CN105427376A - 煤层顶板突水的三维动态可视化方法 - Google Patents

Abstract

本发明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。

Description

煤层顶板突水的三维动态可视化方法

技术领域

本发明涉及三维地质建模技术领域，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。

背景技术

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。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种煤层顶板突水的三维动态可视化方法，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，本发明提供的煤层顶板突水的三维动态可视化方法包括以下步骤：

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***，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。

在本发明的一些实施例中，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H_m、导水冒裂带高度H_1i，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。

在本发明的一些实施例中，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度 $H_m=\frac{100M}{0.49M+19.12}\±4.71,$ 导水冒裂带高度 $H_{1i}=\frac{100M}{0.26M+6.88}\±11.49,$ 其中，M为煤层的有效采厚；

如果H_1i>H，那么该区域为冒裂安全分区图的危险区；如果H_1i<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。

在本发明的一些实施例中，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。

在本发明的一些实施例中，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。

在本发明的一些实施例中，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p1,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。

在本发明的一些实施例中，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:publicCGraBase{}，设置坐标系、视窗、绘制参数、拾取、辅助队列以及渲染参数，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](i＝1,...,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OnTimer()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Δt＝L/FN，FN为总帧数；导入重构动态帧，实现动态演示功能。

在本发明的一些实施例中，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Δt，选择t时刻冒落带受影响的相关一系列单元体v_i∈V，i≤n,n为V中的单元个数，冒落倾向呈现拱形，以作为当前垮落单元；

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Δx_i,Δy_i,Δz_i，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f_j∈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+＝Δt，继续下一帧的操作；否则，冒裂过程结束。

在本发明的一些实施例中，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_ONE_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v_i，

如果区域，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v_i∈Z2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v_i∈Z2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，通过地下水模拟获得突水后典型时段的水位，将水位重构为网格曲面，并进行等值线填充，利用不同的色彩反映水位的不同高度；之后，在突水点所属单元进行布点，采用逆向质点跟踪算法，得到一系列流线的空间分布数据，最终实现煤层顶板突水三维动态可视化功能；

利用该矿区的水文地质资料对流线的空间分布进行检验。

发明人提出了解决煤层顶板涌(突)水灾害定量评价的“三图-双预测法”，即顶板直接充水含水层的富水性分区图、顶板冒落安全性分区图、顶板涌(突)水条件综合分区图及回采工作面整体和分段工程涌水量预测、顶板直接充水含水层采前预疏放方案预测，其中涌(突)水条件综合分区图由富水性和冒落安全性分区图复合叠加而成。随着科学可视化技术的发展，国内外学者一直致力于地下水模拟与可视化研究，研发了MODFLOW模拟***、利用ε-machines可视化方法描述流体、基于Surface的流可视化、以及非稳定地下水流的直观可视化。

本发明的有益效果是：

1)本发明首次基于"三图法"，结合地下水模拟和科学可视化技术，设计了煤层顶板突水三维动态可视化的总体实现流程。从矿区获取实际数据集，经过3D地质模型及“三图”构建，设计确定煤层开采模拟区域及突水点位置，通过地下水模拟、三维动态可视化预处理，实现冒裂以及地下水流场的动态模拟。

2)基于所构建的“三图”，通过主巷道、拟开采区域、工作面以及突水点位置的规划设计各种候选方案，以期能够真实反映煤层开采过程中可能发生的各种实际复杂情况，并在3D空间展示其相互关联，进行煤层开采及突水模拟分析和预测，降低企业的人力和物力成本，减少实际采矿工程的风险。

3)通过煤层顶板突水三维动态可视化场景的建立、冒裂带与地层网格的布尔求交运算、以及对3D影响区域的破裂重构，实现三维动态可视化预处理。简化网格操作，减少模拟过程中的处理时间，增强实时性，适应企业软硬件环境配置要求，为在煤层开采模拟过程中实现冒裂的实时动态模拟奠定基础。

4)本发明所提出的关于冒裂及地下水流场的动态模拟方法，不仅提供了一个了解和分析预测煤层顶板突水过程的崭新平台，而且可以推广到地下工程灾害、地面塌陷、地下水以及相关领域的动态模拟分析预测应用中。

