煤層頂板突水的三維動態(tài)可視化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及三維地質(zhì)建模技術(shù)領(lǐng)域，特別是指一種基于"三圖法"的煤層頂板突水 的三維動態(tài)可視化方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著礦山開采深度逐漸加大和下組煤開采，頂板冒落溝通上覆含水層而導(dǎo)致頂板 涌(突)水災(zāi)害發(fā)生或惡化工作面生產(chǎn)環(huán)境的實例日益增多，煤層頂板突水問題一直是困擾 華北型煤田煤炭工業(yè)可持續(xù)性發(fā)展的主要水患。礦井突水災(zāi)害長期以來是制約我國煤炭行 業(yè)安全經(jīng)濟開采主要災(zāi)種之一，號稱煤礦"第二殺手"，全國65%生產(chǎn)礦井、40%原煤儲量均 不同程度遭受水害威脅，造成人員傷亡和財產(chǎn)損失，影響采礦生產(chǎn)。
[0003]由于煤層頂板突水災(zāi)害具有突發(fā)性、模糊性和不確定性特征，現(xiàn)有技術(shù)方法缺乏 對突水災(zāi)害發(fā)生過程的完整表達，無法準(zhǔn)確反映煤層開采過程以及煤層頂板突水發(fā)生的時 空動態(tài)現(xiàn)實，從而成為實現(xiàn)煤層頂板突水預(yù)測及其可視化分析的一個瓶頸。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提出一種煤層頂板突水的三維動態(tài)可視化方法，以 提高對煤層頂板突水災(zāi)害發(fā)生過程的完整性表達。
[0005]基于上述目的，本發(fā)明提供的煤層頂板突水的三維動態(tài)可視化方法包括以下步 驟：
[0006]構(gòu)建礦區(qū)的數(shù)據(jù)集，所述數(shù)據(jù)集包括鉆孔、剖面、斷層、裙皺、DTM/DEM數(shù)據(jù)、遙感數(shù) 據(jù)、點云數(shù)據(jù)、含水層富水性、隔水層空間結(jié)構(gòu)、斷層導(dǎo)水情況、水文孔、以及相關(guān)的地質(zhì)圖、 地形圖、水文地質(zhì)圖、抽水試驗綜合成果圖、工程布置平面圖；
[0007] 根據(jù)所述數(shù)據(jù)集，構(gòu)建該礦區(qū)的3D地質(zhì)模型；
[0008]構(gòu)建該礦區(qū)的頂板突水條件綜合評價分區(qū)圖；
[0009]基于所述頂板突水條件綜合評價分區(qū)圖，確定煤層的擬開采區(qū)域、主巷道、工作面 以及突水點位置；
[0010] 在分析該礦區(qū)地下水流場特征點的基礎(chǔ)上，采用GMS地下水模擬系統(tǒng)，對含水層進 行參數(shù)分區(qū)，計算含水層每個節(jié)點在突水前和發(fā)生突水后各典型時段的水位，并獲得相關(guān) 時段的3D流線；
[0011] 對地層冒裂進行三維動態(tài)可視化模擬；
[0012] 對地下水流場進行三維動態(tài)可視化模擬。
[0013]在本發(fā)明的一些實施例中，所述構(gòu)建該礦區(qū)的頂板突水條件綜合評價分區(qū)圖的步 驟包括：
[0014] 1)計算含水層的厚度、單位涌水量、滲透系數(shù)、巖芯采取率和沖洗液消耗量，采用 層次分析法確定各多元地學(xué)信息在反映含水層富水性方面相對應(yīng)的權(quán)重值，從而形成頂板 含水層的富水性分區(qū)圖；
