4D_GIS透明地质技术 地质透明化

探测煤矿智能化综采工作面三维构造的物探方法有哪些？

目前，国内煤矿矿井物探方法中，探测采煤工作面地质构造的物探方法有：地震槽波、无线电波透视、探地雷达、瑞雷波及矿井地震全波形反演技术。

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地震槽波、无线电波透视、探地雷达、瑞雷波技术是常规的采煤工作面地质构造探测技术，其中，探测深度最大且探测精度较高的是地震槽波技术。

地震全波形反演技术是北京中矿大地研发的一种新的矿井物探技术，对采煤工作面的地质构造识别精度高于其它物探方法，被中国煤炭协会鉴定为国际领先水平。

地震全波形反演（FWI）是一种高精度、高分辨率的地下介质物性参数反演方法。由于FWI利用了地震记录中全部的运动学和动力学信息，因而具有精细刻画复杂地质构造的能力，适合于对地层进行透明三维地质成像。

基于地震全波形反演成果，结合钻孔、巷道实测素描等多源数据融合分析，可以构建综采工作面精准静态三维地质模型，实现综采工作面地质透明化，为智能煤矿透明地质保障系统提供技术支撑。

地质信息系统技术

一、内容概述

地质信息系统（GIS），产生于20 世纪60 年代。它随着人们对自然资源和环境的规划管理工作的需要以及计算机制图技术的应用而诞生，是一种对大批量空间数据采集、存储、管理、检索、处理和综合分析并以多种形式输出结果的计算机系统。1965 年，W.L.Garrison首先提出了“地质信息系统”这一术语，开创了这一新技术的发展史。此后，美国、加拿大、英国、澳大利亚等国均投入了大量人力、物力和财力，并逐步确立了他们在这一领域里的国际领先地位（黄润秋，2001）。

二、应用范围及应用实例

1.GIS技术在地质灾害信息系统中的应用

随着人口的急剧增长，经济的迅速发展和自然资源的大量消耗，不仅生态环境恶化，而且导致自然灾害（包括地质灾害）频繁发生。美国、印度等国是世界上地质灾害较为严重的国家，地质灾害具有类型多、分布广和成灾强度高的特点。这些地质灾害大部分发生在承灾能力较低的地区，给当地的经济和社会稳定构成了严重的威胁。地质灾害是地质环境质量低劣的表现，它的频发不仅反映了自然地质环境的脆弱性，而且反映了人类工程经济活动与地质环境间矛盾的激化。要使人类工程经济活动与地质环境之间保持较为协调的关系，就必须对地质环境进行评价，以了解不同经济发展过程中区域地质环境的基本态势和变化趋势，为环境管理和城市规划等提供依据，但传统技术手段已不能完全应付迅速反应的地质灾害。地质信息系统作为当前高科技发展的产物，集图形、图像与属性数据管理、处理、分析、输入输出等功能为一体，应是当前地质环境评价与地质灾害预测的强有力工具（赵金平等，2004）。

GIS 技术的产生是计算机技术和信息化发展的共同产物。是管理和研究空间数据的技术系统。可以迅速地获取满足应用需要的信息，能以地图、图形或数据的形式表示处理的结果（曹修定等，2007）。国外尤其是发达国家在GIS应用与地质灾害研究方面已做了很多工作。从20世纪60年代至今，GIS技术的应用也从数据管理、多源数据集数字化输入和绘图输出，到DEM或DTM模型的使用，到GIS结合灾害评价模型的扩展分析，到GIS与决策支持系统（DSS）的集成，到网络GIS，逐步发展深入应用（黄润秋，2001）。

印度Roorkee大学地球科学系的R.P.Gupta和B.C.Joshi（1990）用GIS方法对喜马拉雅山麓的Ramganga Catchment地区进行滑坡灾害危险性分带。该项研究基于多源数据集，如航空像片、MSS磁带数据、MSS图像、假彩色合成图像及各种野外数据，包括地质、构造、地形、土地利用及滑坡分布。以上数据需要进行数字、图像等处理，然后解译绘制出专题平面图，包括地质图（岩性与构造）、滑坡分布图、土地利用图等。这些图件经数字化及有关数据都存储在GIS系统中，找出与滑坡灾害评价相关的因素，如滑坡活动与岩性的关系，滑坡活动与土地利用的关系，不同斜坡类型的滑坡分布情况，滑坡分布与主要断裂带的距离关系。经过统计及经验分析，引入一个滑坡危险系数（LNRF）。LNRF值越大，表示该地滑坡灾害发生的危险性越高。并且对LNRF的3个危险级别分别赋予0、1、2三个权重。考虑到滑坡的发生是多个因素综合作用的结果，故调用GIS的叠加分类模型，将各因素的权重叠加，得到综合图件，图上反映的是每个地区的权重总和。根据给定标准，即可在这张图上勾绘出滑坡灾害危险性分区图。

