矿透明地质保障系统建设是智能化煤矿建设的重要组成部分。透明地质保障系 统建设的重点是综采工作面、掘进工作 面的地质构造透明化探测、动态监测、三维建模和地质预测预报等技术，以及可采煤层及其顶底板的 地质探测与隐蔽致灾分析。煤矿透明地质保障系统 在充分融合地质勘探、水文地质、工程地质、地球物理勘探等探测信息的基础上，结合水文、矿压等动态监测数据，构建地质数据库和分布式协同GIS系统，并建立矿井多尺度真三维精细地质模型，提供矿 井地质预测预报与地质条件分析，输出各类图件和分析成果，为智能化矿井建设提供精准的地质保障。
由于基础地质数据有限及沉积环境的复杂性，煤矿透明地质保障系统研究和应用集中在可采煤层和工作面局部精细化建模，全地层三维地质模型还比较少见，智能地质保障系统中的三维地质水文模型还不够完善。中国中煤能源集团有限公司大海则煤矿（简称大海则煤矿）水文地质条件比较复杂，为让现场技术人员更好地理解井下地质形态、 预测地质灾害、提高地质判断的准确度，实现采掘智能化，大海则煤矿透明地质保障系统提出复杂沉积地质条件下真三维全地层精细地质模型构建技术，将矿区三维地质模型、地下水环境模型进行融合，并将井下揭露获取的地质信息、主要充水含水层的水位（水压）、涌水量、水温等水文地质监测动态数据及时载入，构建全要素动态开放式矿井地质水文模型。全地层地质水文模型与透明工作面模型集成在一起，宏观透明矿井与局部精细化透明工作面相互嵌套，地质、测量、防治水工作人员可通 过三维模型获取最新的水文数据、图件、表格，最 终达到高精度透明矿井多维时空全要素地质信息系 统建设的目标。
研究区概况
大海则煤矿位于陕西省榆林市榆阳区西部，井田面积265.6312km2 。井田内可采煤层为2、3、4、 5、6、8、9号煤层，矿井设计生产能力15.0 Mt/a， 储量丰富，煤质优良。矿区地层区划隶属华北地 层区鄂尔多斯盆地分区东胜-环县小区，地层由老至新发育三叠系上统瓦窑堡组（T3W）、侏罗系中统 富县组（J2f）、侏罗系中统延安组（J2y）、侏罗系 中统直罗组（J2z）、侏罗系中统安定组（J2a）、 白垩系下统洛河组（K1I）、新近系上新统静乐组 （N2j）、第四系中更新统离石组（Q2l）和第四系全新 统（Q4）。与大海则井田煤炭资源开发水文地质 条件密切相关的中生代地层有侏罗统延安组、直罗 组和安定组。中生代地层发育较齐全、厚度大，研究区为陆相沉积，因此地层空间延续性差，岩性岩相复杂，煤层及含水层展布规律分析难度大。
三维地质-水文模型构建技术路线
根据地质钻孔、三维地震、测井等已知地质数据，通过全地层建模方法实现了地质-水文三维模型， 并开展了相关工程应用。技术路线如下（图1）：
（1）基础地质、水文地质分析
对地层架构、地层年代、沉积相、亚相及微 相等沉积建造、褶皱、断层、节理、层理、不整合等地质构造进行精细划分，充分利用并融合考虑地 层岩性、结构、沉积相等相关参数，重新对井田范 围内的地质体进行高分辨率层序地层、沉积相划 分，得到详细的地层层序。
图1 全地层地质建模流程
（2） 多源数据融合与数据入库
将收集的矿区工程地质、水文地质、钻探资料、测井资料、电法勘探数据、地震数据、矿建揭露数据及分析得出的沉积相、砂体、充水强度等基础地质、水文地质数据，通过预处理、分析、融合后，输入地质数据库中。
（3） 矿井全地层三维地质建模
利用地质数据库的数据，结合第一步的层序 地层编号、各个地层底板标高和地层厚度等数据， 结合编制的地质剖面图和煤层顶底板等值线图，采用TIN和似直三棱柱（ARTP）混合建模方法，进行三维地质模型构建，从地表到侏罗系底界的全部 地层三维地质模型。对全地层模型生成过程中出现 的地层、砂层和煤层交叉、穿越等不合理的数据进行自动调整。
（4） 矿井地质-水文地质模型构建
