复杂地层结构模型三维重构与可视化方法研究

针对工程建筑、水利水电建设以及地质灾害防治等工程地质学研究中的空间结构分析与信息可视化问题,提出了一种基于单元块体的空间自动搜索地质建模方法。该方法的主要思想是:首先由地质专家充分利用工程地质勘探的资料,并结合自身经验,在交互式环境中完成2D/3D剖面解释;而后系统自动完成地质结构单元块体搜索,运用CSG集合运算并根据地质单元块体的空间拓扑结构实现复杂三维地质模型的构建。本方法通过引入地质单元体的概念,并在建模过程中融合地质专家的知识,使地质模型的建模过程得到了简化,提高了模型的精度,有效地解决了复杂三维地质模型的建模问题。

基于CT扫描受压注浆体试块三维孔裂隙结构参数表征

目的为研究注浆体试块单轴压缩过程中孔裂隙结构演化特征,方法以级配砂砾注浆体试块为研究对象,对其单轴压缩过程分阶段进行工业CT扫描,并采用AVIZO对CT切片进行分析,重构孔裂隙结构三维模型,定量表征孔裂隙与孔喉特征参数。结果结果表明:单轴压缩下,试块依次经历孔裂隙萌生、发育、扩展与贯通阶段,孔裂隙演化特征比较明显,萌生阶段孔隙数增幅为14.41%,无明显贯通;发育阶段孔隙数增加326.91%,伴有一定数目孔隙贯通;扩展阶段孔隙数减少了57.79%,孔隙等效直径最大值增幅为223.45%,大部分孔隙贯通为裂隙;贯通阶段孔裂隙数目几乎不变,孔隙等效直径最大值增幅为92.83%,裂隙贯通后形成多个破裂面。峰值后试块出现连通孔隙,该阶段注浆体孔隙与喉道发育完全,试块破坏。结论研究结果可为后续破碎岩石注浆工程实践提供参考。

适于岩体结构三维建模的非连续地层界面整体重构

在岩体结构三维建模中,利用分区块方法重构被复杂断层系统切割的非连续地层界面时,插值与裁剪计算量巨大、过程烦琐,且无法反映断层两侧地层的相关性。针对该问题,提出了一种非连续地层界面整体重构方法。首先在不考虑断层影响的条件下进行整体插值形成初始地层界面,并根据断层信息形成断层面;然后求出所有断层面与初始地层界面的交线,并以这些交线作为约束,重新进行剖分与插值形成原始地层界面;再利用局部迭代求交计算实际断层交线;最后通过比较法确定断层影响范围,利用离散光滑插值方法(DSI)进行局部调值,实现非连续地层界面的整体重构。

杭州城市第四系三维地质结构模型建立中的孔间地层对比方法分析

构建地质结构模型是正在开展的杭州城市地质调查工作的主要内容之一,精确模型的建立基于孔间地层的精确对比。因此,确定适合该地区的地层对比方法成为一个非常重要的课题。笔者对传统对比方法及1:25万杭州市幅第四纪地层高精度对比方法进行了分析,根据高分辨率层序地层学理论和对比准则,结合杭嘉湖平原位处河口地区的沉积特点,拟定了适合杭州第四系钻孔间地(岩)层对比的新方法。

两淮煤田低渗煤层孔隙结构三维可视化表征及其连通性

为研究煤层孔裂隙结构的连通性对煤层气赋存与运移的影响。以两淮地区矿区的煤样作为实验研究对象,对煤样进行三维可视化重构,构建了煤样的三维孔隙结构模型以及等价孔隙网络模型,利用多种算法并结合表征单元体对煤样的孔隙结构进行表征与分析,同时,从整体到局部的角度对孔隙结构进行分析,研究表明:两淮地区孤立孔隙中C形孔隙占据主导,连通孔隙中F形孔隙占据主导;刘庄与祁东煤样孔隙结构空间展布较任楼与潘一矿区的煤样要好,具有更好的连通性;粗类型喉道之间的搭配较其他类型喉道之间的搭配整体连通性要好。结果说明两淮地区的煤样,大体积连通孔隙在孔隙结构中占据主导地位。刘庄与祁东煤样较任楼与潘一煤样的连通性要好,且刘庄煤样的连通性最好,潘一煤样连通性最差。

