一种三维地质结构-属性耦合建模方法及其应用

《Geosciences》：A Three-Dimensional Geological Structure–Property Coupled Modeling Method and Its Applications

　　

为解决煤矿生产三维地质建模中结构信息与属性信息分离组织的问题，本研究提出了一种基于体素（voxel）集成工作流的三维地质结构-属性耦合建模方法（three-dimensional geological structure–property coupled modeling method）。该方法采用规则体素模型作为统一空间载体，在同一空间框架内组织地层结构、煤层、边界、储量参数及瓦斯含量（gas content）属性。首先在地表与边界约束下识别结构信息，然后在结构约束的体素域内赋值属性值。利用鹤煤三矿（Hemei No. 3 Mine）生产数据，在矿井尺度与工作面尺度上对该方法进行实施、工程一致性、敏感性与不确定性评估。结果表明，该方法可联合表征煤层几何形态与瓦斯含量分布，并支持空间查询与储量更新。在矿井尺度上，基于体素的2-1号煤层储量估算与传统地质块段法（geological block method）估计相差1.67%。在工作面尺度上，作为工程一致性检验，在加入额外钻孔约束后，基于体素的估计与工程参考估计的相对差值从31%降至8.4%。附加验证与敏感性测试给出了瓦斯含量及工作面煤层几何形态估算的量化误差。结果进一步表明，储量估计受体素分辨率与视密度（apparent density）假设影响，而瓦斯含量估计的空间分布受所测试的逆距离加权（IDW）参数影响。因此，该方法在案例研究的数据条件下提供了一种面向应用的建模与更新方法，而更广泛的适用性需要进一步的独立验证与更系统的不确定性分析。

**论文解读：一种三维地质结构-属性耦合建模方法及其应用案例研究**

**研究背景、现存问题与研究意义**

当前，中国煤炭行业正经历深刻转型，高质量发展明确指向安全、高效、绿色、低碳与智能化目标。在此背景下，三维地质建模已成为支撑煤矿安全生产与精细化资源管理的基础技术，旨在推动从传统二维地质图件向三维数字模型的转变，实现矿井地质透明化。然而，现有三维地质模型仍存在显著不足：模型精度有限、结构信息与属性信息集成不足、动态更新困难。具体而言，煤矿三维地质建模中，地层、断层、煤柱、采空区等结构模型，与瓦斯含量、煤层厚度、密度、含水属性等属性模型，通常分别独立构建，属性通过事后赋值、表面映射、局部插值或机器学习辅助工作流附加到结构模型上，缺乏统一空间约束框架下的连续关联。这种结构-属性分离虽能满足模型可视化需求，却难以建立复杂地质结构约束下的属性连续表达与协同更新机制，已成为制约三维地质建模精细化应用的主要瓶颈之一。

为解决上述问题，本研究提出了一种基于体素集成工作流的三维地质结构-属性耦合建模方法。该方法将结构识别、属性估计、空间查询、储量计算与顺序模型更新组织在一个可重复的体素工作流中，并以鹤煤三矿为例，在矿井尺度与工作面尺度评估其可行性、工程一致性、敏感性与不确定性。论文发表在《Geosciences》。研究意义在于：为煤矿三维地质建模提供了一种面向应用的、统一的空间信息组织框架，实现了结构-属性信息的联合表征与动态更新，为资源储量估算与瓦斯防控提供了技术支撑，但更广泛的适用性仍需独立验证。

**主要关键技术方法（不超过250字）**

研究人员采用规则体素网格作为统一空间载体，通过线性索引组织多源地质信息。关键技术方法包括：（1）**地质体结构识别方法**：基于钻孔控制点插值连续地层界面，通过体素中心点与界面及边界掩膜的比较，为每个体素分配结构标签（如地层、煤层、断层等）。（2）**结构-属性耦合方法**：仅在满足结构标签的体素内进行属性插值，使用普通克里金（ordinary Kriging）或逆距离加权（IDW）等方法，实现属性值在结构约束下的赋值。（3）基于耦合模型的资源储量估算方法：将传统二维平面块段法改进为基于三维体素模型的体积求和，通过体素属性统计得到储量。数据来源包括鹤煤三矿的113个地面钻孔、3403个井下瓦斯抽采钻孔、555个实测瓦斯含量样本及3468个工作面几何控制点。坐标系统统一采用CGCS2000，3°高斯-克吕格投影。

**研究结果**

**4.1 结构与属性的联合表征**
基于地面钻孔数据，通过插值方法构建地层界面，并利用虚拟地层约束补全钻孔缺失的地层信息。采用10 m × 10 m × 4 m体素分辨率构建约7.0×10⁷个体素单元，形成矿井尺度结构模型，展示地表松散层、煤层及上下砂岩地层的空间分布。在此基础上耦合瓦斯含量属性，构建结构-属性耦合模型，清晰显示2-1号煤层沿走向与倾向的厚度变化趋势及瓦斯含量空间分布（瓦斯含量实测值范围3.94~7.68 m³/t，蓝色区域为低瓦斯，紫色区域为高瓦斯），实现了煤层结构特征与瓦斯属性的联合表征。