为了更加精细地刻画矿区水文特征，对煤层 顶板主要含水砂体（延安组、直罗组、洛河组厚度 大于5 m的地层）沉积相及其空间展布形态进行三 维建模，从而更加直观、立体地展现含、隔水层的 分布情况。通过建立的含水层充水强度分区评价指 标体系，根据层次分析法（AHP）确定的权重进 行叠加得到含水层充水强度分区数据。最后在三维地质模型中对地层水文地质数据进行赋值，采用坐 标匹配和属性插值算法，每个单元都得到充水强度 指数数据，从而得到完整的地质-水文三维模型。
（5） 地质-水文模型验证和应用
对地质-水文模型的充水强度动态可视化分区 成果进行验证和应用。针对回采工作面顶板水的 突水风险，结合采空区及进回风巷底板标高实测数 据，以构建的地质-水文模型为基础，对工作面涌 水量进行了预测，并对采空低洼积水区分布和积水 量进行可视化分析，为接续工作面掘进、采空区突水 超前治理提供靶区；为采掘工作面附近强富水区进行定点疏放提供靶区，为水害治理提供可靠依据。
三维地质-水文模型关键技术
在构建三维地质-水文模型过程中，充分利用 高分辨率层序地层等时格架建立技术、三维全地层 建模技术、充水强度分区可视化技术等，实现水文 地质多源数据的集成，最终构建了全地层三维地质- 水文模型。
高分辨率层序地层等时格架建立技术
岩性地层对比是矿井地质工作的首要问题。典型的岩性地层对比，只要钻孔间岩性相同（如砂岩对砂岩，泥岩对泥岩）或测井曲线特征相似、标高相近，就视为同一层，但是勘探实践证明实际沉 积情况并非如此简单。两钻孔之间标高相近的砂岩有可能是不同时期沉积形成的。应用高分辨率层序地层学中基准面旋回对比（沉积成因地层对比理论），能够在最大程度上保证砂体联通的正确性。 根据该理论，综合运用地质与地球物理资料，通过 区域性不整合面、底部冲刷侵蚀面、砂体特征、沉 积旋回的关联性分析，依托多重地层划分和井间精 细对比，对地层和砂体进行重新划分和连接，将侏罗系划分为中侏罗统延安组、直罗组、安定组。在 大海则煤矿6个剖面对比的基础上，以中期旋回为 基本对比单元建立了延安组三段、直罗组一段、直罗组二段、安定组的层序地层格架。
按基准面旋回级别划分层序和层序命名的原则，提出同时考虑界面性质、界面级别、层序结构 和叠加样式的长期、中期、短期3个级别的层序地层划分方案，对大海则煤矿211 口钻井侏罗系目的层位进行了系统的划分，共划分出3个长期旋回、5个中期旋回和多个短期旋回，见表1。
透明矿井三维地质模型构建技术
地质数据库管理了矿井地质工作所需要的全部钻孔、测井、剖面、断层等资料，为透明化三维地质模型提供基础数据。三维地质建模是指基于 勘探线工程数据绘制剖面图和平面图，采用三角网、六面体或者棱柱体元构建的地质结构模型和属 性模型。水文地质工程往往利用GMS（Groundwater Modeling System）, MODFLOW （Modular Three-Dimensional Groundwater Flow Model ）等国外软 件构建煤层顶板三维水文地质结构模型用于可视化。本次研究采用三维地质建模技术，根据地质、 水文地质分析研究结果，将沉积相、沉积旋回、测 井曲线、钻孔资料、地震资料、充水强度分区评价 指标等数据存入地质数据库中，建立统一的数据库 标准，为模型构建提供基础资料，运用TIN和似直三棱柱（ARTP）混合模型技术构建了井田全地层 透明地质模型，弥补了以往仅构建几个关键煤层或 地层的技术局限性。
