文地质监测数据等为基础，建立能够反映地质构造形态及地质体内部属性变化规律的数字化模型。使用适当的可视化方式，该数字化模型能够以虚拟的形式展现真实的地质场景。同时，基于模型的数值模拟和空间分析，辅助用户进行矿井灾害风险分析与科学决策。
三维地质建模中，根据应用领域和问题描述的不同，原始数据可以分为空间数据和属性数据2大类。空间数据用于建立三维地质几何模型，刻画出模型的空间形态和结构特征；属性数据用于建立三维地质预测模型，反映地质属性的空间变化特征。几何模型通过分解自身的体元，将细化后的体元作为预测模型中地质属性的空间结构载体，以克服无法刻画地质体内部非均一性特征的缺点；预测模型则通过对已知采样点进行插值计算来预测未采样点的空间属性值，通过几何模型对预测过程进行控制和约束。
2.2 三维地质建模算法
地质建模中的算法主要应用于空间特征的构建，即数据插值和网格生成。采场三维充水结构地质模型构建过程中几何模型外形构建的数据插值算法主要使用DSI离散光滑插值[12]，对水文地质属性的空间插值使用克里金插值[13-14]；网格生成算法主要使用三角网格构建的Delaunay算法[15]。
1)数据插值算法。在计算机绘图学中，地质界面被称为空间曲面，通过钻探、物探等手段可以得到描述其形态的离散点信息。曲面插值方法主要有反距离加权插值(IDW)[16]、趋势面(最小二乘法)插值[17]、薄板样条插值、克里金(Kriging)插值与离散光滑插值(DSI)。
在三维充水结构模型构建过程中，水文地质属性的插值主要应用克里金(Kriging)插值，这种插值方法基于地质统计学思想，以“区域性变量”来描述含(隔)水层标高、水位(压)等连续性变化的指标变量。
几何模型构建过程中对表面数据主要使用离散光滑插值(DSI)，这种算法是一种递归插值方法，其运算速度主要取决于算法的收敛速度。
2)网格构建算法。空间曲面是由一系列离散点构成并通过三角形相连而成的曲面。本文使用的是Delaunay三角剖分生成算法，算法基本思想是按照剖分规模将边界离散成有序线段，然后，从边界出发，依次以边界线段为三角形的1条边，在边界点与内部点中寻找合适点组成三角形，选取组成三角形顶角最大的点为最终三角形顶点；将已形成三角形的边界线段从边界链表中删除，形成新边界；重复上述过程，直到除边界外，三角形边的两侧均有三角形为止；最终将所有三角形相连，就构成三角网曲面。
3 采场三维充水结构建模及动态可视化关键技术
3.1 采场三维充水结构静态建模技术
采场三维充水结构模型分为3个层次(图1)，模型框架层主要是构建整个三维模型的地层架构，数据来源为钻探和地震勘探资料；静态数据层主要对煤层、含水层、隔水层三维结构进行甄别，数据来源为钻探取心、测井、抽水试验、简易水文地质观测等数据；动态数据层是在水文地质结构模型基础上嵌入充水水源、充水通道等充水要素[18]的动态信息。矿井充水水源包括底板水、顶板水等，充水通道包括断层、陷落柱、封闭不良钻孔、顶板导水裂隙带、底板破坏带等。
图1 三维充水结构建模框架
Fig.1 Framework of three-dimensional water filled structure
采场三维充水结构模型主要包含静态模型和动态可视化模型。静态模型构建流程如下(图2)：①利用地震资料解释的地层数据、断层数据构建地质模型框架，利用钻孔数据对地层界面进行控制；②以钻探、测井资料为依据对含水层、隔水层进行划分；③构建并加入含水层地下水初始水位(压)面；④融合物探异常区、构造发育区。
图2 静态模型构建流程
Fig.2 Static model construction process
采场三维地质建模所涉及的数据为多源异构数据，按照其来源，划分为地质、地球物理、水文地质3大专业数据库。地质数据库包括钻孔信息，钻孔主要用于地层框架的构建；地球物理数据库包括地震勘探、电法勘探等获取的构造、含导水异常数据；水文地质数据库是构建采场三维充水结构的主要数据源，主要包括含(隔)水层划分的钻孔勘探数据、测井数据、抽(放)水试验数据。系统将这些基础数据矢量化为点、线、面文件进行存贮。