耦合三维地层模型的复杂高桩结构桩基设计

针对复杂高桩结构桩基设计的空间问题和传统地质资料的表达不足,为信息化、可视化管理桩基,提出了建立桩基信息数据库;基于工程区域的多源地形、地质数据,引入三维地层建模技术,建立了复杂高桩结构的三维地层耦合模型,并实现桩基和地层的三维重建、碰桩检测、桩位优化、持力层的选取、桩长及轴向承载力计算、桩位自动绘制等可视化辅助设计功能,极大提高了复杂高桩结构桩基设计的效率与水平。

地层模型三维可视化建模及应用

根据地下水数值模拟的实际需要,建立一种基于三棱柱体体元的数字地层模型,给出相关的剖切算法和与之对应的数据结构,实现了复杂地质体三维任意剖切和显示等各项功能。实践证明,它能够满足水文学应用的要求。

新型随机重构微孔隙介质模型与扩散特性

提出一种使用碳纸气体扩散层微孔隙结构的真实形态参数,构建三维微孔隙结构模型的算法.此方法通过扫描真实的扩散层结构获取结构的特性参数.通过确定三维微结构内纤维系统的中心坐标,循环构建N层纤维系统,达到需求的扩散层厚度,各层纤维系统由随机分布的重叠并相交的纤维结构构成;并将成功构建的模型转换为能够用于流体仿真的数据模型,对结构模型的渗透率进行了验证.结果表明,该方法生成的模型符合真实扩散层的渗透特性.最后,利用该模型对扩散层各项特性参数的变化关系进行了分析,结果可用于扩散层的结构优化设计,更大程度增强渗透传输特性.

建立鼻腔结构与功能自适应生物力学模型在鼻科疾病中的作用

鼻腔结构在与鼻腔物理力学环境发生交互关系时,能够根据周围环境调整自身结构和形状,即所谓鼻腔结构与功能自适应性。鼻腔结构与功能自适应生物力学模型模拟鼻腔结构异常产生功能障碍所继发的上呼吸道疾病发生发展过程,为鼻科某些常见病的发生发展过程进行量化分析,为鼻内窥镜手术在恢复重建鼻腔结构功能方面临床决策提供依据。

面向煤矿应用的三维GIS空间数据模型研究

在综合评述三维GIS空间数据模型研究的基础上,针对地层和掘进巷道这两种煤矿主要的空间对象,分别研究了其空间数据建模问题,提出了地层和巷道一体化的煤矿三维空间数据模型,并设计了相应的数据结构。

面向移动终端的三维建筑物模型简化方法

目前,针对单体建筑物的模型简化算法主要考虑单独简化墙面和屋顶房檐结构。但对于建筑物组,这些方法忽视邻接建筑物的特征以及与周围特征间的相互连接关系。针对这些问题,利用屋顶结构特征,提出一种能自动生成保持建筑物组结构特征的模型简化方法。通过底面平面图的邻接关系将建筑物分割成不同的结构部分,通过判断屋顶特征,采用自顶向下的投影方法,重构建筑物模型,最后将各部分联合形成简化模型。实验表明,该简化方法在建筑物的顶层和墙面特征较好保留的基础上,能充分利用模型的拓扑结构,用较少的数据量描述模型,生成适合移动端应用需求的精度模型。

用地震资料测定岩石层的三维速度结构

本文发展了一种利用远震P波资料反演岩石层三维速度结构的新模型与方法;并将射线追踪方法引进上述模型与方法中。这种模型和方法同样可用于利用近震资料同时反演介质结构与震源参数。 数值实验结果表明,上述模型和方法是可行的。

