【背景】由于煤层顶板突水灾害具有突发性、模糊性和不确定性等特征，现有技术方法缺乏对突水灾害发生过程的表达，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。武强院士团队基于“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。

 

　　矿区的地质情况通常非常复杂，通过勘查工作，获取相关样本，查明构造及煤层分布，分析水文地质条件，并提供可开采地段及可采煤层资源量等信息，在三维动态可视化的展示平台上，进行煤层顶板突水预测分析。总体设计如下图所示，其具体方法及步骤如下：

 

 

　　(1) 从矿区获得样本，通过数字化处理，构建相应的数据集。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、以及各类相关的地质图、地形图、水文地质图、抽水试验综合成果图、工程布置平面图等。

 

　　(2) 利用上述数据，采用多源数据集成的思想方法，构建包括含水层、断层等3D地质模型。

 

　　(3) 构建顶板含水层富水性分区图、顶板冒裂安全性分区图、及顶板突水条件综合评价分区图——“三图”，为后期模拟开采区域的选择奠定基础。

 

　　(4) 基于所构建的“三图”，设计确定煤层开采模拟区域及突水点位置的各种候选方案，使其尽可能满足以下3种条件：不发生突水;有水进入采空区但无突水;发生突水。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性。

 

　　(5) 采用GMS等地下水模拟系统，针对上述候选方案，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。在此基础上，采用质点跟踪算法，获得相关时段的3D流线，进行煤层顶板突水预测分析。

 

　　(6) 进行三维动态可视化预处理，完成煤层顶板突水三维动态可视化场景的建立，实现垮裂带与地层网格的布尔求交运算，对获得的3D影响区域插值离散点并重构破裂地层的相关网格单元。

 

　　(7) 构建树结构来存储管理3D影响区域内的活动/稳定单元，在煤层开采过程中，按照一定的步长，选择垮裂带相关的一系列单元，采用群体移动快速碰撞检测和单元受力分析，进行受限空间的刚体碰撞检测响应，以此计算出节点的位移;同时，对相关单元体建立可断裂约束，实现断裂动态模拟。

 

　　(8) 在煤层开采过程中，将地下水流场模拟分为突水前和突水发生后2个阶段，并通过测试当前被选择单元，分类为没有发生突水、采空区虽有水流进入但未发生突水、以及发生突水3种情况。利用水文地质资料对模拟结果的空间分布进行检验，并对各种候选方案进行评价，提供辅助决策信息，指导矿区的煤层开采工作。

 

文章来源：武强，徐华，赵颖旺，等.基于“三图法”煤层顶板突水动态可视化预测[J].煤炭学报,2016,41(12):2968-2974. （转载请标明出处）