因此，本发明首次基于"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。

附图说明

图1为本发明实施例的煤层顶板突水的三维动态可视化方法的流程示意图；

图2为本发明实施例的矿区钻孔、地层、断层的部分数据及其关系；

图3a、3b分别为本发明实施例的矿区含水层模型和包含部分断层模型；

图4a、4b、4c和4d分别为本发明实施例的煤层顶板、煤层高度、冒落带高度、导水冒裂带高度的空间分布模型；

图5a、5b分别为冒落带和裂隙带顶界面的曲面图，图5c、5d分别为冒落带与K1含水层底板、Z2含水层顶板的分布关系图，图5e、5f分别为裂隙带与K1含水层底板、Z2含水层顶板的分布关系图；

图6a、6d分别为K1、Z2含水层的顶板含水层富水性分区图，图6b、6e分别为K1、Z2含水层的顶板冒裂安全性分区图，图6c、6f分别为K1、Z2含水层的顶板突水条件综合评价分区图；

图7a、图7b分别为煤层开采过程模拟的一个设计方案及其在3D空间的关联关系；

图8为本发明实施例的某时段3D流线分布示意图；

图9a为本发明实施例的工作面上的冒裂分布情况示意图，图9b为地层网格进行布尔求交的示意图，图9c为地层网格局部重构发生相交的网格单元交示意图；

图10a为冒落未影响到含水层，流线不改变流向的地下水流场模拟图，图10b为冒落抵达含水层，但含水层富水性较差的地下水流场模拟图，图10c为冒落抵达含水层，但含水层富水性较强的地下水流场模拟图；

图11为本发明实施例煤层顶板突水的三维动态可视化示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明实现的环境包括硬件环境和软件环境：

硬件环境包括三维地震勘探设备、水文钻孔、传统测量设备、电子测量设备、GPS、激光扫描仪、高性能PC、服务器。

软件环境包括地下水模拟***、地理信息***、.net平台和OpenGL图形库。

参照附图1，为本发明提供的煤层顶板突水的三维动态可视化方法的流程示意图。作为本发明的一个实施例，所述煤层顶板突水的三维动态可视化方法可以包括：

步骤101：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。矿区的相对范围为(minX:1648，minY:659)和(maxX:13227，maxY:12441)。

以位于内蒙古自治区中西部的一个矿区为例，该矿区地处鄂尔多斯盆地西缘，属于鄂尔多斯高原西缘地下水分区，地下水的形成与分布受自然地理及地质条件控制，呈现出西北地区特有的干旱、半干旱区的水文地质特征。依据含水介质的空隙形式、地下水的赋存条件和水力性质，可划分为松散岩类孔隙水和碎屑岩类孔隙裂隙水。将矿区地层划分为白垩含水层(K1)、白垩弱透水层、直罗含水层(Z2)、直罗弱透水层、煤层共5层。从该矿区采集数据，然后通过数字化处理，构建相应的数据集，并将其存储在数据库中。图2示出了该区钻孔、地层、断层的部分数据及其关系。

步骤102：根据步骤101获得的数据集，构建该矿区的3D地质模型。较佳地，所述3D地质模型主要包括含水层模型(如图3a所示)和部分断层模型(如图3b所示)。需要说明的是，图3a由上至下依次为白垩含水层(K1)、白垩弱透水层、直罗含水层(Z2)、直罗弱透水层、煤层。

较佳地，可以采用多源数据集成的思想方法构建矿区的3D地质模型。多源数据集成的思想方法主要是通过将数据归一化，消除噪声、不一致性和不确定性，为了保持含水层、水位、流线的边界一致性，含水层建立时以参数分区为边界，使得来自多源的数据可靠且可用。

步骤103：构建该矿区的顶板含水层富水性分区图、顶板冒裂安全性分区图以及顶板突水条件综合评价分区图。即构建“三图”，为后期模拟开采区域的选择奠定基础。

具体地，在本发明的一个较佳实施例中，该步骤103主要包括以下步骤：

步骤301：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，形成顶板含水层的富水性分区图，如图6a和图6d所示。其中，图6a为白垩含水层(K1)的顶板含水层富水性分区图，图6d为直罗含水层(Z2)的顶板含水层富水性分区图。

在本发明的实施例中，顶板含水层的富水性分区采用了多元地学信息的复合叠加，确定对顶板含水层富水性有影响的地质因素，在建立充水含水层的厚度、单位涌水量、渗透系数、岩芯采取率、冲洗液消耗量五个地学信息专题库与图的基础上，结合地理信息***的空间分析功能，运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，根据专题图归一化后的数值与对应的权重值相乘后叠加形成顶板含水层富水性分区图。