3.2 动态可视化建模技术
矿井充水要素(充水水源、充水通道)动态可视化是指以数字、曲面的形式对水位(压)、底板破坏深度、水压导升面等在充水结构静态模型上交互显示的过程。本文充水水源是底板水，通过水压监测、网络电法监测数据反映其动态变化特征；充水通道指底板破坏深度范围，通过微震监测反映裂隙发育程度及动态变化。
在底板突水监测中包括3种动态数据(图3)：①工作面回采过程中，煤层底板岩体中应力、应变、水温、水压对采煤活动的响应，通过在煤层底板埋设对应的传感器监测其变化，实时捕捉突水发生的前兆信息，在模型中作为空间点数据，反映充水水源变化情况；②网络电法系统用来监测底板隔水层的视电阻率变化，利用克里金插值方法绘制视电阻率曲面图，反映底板承压水的导升情况；③微震监测系统对采场底板岩石破裂点进行监测定位，形成底板破坏深度包络面，实现对底板充水通道时空变化的连续监测。
动态可视化模型构建流程如下(图3)：①在三维充水结构静态模型上增加应力、应变、水温、水压传感器，并在模型上实时显示(数据更新间隔10～20 s)；②从网络电法监测系统提取代表底板承压水导升高度的“水压导升面”，根据网络电法系统的数据处理时间进行动态更新(数据更新时间20～30 min)；③从微震监测系统中提取底板岩石破裂事件，以三维散点图形式显示在模型上，并在所有有效事件三维散点图上构建包络曲面，形成“破坏深度包络面”；根据“水压导升面”与“破坏深度包络面”是否叠置，按照“下三带”理论形成突水判据，(其数据更新间隔为10～20 s)，并进行警情发布。
图3 动态可视化模型构建流程
Fig.3 Construction process of dynamic visualization model
模型动态更新示意如图4所示。图中最上层半透明体为煤层，红色面模型为根据微震监测数据构建的底板破坏深度包络面，绿色面模型为根据网络电法监测数据构建的底板水压导升面。图4a显示t1时刻无突水危险性时的面结构特征，图4b显示t2时刻,当“水压导升面”与“破坏深度包络面”叠置形成底板突水时面结构特征。
图4 充水结构模型动态更新
Fig.4 Model dynamic update of water filled structure
采场三维充水结构动态可视化模型需要可视化平台来承载展示，可视化平台架构设计分为4层，支撑层、数据层、业务层、界面(UI)层。支撑层是利用面向服务的体系架构、空间数据库、关系数据库等技术，通过数据和服务融合，提供采场三维充水结构监测预警平台所需的服务和共享资源；数据层是通过分析矿井地质、物探、水文地质、采掘等多源数据信息，利用支撑层建立采场充水结构多源数据库，实现钻孔、地层、断层、陷落柱、水位/水温、底板破坏深度、水压导升面等存储功能；业务层在服务器端通过三维开源几何内核Open CASCADE[19]与DSI离散光滑插值、克里金插值算法结合，实现空间查询等功能供UI层调用；UI层是基于PHP和WebGL技术开发B/S架构的三维地质模型，同时，在线构建实时监测预警平台。
平台基于采场充水结构多源信息，以三维可视化软件为建模平台，通过数字化处理地质、物探、水文地质监测等资料，基于三角网格动态生长算法，依据充水水源、充水通道等信息，构建三维充水结构三维可视化模型；采用物联网技术将监测数据实时传输到三维充水结构模型平台上，将水温、水压、应力-应变等监测“点”数据、网络电法和微震等监测“面”数据与三维充水结构静态模型相融合，形成能够动态更新并含有时间维度的“点-面”结合的采场三维充水结构动态可视化模型。
4 应用实例分析
4.1 模型构建
葛泉矿东井11916工作面呈单斜构造，倾角7°～21°，煤厚4.2～6.6 m，平均厚度5.0 m。9号煤层底板至本溪灰岩间距平均19 m，至奥灰顶界面平均间距40 m，对工作面掘进有影响的断层主要有SF1断层。