在构建透明矿井三维地质模型算法中，其难点在于对各个地层、煤层、含水层模型进行一致性检查和自动化编辑，从而形成自上而下的全地层模型。实际上，煤层模型、含水层在初始建模后仍然 存在很多不协调，例如地层界面穿插、高程或属性 插值异常等，生成的地质模型往往不符合地质规律。出现这类问题需要地质人员在二维平、剖面图 之间反复编辑等高线及插值出的控制点，协调多 个地层数据的数据，工作量庞大。本文通过全自 动三维建模算法，对不符合地质规律的位置进行自动判断和数据调整，从而完成对模型的动态修 正，最终形成了地质规律协调的全地层地质-水文 地质模型。具体做法：通过给定钻孔数据标定，采用“点”数据对“体”层位进行校正，再以校正后的精细地层框架为基础，基于地质统计学插值对地 层控制数据进行位置调整，自动调整地层穿层、插 值异常等数据错误，最终形成地层协调一致的地质 模型。建模后的各个地层三维可视化效果如图2所示。全地层建模算法加载六大组（地表、第四系、 洛河组、安定组、直罗组二段、直罗组一段、延安 组三段）后，自动进行建模。提供了距离幂次反比法、克里格法等、隐式势场插值方法等地质统计学插值方法。
结合钻探与地球物理实测验证，对沉积层 位、砂体特征、沉积旋回进行关联分析、精细对比，展现侏罗系延安组三段、直罗一组、直罗二 组、安定组中的砂岩层空间关系（图3），合计完 成含水层砂体模型42层。
图2全地层三维地质模型建模效果图
图3安定组、直罗组、延安组砂岩模型
地质-水文模型地质构建技术
“透明矿井三维地质模型构建技术”步骤的 模型仅构建了地质模型的几何特征，为进一步了解 矿区水文地质特征，在全地质模型构建基础上需要建立更为精细的含水层三维水文地质模型和属性 数据，直观、立体地展现含、隔水层的分布情况。 大海则井田中侏罗统延安组三段至地表范围内的6 个地层组内沉积了多层含水层，均为细砂级以上的 砂岩，这些砂体上下叠置、横向交错，不同砂体之 间局部发生水力联系构成了 1个半开启型水文地质 系统。通过高分辨率层序地层格架的建立，可以获 得短期基准面旋回内超短期、甚至更短期地层的分 层数据以及不同级次基准面旋回内砂层厚度值，用 以建立不同级次基准面旋回中砂层数据库。在此基 础上，根据不同级次砂层厚度、砂体底板标高数据 结合地质模型构建技术，建立不同级次基准面旋回 内砂体的空间展布三维模型。
由于砂体不是连续展布，在数据库录入地层 层序时，为防止模型中砂体出现穿层错误，提出了极小值处理办法，即砂体按照从下到上的顺序编 号，侧向连接中尖灭的砂体厚度单独赋予极小值。 在给出各砂岩含水层编码后（图4），根据数据库 自动绘制的剖面，剖面上的层序为中期旋回编码， 从上到下深蓝色为直罗组二段砂岩MSC4,淡蓝色 为直罗组一段砂岩MSC3，绿色为延安组三段的砂 岩MSC2和MSC1，在每个中期旋回内又分别识别 出若干砂层，按沉积先后顺序以乳Sn（n=1，2，3, …）编号并入库，后期自动成图时按照砂层编号自 动连接，避免了砂体联通混乱的情况。大海则煤矿 延安组三段砂岩含水层三维模型成果展示如图4所 示，黄色代表砂体含水层，深蓝色、浅蓝色、绿色 分别代表直罗组二段、直罗组一段和延安组三段， 黑色代表煤层。大海则煤矿中侏罗统延安组三段含 水层空间展布模型如图5所示。
图4 通过地质数据库自动生成水文地质剖面
图5 大海则煤矿中侏罗统延安组三段含水层空间展布模型
矿井充水强度分区计算
为充分体现大海则矿区含水层特征，需要进 一步将地质模型与充水强度属性进行集成可视化展 示。笔者提出基于沉积控水规律的煤层顶板充水强 度分区评价方法，主要思想是从岩性特征、水力特 征、开采特征3个方面建立1套相对系统的煤矿充 水含水层充水强度分区评价指标体系。主要方法： 在充分研究大海则煤矿的地质和水文地质条件基础 上，结合钻探和抽水试验结果，选取了 5个综合评 价因素，包括含水层厚度、沉积环境量化指数、岩 心采取率、渗透系数、含水层采动破坏指数。将各 指标数据归一化，并建立各因素属性数据库，根据 层次分析法（AHP）确定的权重进行叠加得到含 水层充水强度分区数据，将数据与三维水文地质模 型的网格单元进行坐标匹配、数据插值和属性赋 值，使每个含水层任意位置均具有水文特征参数， 可任意生成充水强度分区三维模型。大海则煤矿水 文地质评价模型构建原理如图6所示。通过AHP计 算的控制因素权重如图7所示，基于自然间断点分 区法建立大海则煤矿2煤顶板充水强度分区评价平面图。