低渗煤层孔裂隙特征结构表征与渗流指标相关性研究

为解决低渗煤层瓦斯抽采难度大、效率低等问题,以华晋焦煤沙曲一矿5#低渗煤层为研究对象,基于微米CT扫描实验,运用三维重构技术,探究低渗煤体孔裂隙结构特征与空间分布规律,通过构建具有拓扑结构的骨架化模型和等效孔裂隙网络模型,分析孔隙与喉道结构特征参数与渗流指标之间的关系。研究结果表明:在微米尺度下,沙曲一矿煤样裂隙对孔隙率的贡献远大于孔隙,孔隙以孔径在[53.13,100)μm的大孔为主;宽度在[0.1,1) mm,长度在[0.5,7) mm的微观小裂隙最多,占总裂隙的70.1%;通过统计孔裂隙网络模型提取出的孔隙和喉道发现,孔喉比较大,且连通路径单调,不利于气体运移。通过结构特征参数与渗流特性参数拟合,发现形状因子与孔隙直径呈正相关,迂曲度与孔隙直径、配位数与孔喉比均呈负相关。研究结果可为煤矿瓦斯高效抽采提供理论指导。

基于GMS的地层三维结构可视化模型及神经网络预测

通过收集到的长春市及周边地区各类钻孔资料,运用软件GMS建立长春及周边地区的三维地层结构可视化模型,与实际地质(地形)情况较为吻合,清晰地反映出长春地区地层结构情况,通过软件还可观察地层任意位置的剖面情况。将神经网络引入其中,当输入钻孔坐标(x,y,z)、地层厚度及地层深度时,能够较为准确地预测出对应地层的地质时代和岩性,采用结构为5-13-5的BP神经网络(单隐含层)预测结果的平均相对误差为11.12%,最小误差为7.50%、最大误差为15.71%;采用改进后的结构为5-11-7-5的BP神经网络(双隐含层),预测结果的平均相对误差为4.64%,最小误差为3.63%、最大误差为6.59%,完全满足预测精度要求。

劈裂荷载下孔隙结构对砂岩宏观力学性质的影响

为了解决砂岩内部孔隙结构对砂岩宏观力学性能的影响机理问题,以砂岩为研究对象,利用统计学原理和图像处理技术,建立了砂岩孔隙结构的三维重构模型。在此模型的基础上,利用数值模型方法开展了孔隙岩石劈裂数值模拟实验,分析了孔隙结构参数(孔隙大小、形态及孔隙率)对砂岩在劈裂荷载下的变形、应力分布和破坏连通区特征等宏观力学性质的影响,揭示了孔隙砂岩变形破坏的力学机理。研究结果表明:孔隙形态对砂岩应力分布和变形破坏有显著的影响;随着孔径的增大,砂岩从拉伸破坏和剪切破坏变成单一的拉伸破坏,破坏时的变形和最大拉应力均减小;孔隙率越大,砂岩更易破坏,且破坏时的变形和最大应力拉应力也越大,但影响程度随着孔径的增大而减弱。研究结果可为分析孔隙结构对岩石宏观物理力学性能的影响机理提供了一定的理论依据和参考。

SKUA基岩三维地质建模

以天津平原地区某个工区为例,介绍了三维地质模型建模的数据准备,SKUA建模的流程以及模型分析,共使用28条断层,6个地层的地质构造图,3条地质剖面构建了地质结构模型,表明SKUA建模是高效的和实用的。

巴彦乌拉铀矿床精细三维地质建模

地浸采铀是一种通过溶浸液与砂岩矿层中含铀矿物发生溶解反应的矿石原位开采方法,厘清矿层及矿层上覆下伏含水层三维结构,对提高地浸采铀效率具有重要意义。在资料收集的基础上,结合测井数据,采用地质统计学方法,对地浸采区地层及矿层进行精细刻画,建立了相应三维地质模型,根据模型模拟结果分析了含矿含水层的空间结构特征。结果表明,含矿含水层主要岩性为粗砂岩;含矿含水层各种岩性孔隙连通性较好,透水岩性分布较均匀;采区地层倾向大致为325°,倾角为6.76°。顶部隔水层厚度呈南部和中部较厚、北部和西部较薄的特点,发育7个隔水顶板天窗;矿层贴近隔水底板,厚度由北部向各个方向逐渐减薄,矿层厚度与含矿含水层厚度呈正相关。三维地质结构模型的构建完整、直观地展示了巴彦乌拉铀矿C12采区地层、岩体的三维空间分布特征,可以为进一步开展地浸采铀数值模拟研究提供科学依据。