为了构建采场三维充水结构模型，设计开发了在CAD几何操作核心上加入地质统计学插值算法的三维充水结构建模软件。基于采场三维充水结构多源信息数据库，通过对井田地球物理勘探资料的数字化处理，提取断层、褶皱、陷落柱等构造信息，基于三角网动态生长算法，形成采场充水结构三维可视化模型。采用离散光滑插值算法对地面勘探钻孔数据、注浆钻孔的岩性数据、巷道测量数据、采掘揭露的煤层顶底板数据、断层数据、推测陷落柱数据、电法异常点数据进行几何模型构建，形成了包含煤层、奥灰、本灰、巷道、断层、陷落柱、采前电法勘探异常点的采场充水结构静态模型(图5)；基于实时监测数据，采用克里金插值算法动态构建底板破坏深度包络面、水压导升面(图6)。
图5 采场充水结构静态模型
Fig.5 Static model of water filled structure in working face
图6 采场充水结构动态可视化模型
Fig.6 Dynamic model of water filling structure in working face
4.2 模型应用
东翼轨道大巷一侧的工作面底板隔水层厚度变化不大，如图7所示，工作面西北侧剖面如图8所示，工作面东北部分隔水层厚度最大，从东北部到西南部隔水层越来越薄。根据采场三维充水结构模型，分析11916工作面开采煤层底板岩层厚度变化特征，识别出工作面煤层底板隔水层变薄区。同时，工作面直流电测深法和音频电穿透法存在3个异常区(图5)。将煤层底板隔水层薄弱区、隐伏构造发育区及物探异常区作为监测预警重点区段，以监测点、监测层位、监测范围等为分析重点，形成工作面重点区段1、2与正常区段分区监测设计方案(图9)：将区段1作为重点区段的原因是该区域存在电法勘探异常点、并靠近SF1断层；区段2作为重点区段是因为该区域靠近陷落柱位置，底板承压含水层在该区域明显变厚，煤层底板隔水层变薄，相对于其他区域危险性较高。在工作面上、下巷外帮浅孔埋设多频连续电法电极120个，微震传感器分别布署于地面4个、巷道垂深1.5 m浅孔25个和井下垂深20 m孔中14个，并对工作面中部陷落柱附近和断层附近进行了传感器加密布设。
图7 工作面东南侧剖面
Fig.7 Southeast profile of working face
图8 工作面西北剖面
Fig.8 Northwest profile of working face
图9 突水监测预警区段划分
Fig.9 Division of monitoring and early warning sections for water inrush
为了更直观地显示实时监测数据，使用Echarts图表绘制2019年2月21日至2020年1月20日的水压监测曲线(图10)。以采场三维充水结构动态可视化模型为基础，当“水压导升面”与“破坏深度包络面”叠置时，按照“下三带”理论形成突水预警判据，监测水压变化剧烈，并出现明显波动。
图10 水压实时监测曲线
Fig.10 Real time monitoring curve of groundwater pressure
5 结 论
1)提出了三维充水结构可视化概念，将三维充水结构划分为静态模型和动态可视化模型，静态模型是水文地质实体结构模型，用来展示采场原生含、导水异常体，是底板突水监测监测方案设计的依据。动态可视化模型是在静态模型基础上嵌入充水要素的动态监测信息，直观显示突水监测预警的前兆信息。
2)在研究三维地质建模理论和算法的基础上，提出了三维充水结构的建模框架及流程。根据多源异构数据源的特点，形成了三维充水结构平台系统架构方案，采用物联网技术将监测数据实时传输到三维充水结构模型平台上，实现了监测点-面信息的有机融合和时间维度上的动态更新。
3)以葛泉矿东井11916工作面为例，利用自行开发软件构建了包含煤层、奥灰、本灰、巷道、断层、陷落柱、采前电法勘探异常点的采场充水结构静态模型；采用实时监测数据构建了包含动态变化底板破坏深度包络面、水压导升面的采场充水结构动态可视化模型，根据突水危险性划分了监测预警区段，为底板水害综合监测方案设计和智能预警提供了有力的技术支持。
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