图6充水强度分区评价模型原理
图7大海则煤矿2煤顶板充水强度分区评价平面图
地层三维地质模型现场应用
大海则煤矿透明矿井全地层地质-水文建模主 要服务于现场矿井地质日常工作，建立了完整的地 质数据库，录入钻孔270个，钻孔综合资料10 903 条，沉积相数据13 664条，旋回数据1 028条，测 井曲线资料225个，水文钻孔232个，包含渗透系 数、单位涌水量、天然容重、干容重、密度、含水 率、孔隙率10 912条数据。从数据库中自动提取数据，完成砂岩20层、泥岩21层、地层6层、煤层2 层，共计49层地层建模。
大海则煤矿首采区为20101工作面，工作面充水强度预测情况如图8所示，可以看出该工作面开 切眼附近、推采进尺1 800 m附近充水强度较大， 在推采进尺1 000 m左右及终采线附近充水强度较 小，其中回风巷、运输巷及工作面中部的充水强度 指数与推采进尺的关系图可以明显看出上述趋势， 如图9所示，充水情况预测结果代表了在导水裂隙 带发育高度达到预期值以后工作面涌水量的变化情况。
图8大海则煤矿20101工作面充水强度指数分布
图9 大海则煤矿20101工作面充水强度指数随推采进尺变化
为验证上述充水强度评价结果的准确性，对 20101工作面推采过程中涌水量观测数据进行了统 计分析，如图10所示。其中疏放水量受人为干扰 较大，而工作面涌水量能够代表上覆含水层对工作 面的实际充水情况，因此以下仅对工作面涌水变化 情况进行分析。推采进尺600 m以内由于覆岩破坏 高度逐渐增大，工作面涌水量逐渐增大，当覆岩破 坏高度趋于稳定以后，涌水与充水强度预测指数 分布情况较为一致，600〜1 100 m内涌水量逐渐减 少，1 100〜1 800 m内涌水量逐渐增大，之后逐渐 减少，涌水量变化趋势与充水情况基本一致，很好 地验证了充水情况评价预测结果的可靠性。利用综 合评价图和三维突水风险分区模型，确定了富水区靶区，提前1个月开始按预测涌水量进行疏排（图 11）。同时，根据充水强度预测结果可以预见， 20101工作面在推采进尺2 000 m以后工作面涌水量 整体将呈下降趋势。
图10 大海则煤矿20101工作面涌水量随推采进尺变化曲线
图11 现场疏放水场景
总的来说，20101X作面含水层突水风险评价图与实际开采情况较为吻合。水文地质模型中充水 强度数据三维渲染和查询结果如图12所示，图中 展示了透明工作面地质模型，在工作面上表示出了 煤厚表薄区、冲刷带、断层以及地质异常体等位 置，也可以从巷道进行虚拟钻孔分析，了解工作面 顶底板岩层情况。
图12 大海则煤矿20101工作面地质模型（蓝色为富水区位置）
此外，针对当前大海则智能地质保障的现场 需求，在三维地质水文模型基础上，研发了大海则 煤矿透明地质保障系统，该系统实现了基于三维地 质模型的地质分析和水文预测预报，以及煤层间距自动计算与圈定、涌水量预测计算、矿震能量指数 分析、储量计算、虚拟钻孔、地质异常体空间预警 分析、地层和巷道模型的一体化任意线剖切等功 能，能够完成矿井工作面开采过程中所需各类地质 和水文数据的实时查询、涌水量预测、异常区空间 预警。大海则煤矿透明地质保障系统自上线部署以 来，各项功能运行稳定，能够满足智能化综采地 质、水文、矿压分析和灾害超前预测的需要，达到 指导生产疏放水的目的，在实际生产中应用效果较 好。为智能矿山安全生产、地测保障、智能开采、 智能管控等提供地质数据集成与应用，提高了智能 化煤矿持续安全生产的综合地质保障能力。
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