基于显微CT扫描和统计强度的煤岩损伤破裂特性研究

冲击地压与瓦斯等灾害制约了我国煤矿安全高效开采,但诸多煤岩动力灾害的发生机理不明。从巷道围岩冲击-瓦斯灾害实例出发,着重研究煤岩损伤破裂演化规律与模型。开展了X射线高精度显微CT扫描试验,利用三维重构技术获得了冲击倾向性煤高分辨率三维数字岩心图像,定量分析了非连续结构分布特征;采用计盒维数法和三维可视化软件AVIZO编程计算,得到了矿物条带和裂隙结构的表征参数;基于CT扫描重构和统计强度理论,提出了一种考虑三参量韦伯分布、瓦斯作用与有效应力的煤岩损伤破裂模型;进而,开展了含瓦斯煤岩三轴压缩试验,求解模型参数并验证模型可靠,揭示了煤岩渐进破坏过程中的损伤演化规律。具体而言,显微CT扫描重构和分形计算结果表明,冲击倾向煤内部矿物条带的表面积和分形维数分别处于0.0035~0.0137和1.1214~1.2342之间,而裂隙结构的表面积占比和分形维数则分别处于0.0006~0.0040和1.0651~1.1454范围。矿物条带的表面积占比和分形维数整体上大于裂隙结构的,说明冲击倾向煤内部的非连续结构数量多且分布复杂。此外,含瓦斯煤岩三轴压缩试验结果表明,围压作用下煤样应力应变关系呈现出典型的I类曲线特征,以剪切破坏为主,峰值强度和峰值应变随围压升高而增大。进一步,给出了损伤破裂模型7个参数的确定方法,并利用试验结果求解了模型参数和损伤变量。计算结果表明,该模型能较准确地反映煤岩压缩变形、准线弹性变形、塑性变形、峰值强度和峰后软化等渐进破坏特征。而且,在前2个阶段煤岩损伤变量小于0.2,进入塑性阶段尤其是峰后阶段,损伤变量急剧增大直至破裂。因此,提出了损伤阈值的概念,建议将损伤阈值0.2作为煤岩损伤破裂的预警值。研究结果将为煤岩动力灾害的发生机理、预警及防控提供理论支撑。

等值面的高质量显示算法实现三维物体表面的重建

介绍了一个能有效消除等值面显示中易出现的锯齿状走样现 象，可以生成非常细腻的三维物体表面图象的等值面高质量显示算法。论述了采用体素级的 等值面直接显示算法实现三维物体表面重构的基本方法。

半自磨机衬板磨损分析及结构优化设计

通过激光三维扫描技术对武山铜矿半自磨机某批次试验衬板进行扫描,利用软件处理采集的双面点云数据,生成三维重构模型及磨损色谱,分析不同类型衬板磨损规律的差异。结果表明:宽格子板和长格子板的磨损主要集中在一端,二者弧面交界区域格筛磨损比其他位置严重;3 种进料端衬板里面衬二磨损最严重、衬一磨损最不均匀;增设横向加强肋的筒体衬板有效消除了开裂现象,使用效果优于其他衬板。根据每种衬板的磨损特点对其进行了相应的结构优化设计,为磨损最严重的宽格子板、长格子板和衬二增加了提升条高度以及部分格筛厚度,将衬一的提升条由平面形状改成左低右高形状,并对每种衬板的螺栓孔位置进行加筋强化处理。