**4.2 煤层资源储量的动态估算**
基于耦合模型，采用体素储量计算方法进行静态与动态估算。矿井尺度下，2-1号煤层模型包含314,080个体素，单位体素体积400 m³，视密度1.39 t/m³，计算储量为17,462.848×10⁴ t。工作面尺度以4103工作面为例，2022年模型（基于2022年前瓦斯抽采钻孔）含96,568个体素，储量107.38×10⁴ t；2023年模型（补充钻孔后）含128,712个体素，储量143.13×10⁴ t。随着钻孔数据连续补充，煤层模型逐步修正更新，实现了工作面煤层资源储量的动态估算。

**4.3 定量验证、敏感性与不确定性评估**
（1）瓦斯含量估计：采用留一交叉验证（leave-one-out cross-validation）对555个实测样本进行评估，得到平均误差（ME）为?0.0092 m³/t，平均绝对误差（MAE）为0.4144 m³/t，均方根误差（RMSE）为0.5875 m³/t，表明无明显系统偏差。（2）工作面煤层几何形态：对3468个控制点进行30次重复随机80%/20%分割验证，顶板高程平均MAE为1.1550 m，底板高程平均MAE为0.9962 m，煤层厚度平均MAE为0.6362 m。（3）敏感性测试：体素分辨率变化导致矿井尺度储量变化?0.72%至+0.32%，工作面尺度变化?0.6669%至+0.5373%；IDW参数（幂次与邻域数）影响瓦斯含量估计的空间离散程度，标准差变化范围0.1577~0.1867 m³/t（幂次测试）及0.1601~0.1842 m³/t（邻域数测试）。（4）不确定性场景：在配对体素分辨率-视密度场景下，矿井尺度储量变化范围为?2.6986%至+2.2623%，工作面尺度变化范围为?2.6367%至+2.7057%。这些范围代表确定性变化，而非概率置信区间。

**讨论与结论**

**讨论部分**：研究人员讨论了耦合模型在结构与属性信息集成方面的可扩展性。通过将断层、保护煤柱等关键地质要素以协同模型叠加策略集成到原有煤-气耦合模型中，以体素为统一信息载体单元，逐层叠加多源异构地质空间信息与属性参数，实现了多维度地质信息的联合表征。结果表明模型具有良好的可扩展性与可叠加性，且任意空间位置体素的结构与属性信息可便捷检索。在储量估算的工程一致性方面，矿井尺度下体素储量与传统地质块段法相对差值为1.67%，工作面尺度下，随着钻孔约束数据补充，体素估计与工程参考估计的相对差值从31%降至8.4%，表明所提方法在当前数据条件下可支持动态更新。但上述比较应视为工程一致性评估，而非独立预测验证。在适用性范围方面，该方法更适用于具有一定地质解释与数据支撑的煤矿三维建模与分析场景，对更复杂的地质条件需进一步验证。敏感性定量评估表明，体素分辨率、插值参数与密度假设对结果有不同程度影响，但结构解释误差、属性估计不确定性、钻孔分布效应及输入数据误差未进行联合传播，所报告范围应视为案例特定确定性场景范围。

**结论**：本研究建立并评估了一种面向应用的体素工作流，用于耦合地质结构、属性信息与储量计算。该工作流定义了公共体素域，重建地质边界曲面，为每个体素分配结构标签，仅在允许的结构域内估计属性，并聚合煤层体素进行储量计算与顺序更新。其方法贡献在于可重复的组织与更新过程，而非新的插值或通用预测算法。在鹤煤三矿案例中，留一交叉验证（555个瓦斯含量样本）得到ME、MAE、RMSE分别为?0.0092、0.4144、0.5875 m³/t；30次80%/20%分割测试（3468个几何控制点）得到顶板高程平均MAE为1.1550 m，底板高程平均MAE为0.9962 m，煤层厚度平均MAE为0.6362 m。矿井尺度体素储量与传统地质块段法相差1.67%。在4103工作面，加入额外钻孔约束后储量估计从107.38×10⁴ t增至143.13×10⁴ t，与工程参考估计的相对差值从31%降至8.4%。密度固定时，体素分辨率变化导致矿井尺度储量变化?0.72%至+0.32%，工作面尺度变化?0.6669%至+0.5373%。配对分辨率-密度场景产生确定性储量变化?2.6986%至+2.2623%（矿井尺度）及?2.6367%至+2.7057%（工作面尺度）。这些发现证明了案例特定可行性，并量化了在所测试数据与参数设置下的性能与敏感性。块段法与工程参考比较为一致性检验，非独立预测验证；所报告场景范围为确定性而非概率置信区间。证据局限于一个矿井，独立巷道揭露或生产数据不可得，结构、属性、密度、钻孔分布及输入数据不确定性未联合传播。未来工作应在更多矿井测试该工作流，使用独立揭露或生产数据，并进行概率不确定性传播。在这些限制内，该工作流为一致的地质信息组织、空间查询与可重复储量更新提供了实用基础。