荷兰ITC的C.J.Van Westen和哥伦比亚IGAC的J.B.Alzate Bonilla（1990）基于GIS对山区地质灾害进行分析。他们在数据采集、整理方面做了大量工作，建立了一套完整的数据库。在此基础上，开发出了分析评价模型，如斜坡稳定性分析模型，其主要功能是计算斜坡稳定的安全系数。另外，两位学者还利用GIS所生成的数字高程模型（DEM），开发出了一部山区落石滚落速率计算模型，并据此绘出了研究区内落石速率分区图（黄润秋，2001）。

美国科罗拉多州立大学Mario Mejia-Navarro和Ellen E.Wohl（1994）在哥伦比亚的麦德林地区，用GIS进行地质灾害和风险评估（姜作勤，2008）。利用GIS对麦德林地区地质灾害进行了分析和研究，重点考虑了基岩和地表地质条件、构造地质条件、气候、地形、地貌单元及其形成作用、土地利用和水文条件等因素。根据各因素的组成成分和灾害之间的对应关系，把每一种因素细分为不同范畴等级，借助于GIS软件（GRASS）的空间信息存储、缓冲区分析、DEM模型及叠加分析等功能，对有关滑坡、洪水和河岸侵蚀等灾害倾向地区进行了灾害分析，并对某一具体事件各构成因素的脆弱性进行评价。

同样是美国科罗拉多州立大学Mario Mejia-Navarro博士后等人（1996）将GIS技术与决策支持系统（DSS）结合，利用GIS（主要是地质资源分析系统GRASS软件）及工程数学模型建立了自然灾害及风险评估的决策支持系统并应用在科罗拉多州的Glenwood Springs地区（姜作勤等，2001）。应用GIS建立指标数据库，并建立基于GIS的多个控制变量的权重关系式。对泥石流、洪水、地面沉降、由风引起的火灾等灾种进行了灾害敏感性分析、脆弱性分析及风险评估，辅助政府部门做出决策。

美国地质调查局（USGS）已把加强城市地质灾害研究列为21世纪初的重要工作，借助GIS编制美国主要城市地区多种灾害的数字化图件，这种做法与西欧国家的城市地质工作的总趋势一致。其中，美国科罗拉多州格伦伍德斯普林市的城市地质灾害评价项目最具代表性。由于该市位于山区河谷地区，崩滑流地质灾害制约着城市的发展，为此，城市规划部门委托科罗拉多州立大学，开展了GIS地质灾害易损性和风险评价编图研究，最终按14种土地利用适宜性等级，对评价区进行了土地利用区划，圈出了未来城市发展的适宜地段和高风险区，在此基础上建立了城市整体化决策支持系统。

综上所述，可以看出，国外尤其是发达国家将 GIS 应用于地质灾害研究起步较早（表1），研究程度已远远超过我们，此方面的应用也随着GIS技术的自身发展而深入（黄润秋，2001）。

2.GIS在地质矿产勘查中的应用

地质信息系统与现代地球及其相关科学日益增长的需求相适应，以处理地球上任何具有空间方位的海量信息为特征，具定量、定时、定位等优点，近10年来已在地质矿产勘查中得到广泛应用。一个区域各种地质资料（图形、图像、文字、逻辑、数值）的GIS分析实际上代表该区域现阶段较为客观的总认识。目前，野外收集资料、数据建库、GIS分析等尚存在规范化、标准化等问题，GIS本身解决诸多专业性较强地质问题的能力亦不足。但GIS的进一步发展与完善必将使地质矿产勘查进入一个数字化的新时期（周军等，2002）。

GIS因解决地质问题而产生，其雏形可以追溯到20 世纪60 年代。加拿大测量学家R.F.Tomlinson首先于1963年提出地质信息系统这一术语，建成世界上第一个GIS即加拿大GIS（CGIS）一并应用于资源管理与规划。1970～1976年间美国联邦地质调查局建成50多个信息系统并进行综合地质研究，德国在1986 年建成DASCH系统，瑞典、日本等国也陆续建有自己的GIS。GIS的发展与计算机科学的高速发展并行，主要发生在过去的20年中，而近10年来发展更快（周军等，2002）。