步骤302：根据所述3D地质模型和数据集，计算并生成煤层顶板(图4a)、煤层高度(图4b)、冒落带高度(图4c)、导水冒裂带高度(图4d)的空间分布模型，图4a-4d中的单位均为米。

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度H_m、导水冒裂带高度H_1i。结合开采矿区的情况，以岩石硬度为中硬度岩石为例，则有：

冒落带高度的计算公式为：

$H_m=\frac{100M}{0.49M+19.12}\&PlusMinus;4.71---\left(1\right)$

导水冒裂带高度的计算公式为：

$H_{1i}=\frac{100M}{0.26M+6.88}\&PlusMinus;11.49---\left(2\right)$

其中，M为煤层的有效采厚，单位为米。

如果H_1i>H，那么该区域为冒裂安全分区图的危险区；如果H_1i<H，那么该区域为冒裂安全分区图的相对安全区，形成顶板冒裂安全性分区图。

利用公式(1)、(2)，对3D地质模型中的节点进行计算，并重构该矿区的冒落带(图5a)和裂隙带(图5b)顶界面的曲面，进而刻画他们与含水层之前的空间分布关系。图5c为冒落带与K1含水层底板的分布关系图，图5d为冒落带与Z2含水层顶板的分布关系图，图5e为裂隙带与K1含水层底板的分布关系图，图5f为裂隙带与Z2含水层底板的分布关系图，从而形成顶板冒裂安全性分区图，如图6b和图6e所示。其中，图6b为K1含水层的顶板冒裂安全性分区图，图6e为Z2含水层的顶板冒裂安全性分区图。

步骤303：分别将白垩含水层的顶板含水层富水性分区图(图6a)和白垩含水层的顶板冒裂安全性分区图(图6b)叠加、将直罗含水层的顶板含水层富水性分区图(图6d)和直罗含水层的顶板冒裂安全性分区图(图6e)叠加，形成白垩含水层和直罗含水层的顶板突水条件综合评价分区图，如图6c和图6f所示。

具体地，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。

步骤104：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，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。

具体地，如图7a所示，根据顶板突水条件综合评价分区图，可以设计一条主巷道、一个拟开采区域和一个工作面、以及一个预测的突水点位置。在本实施例中，突水点位置为X:5535，Y:3360，Z:1020，AB为经过拟开采区域建立的一个工作面纵剖面模型，并在3D空间展示其相互关联关系，如图7b所示。使其能够真实反映煤层开采过程中可能发生的各种实际复杂情况，并在3D空间展示其相互关联。

可选地，可以通过基于煤层顶板交互式设计主巷道线路或数据库导入相关数据，再针对煤层相关的地层，进行巷道开挖操作，以形成3D主巷道模型。可以通过导入shp文件或交互式设计，形成多边形区域作为拟开采区域。

为了便于地质工作者观察煤层开采及突水发生过程，本发明提供了构建工作面纵剖面和工作面横剖面的方法，主要方法为：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p1,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。

步骤105：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***，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。

具体地，针对图7所示设计方案，对含水层进行参数分区，并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，参见表1(单位为米)。在此基础上，采用质点跟踪算法，获得相关时段的3D流线，表2为对应表1所述时段的部分流线数据，该时段的3D流线跟踪结果如图8所示。表3主要记录某时段T_i时对应的水位和流线数据，便于进行煤层顶板突水预测分析。

步骤106：在实现三维动态可视化之前，需要完成预处理操作。具体步骤如下：

步骤601：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:publicCGraBase{}，设置坐标系、视窗、绘制参数、拾取、辅助队列以及渲染参数，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。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。

采用树控件对这些模型进行分类管理，表4为该矿区部分分类信息，其中，水位可以设置为等值线，且透明显示。

表4.树控件

步骤602：利用通过计算及重构已建立的冒裂带(图5)，可以切割获得其在工作面AB上的冒裂分布情况(图9a)。结合树控件中的地层分支，依次与地质模型中*L[i](i＝1,...,6)(L[6]为基层)所指向的地层网格进行布尔求交(图9b)，并局部重构发生相交的网格单元(图9c)，其中，图9b和9c中的下部网格单元即构成了冒落带与地层L[3]的部分影响区域。

步骤603：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。

步骤604：在.net中定义定时器，通过OnTimer()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，如步长Δt＝L/FN，FN为总帧数。这里，步长越小，动态显示效果越逼真，但需要兼顾支撑可视化场景的硬、软件环境。导入重构动态帧，实现动态演示功能。