[0015] 2)根據(jù)所構(gòu)建的3D地質(zhì)模型，確定含水層地層到煤層頂板的高度H，根據(jù)開采煤層 的厚度計算冒落帶高度化、導(dǎo)水冒裂帶高度Hu，從而形成頂板冒裂安全性分區(qū)圖
[0016] 3)將頂板含水層富水性分區(qū)圖與頂板冒裂安全性分區(qū)圖疊加，從而得到頂板突水 條件綜合評價分區(qū)圖。
[0017] 在本發(fā)明的一些實施例中，所述步驟2)包括：
[0018] 根據(jù)所述3D地質(zhì)模型和數(shù)據(jù)集，計算并生成煤層頂板、煤層高度、冒落帶高度、導(dǎo) 水冒裂帶高度的空間分布模型；
[0019] 根據(jù)所構(gòu)建的3D地質(zhì)模型，確定含水層地層到煤層頂板的高度H，根據(jù)開采煤層的 厚度結(jié)合防治水規(guī)程的經(jīng)驗公式計算冒落帶高虔
、導(dǎo)水冒
裂帶高g 其中，Μ為煤層的有效采厚； ，
[0020] 如果Hu>H，那么該區(qū)域為冒裂安全分區(qū)圖的危險區(qū)；如果Hu〈H，那么該區(qū)域為冒 裂安全分區(qū)圖的相對安全區(qū)，從而形成頂板冒裂安全性分區(qū)圖。
[0021 ]在本發(fā)明的一些實施例中，所述步驟3)包括：
[0022] 在頂板冒裂安全性分區(qū)圖的結(jié)果上對確定為冒裂安全分區(qū)圖的相對安全區(qū)的區(qū) 域，依照頂板含水層富水性分區(qū)圖的富水性結(jié)果分為若干個級別，與頂板冒裂安全性分區(qū) 圖的危險區(qū)疊加形成頂板突水條件綜合評價分區(qū)圖。
[0023] 在本發(fā)明的一些實施例中，所述擬開采區(qū)域滿足以下條件:A)不發(fā)生突水、B)有水 進入采空區(qū)但無突水、C)發(fā)生突水。
[0024] 在本發(fā)明的一些實施例中，還包括構(gòu)建工作面縱剖面和工作面橫剖面的方法，具 體為：
[0025]利用交互式方法，經(jīng)過擬開采區(qū)域，以基于Z深度值的方法，采集一系列點集pi，p2,.. .pm，并形成一個開放曲面;使其與3D地質(zhì)模型中的所有地層進行切割操作，通過重構(gòu) 網(wǎng)格，構(gòu)成工作面縱/橫剖面模型。
[0026] 在本發(fā)明的一些實施例中，還包括：
[0027] 采用.net平臺提供的MFC方法構(gòu)建基礎(chǔ)軟環(huán)境，結(jié)合OpenGL圖形庫，通過定義類classCOpenGL:publicCGraBaseU，設(shè)置坐標(biāo)系、視窗、繪制參數(shù)、拾取、輔助隊列以及植 染參數(shù)，并在主調(diào)函數(shù)中定義COpenGL*p_Graphic，完成煤層頂板突水三維動態(tài)可視化場景 的構(gòu)建，再將鉆孔模型、地層模型、"三圖"、主巷道、擬開采區(qū)域、工作面、以及水位、流線模 型導(dǎo)入*p_Graphic所創(chuàng)建的場景中，并完成融合處理；
[0028]采用樹控件對所述模型進行分類管理；
[0029] 重構(gòu)已建立的冒裂帶，切割獲得其在工作面上的冒裂分布情況，結(jié)合樹控件中的 地層分支，依次與地質(zhì)模型中*L[i](i=l，...，6)所指向的地層網(wǎng)格進行布爾求交，并局部 重構(gòu)發(fā)生相交的網(wǎng)格單元；