表1 国外GIS在地质环境与地质灾害研究中的应用

GIS因解决地质问题而产生，其雏形可以追溯到20 世纪60 年代。加拿大测量学家R.F.Tomlinson首先于1963年提出地质信息系统这一术语，建成世界上第一个GIS即加拿大GIS（CGIS）一并应用于资源管理与规划。1970～1976年间美国联邦地质调查局建成50多个信息系统并进行综合地质研究，德国在1986 年建成DASCH系统，瑞典、日本等国也陆续建有自己的GIS。GIS的发展与计算机科学的高速发展并行，主要发生在过去的20年中，而近10年来发展更快（周军等，2002）。

ArcInfo与ArcView GIS是当前最流行的两个软件包，为美国ESRI（Environmental Systems Research Institute，Inc.）的重要产品，被许多国家官方确定为国土资源、地质、环境等管理、研究的主要地质信息系统。ESRI始建于1969年，由Jack Dansermond和Laura Dangermond用自己平时积蓄的1100美元起步，经过20世纪70年代的艰苦奋斗，1981年推出新型ArcInfo，1986年微机版的PC ArcInfo投入市场，1991 年又一力作ArcView GIS问世。1981年ESRI在其Redlands总部召开首次用户会议，仅18人到场，而1998年的用户大会有来自90个国家的8000多位代表。

ESRI的发展史反映了GIS从无到有、从弱到强、迅速成长壮大的发展历程，也从一个侧面显示出GIS巨大的市场潜力和难以估量的应用价值。

据悉，1995年市场上有报价的GIS 软件已达上千种，但主要占据市场的不过10 余种。除上述提到的ArcInfo与ArcView GIS外，国外的GIS代表作还有MapInfo、ErMapper、Idrisi Endas、Erdas、Genamap、Spans、Tigris等。

GIS已在地质矿产勘查中得到广泛应用，并取得许多瞩目成果。美国、加拿大、澳大利亚早在1985～1989年就将其应用于地质矿产调查和填图。目前，澳大利亚开始利用笔记本电脑以数字形式采集野外地质数据，建立有关数据库，借助ArcInfo与ArcViewGIS编制第二代地质图件。

三、资料来源

曹修定，阮俊等.2007.GIS技术在地质灾害信息系统中的应用.中国地质灾害与防治学报，18（3）：112～115

黄润秋.2001.面向21世纪地质环境管理及地质灾害评价的信息技术.国土资源科技管理，18：30～34

姜作勤.2008.国内外区域地质调查全过程信息化的现状与特点.地质通报，27（7）：956～964

姜作勤，张明华.2001.野外地质数据采集信息化所涉及的主要技术及其进展.中国地质，28（2）：36～42

赵金平，焦述强.2004.基于GIS的地质环境评价在国外的研究现状.南通工学院学报（自然科学版），3（2）：46～50

周军，梁云.2002.地理信息系统及其在地质矿产勘查中的应用.西安工程学院学报，24（2）：47～50

目前国内煤矿智能化领域构建三维地质模型比较好的物探方法是什么？

目前，智能煤矿三维地质模型主要有矿井三维地质模型

构建矿井三维地质模型比较好的物探方法是地面三维地震。利用地面三维地震成果及地面钻孔资料构建大尺度的矿井三维地质模型，这种地质模型误差较大，主要用于宏观了解矿井地层、煤层及构造空间分布。

透明地质保障系统需要高精度三维地质模型，首先，需要在综采工作面回采前构建高精度静态三维地质模型，其后，在综采工作面回采期间，利用人工或自动探测与测量方法对回采剖面精准探测，实现三维地质模型的动态更新，构建精准动态三维地质模型，以满足智能综采系统对三维地质模型精度的要求。

构建高精度静态三维地质模型的物探方法目前领先的是矿井地震全波形反演技术。国内可以做矿井地震三维全波形反演的公司只有北京中矿大地地球探测工程技术有限公司。

地震全波形反演（FWI）是一种高精度、高分辨率的地下介质物性参数反演方法。由于FWI利用了地震记录中全部的运动学和动力学信息，因而具有精细刻画复杂地质构造的能力，适合于对地层进行透明三维地质成像。

基于地震全波形反演成果，结合钻孔、巷道实测素描等多源数据融合分析，可以构建综采工作面精准静态三维地质模型，实现综采工作面地质透明化，为智能煤矿透明地质保障系统提供技术支撑。