步骤107：对地层冒裂进行三维动态可视化模拟，实现步骤如下：

步骤701：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。从Ω区域的北端(图7)开始模拟开采煤层，设时间t＝0为初值。

步骤702：伴随着煤层的开采，按照所设置的步长Δt，选择t时刻冒落带受影响的相关一系列单元体v_i∈V(i≤n,n为V中的单元个数)，冒落倾向呈现拱形，以作为当前垮落单元。

步骤703：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(Δx_i,Δy_i,Δz_i)，从而实现实时动态下落。

步骤704：选择裂隙带内受影响的关联单元体f_j∈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705：当前所有被选单元满足终止条件时，如果开采进程长度小于L或尚未达到突水点位置(图10(b))，则转入步骤702，使得t+＝Δt，继续下一帧的操作；否则，冒裂过程结束(图10(c))。

步骤108.对地下水流场进行三维动态可视化模拟。地下水流场模拟分为2个阶段、3种情况，具体步骤如下：

步骤801.煤层开采开始至突水前为第1阶段。为了便于观察，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_ONE_MINUS_SRC_ALPHA)，将含水层K1、Z2设置为透明模式。

步骤802：在模拟开采过程中，测试当前被选择单元体v_i，

如果区域，冒落未影响到含水层，流线不改变流向(图10a)，为第1种情况，没有发生突水；

如果v_i∈Z2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(流线)流入采空区(图10b)，为第2种情况，采空区虽有水流进入，但未发生突水；

如果v_i∈Z2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(流线)流入采空区，水位形成漏斗(图10c)，为第3种情况，发生突水。

步骤803：突水发生后为第2阶段。通过地下水模拟获得突水后典型时段的水位，将水位重构为网格曲面，并进行等值线填充，利用不同的色彩反映水位的不同高度；之后，在突水点所属单元进行布点，采用逆向质点跟踪算法，得到一系列流线的空间分布数据。在步骤604所设置的环境中，最终实现煤层顶板突水三维动态可视化功能，如图11所示。

步骤804：利用本区水文地质资料对流线的空间分布进行检验，获得的流线能够清晰地描述地下水运动规律且有效地揭示地质特征点对地下水径流的控制作用。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一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***，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。

2.根据权利要求1所述的煤层顶板突水的三维动态可视化方法，其特征在于，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H_m、导水冒裂带高度H_1i，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。

3.根据权利要求2所述的煤层顶板突水的三维动态可视化方法，其特征在于，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度 $H_m=\frac{100M}{0.49M+19.12}\&PlusMinus;4.71,$ 导水冒裂带高度 $H_{1i}=\frac{100M}{0.26M+6.88}\&PlusMinus;11.49,$ 其中，M为煤层的有效采厚；

如果H_1i>H，那么该区域为冒裂安全分区图的危险区；如果H_1i<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。

4.根据权利要求2所述的煤层顶板突水的三维动态可视化方法，其特征在于，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。

5.根据权利要求1所述的煤层顶板突水的三维动态可视化方法，其特征在于，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。

6.根据权利要求1所述的煤层顶板突水的三维动态可视化方法，其特征在于，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p1,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。

7.根据权利要求1所述的煤层顶板突水的三维动态可视化方法，其特征在于，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:publicCGraBase{}，设置坐标系、视窗、绘制参数、拾取、辅助队列以及渲染参数，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](i＝1,...,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OnTimer()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Δt＝L/FN，FN为总帧数；导入重构动态帧，实现动态演示功能。

8.根据权利要求7所述的煤层顶板突水的三维动态可视化方法，其特征在于，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Δt，选择t时刻冒落带受影响的相关一系列单元体v_i∈V，i≤n,n为V中的单元个数，冒落倾向呈现拱形，以作为当前垮落单元；

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Δx_i,Δy_i,Δz_i，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f_j∈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+＝Δt，继续下一帧的操作；否则，冒裂过程结束。

9.根据权利要求7所述的煤层顶板突水的三维动态可视化方法，其特征在于，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_ONE_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v_i，

如果区域，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v_i∈Z2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v_i∈Z2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，通过地下水模拟获得突水后典型时段的水位，将水位重构为网格曲面，并进行等值线填充，利用不同的色彩反映水位的不同高度；之后，在突水点所属单元进行布点，采用逆向质点跟踪算法，得到一系列流线的空间分布数据，最终实现煤层顶板突水三维动态可视化功能；

利用该矿区的水文地质资料对流线的空间分布进行检验。