[0030] 基于統(tǒng)計方法，在冒裂帶的影響區(qū)域內(nèi)分別插值離散點并進行剖分，冒落帶:接近 煤層的點密度略小于遠(yuǎn)離煤層的點密度，且冒落的傾向呈現(xiàn)拱形即上小下寬，形成一系列 不規(guī)則破碎塊體模型，記為V，以便實現(xiàn)實時破碎模擬;裂隙帶:接近冒落帶的點密度略大于 遠(yuǎn)離冒落帶的點密度，形成一系列凸殼斷裂體模型，記為F，并重構(gòu)相應(yīng)地層網(wǎng)格單元，裂縫 的寬度與煤層上覆巖體垮落的程度相關(guān)聯(lián)；
[0031 ] 在.net中定義定時器，通過OnTimerO事件啟動nIDEvent的1個/多個賦值，結(jié)合工 作面走向長度L，進行步長設(shè)置，令步長At=L/FN，F(xiàn)N為總幀數(shù);導(dǎo)入重構(gòu)動態(tài)幀，實現(xiàn)動態(tài) 演示功能。
[0032]在本發(fā)明的一些實施例中，所述對地層冒裂進行三維動態(tài)可視化模擬的步驟包 括：
[0033] 步驟a、設(shè)置模型V中的網(wǎng)格單元為活動單元，而其它與V單元相鄰的地層邊界均為 穩(wěn)定單元，構(gòu)建樹結(jié)構(gòu)來存儲管理這些單元；
[0034] 步驟b、伴隨著煤層的開采，按照所設(shè)置的步長At，選擇t時刻冒落帶受影響的相 關(guān)一系列單元體viGV，i<n，n為V中的單元個數(shù)，冒落傾向呈現(xiàn)拱形，以作為當(dāng)前跨落單 元；
[0035]步驟c、利用基于動力學(xué)的剛體碰撞檢測算法，進行群體移動時的快速碰撞檢測， 并通過重力和單元體間作用力分析，獲取單元速度，繼而可計算出節(jié)點的位移Axi,Ayi,A Zi，從而實現(xiàn)實時動態(tài)下落；
[0036] 步驟d、選擇裂隙帶內(nèi)受影響的關(guān)聯(lián)單元體fj￡F，j<m，m為F中的單元個數(shù)，通過 對相關(guān)單元體建立可斷裂約束，以形成裂縫；
[0037] 步驟e、當(dāng)前所有被選單元Vv,滿足終止條件時，如果開采進程長度小于L或尚未 達到突水點位置，則轉(zhuǎn)入步驟b，使得t+=At，繼續(xù)下一幀的操作;否則，冒裂過程結(jié)束。 [0038]在本發(fā)明的一些實施例中，所述對地下水流場進行三維動態(tài)可視化模擬的步驟包 括：
[0039] 煤層開采開始至突水前為第1階段，以AB工作面縱剖面為例，并通過設(shè)置 CRunPara*pRP中的pRP->alpha= 0.6 以及glBlendFunc(GL_SRC_ALPHA，GL_0NE_MINUS_SRC_ ALPHA)，將含水層設(shè)置為透明模式；
[0040] 在模擬開采過程中，測試當(dāng)前被選擇單元體Vi，
[0041] 如果VigZ2區(qū)域，冒落未影響到含水層，流線不改變流向，為第1種情況，沒有發(fā)生 突水；
[0042] 如果VleZ2區(qū)域，冒落抵達含水層，但含水層富水性較差，僅有少量地下水流入采 空區(qū)，為第2種情況，采空區(qū)雖有水流進入，但未發(fā)生突水；
[0043] 如果VleZ2區(qū)域，冒落抵達含水層，且含水層富水性較強，則發(fā)生突水，大量地下 水流入采空區(qū)，水位形成漏斗，為第3種情況，發(fā)生突水；
[0044] 突水發(fā)生后為第2階段，通過地下水模擬獲得突水后典型時段的水位，將水位重構(gòu) 為網(wǎng)格曲面，并進行等值線填充，利用不同的色彩反映水位的不同高度;之后，在突水點所 屬單元進行布點，采用逆向質(zhì)點跟蹤算法，得到一系