数字岩石力学与三维地质建模
数字岩石力学[1]是通过将数字化技术与岩石力学理论进行底层融合，研究岩石在不同尺度、各种条件下变形、运动与破坏的全过程，并以不做简化地解决复杂地下工程问题为根本任务的学科（图1）。煤炭科学研究总院深地科学院基于“数据+力学+经验”融合的理念，首次提出了数字岩石力学的研究方向，并率先搭建了相关的概念及产品体系，并在2023年11月首届数字岩石力学发布会上发布了数字岩石力学大型基础工业平台“地遁系统”，在2024年11月数字岩石力学定向发布会上发布了“地遁系统”的“地听”、“点石”、“妙算”和“灵犀”4套产品。
图1 数字岩石力学的提出
数字岩石力学不做简化地解决复杂地下工程问题，其中一个关键点在于采用地质勘探数据建立能充分还原地下工程复杂条件的高精度三维地质模型，支撑岩石力学数值模拟等研究工作。岩石力学数值模拟对象为岩体，一般埋藏于地表以下，其空间结构和物理力学性质随着地质勘探工作而逐步透明化，其几何建模过程需要采用特定算法推测地质界面并不断更新数据，传统有限元软件的几何建模能力难以胜任以上需求。采用三维地质建模技术开展有限元模型的前处理，形成可计算的有限元网格地质模型（图2），是开展数字岩石力学仿真推演研究的重要基础。
图2 有限元网格地质模型
三维地质建模技术研究现状
传统的三维地质建模技术起源于数学地质与信息地质领域，概念最早是由加拿大学者Simon W. Houlding于1993年提出 [2] 。数学地质为三维地质建模提供了理论基础和技术支持，其研究内容包括地质数据的统计分析、地质过程的计算机模拟以及地质数据储存、检索、自动处理和显示[3]。信息地质以数学地质理论为基础，将地质过程计算机模拟和地质数据统计分析分别具像化为地质结构建模和地质属性建模技术，将地质数据储存、检索、自动处理和显示与三维地理信息系统（3DGIS）深度融合[4] 。
地质结构建模（图3）按照建模数据源不同可分为基于钻孔的结构建模、基于地质剖面的结构建模和多源数据融合建模。基于钻孔的结构建模难以正确处理断层，生成的模型精度相对较低。地质剖面中的地层界线和断层线精度相对钻孔更加可靠，基于地质剖面的结构建模精度更高。多源数据融合建模将既有地质剖面图和后期局部补充勘探的成果数据进行融合处理，可以形成精度更高的三维地质模型。
图3 地质结构模型
地质结构建模从技术实现上可以分为显式地质建模和隐式地质建模（图4），传统地质结构建模技术一般指显式地质建模。显式地质建模的优势在于能够精细表达地质条件的三维空间状态，缺点在于自动化程度低，人机交互工程量大；投入足够人力，复杂的地质模型均有可能正确生成。隐式地质建模的优势在于自动化程度高，缺点在于生成的地质界面不够精确，人工可调节性较差；算法不合适，即使投入人力也难获得理想的地质模型。
图4 隐式地质建模生成的地质结构场模型
地质属性建模（图5）主要采用不同的空间插值算法对建模空间的位置点进行属性估值计算，数学地质和信息地质领域三维地质建模长期聚焦于成矿预测研究，克里金插值是属性建模最常用的算法。克里金插值在平稳随机过程中可以给出最优线性无偏估计，对于矿产储量的估算具有较高的精度。
图5 地质属性模型
数字岩石力学的三维地质建模技术难点
数字岩石力学中的高精度三维地质建模在数学地质与信息地质领域传统三维地质建模基础之上，进一步结合岩石力学的地下工程应用场景进行创新，需要重点突破以下技术难点。
多尺度三维地质建模：数字岩石力学研究涵盖岩层及区域地质构造、采掘工作面煤岩体节理及断层褶皱破碎区域、煤岩体内部裂隙网络等宏观、细观和微观尺度。传统三维地质建模主要研究年代地层、岩层、区域性地质构造等相对宏观的尺度，难以处理节理、破碎带、岩体内部裂隙等细观和微观尺度的研究对象的三维模拟。
地质与工程耦合建模：数字岩石力学研究工程活动中岩体被外力破坏之后新应力场形成的规律，例如采掘过程中的煤层顶底板和巷道围岩应力动态变化规律。传统三维地质建模主要模拟天然地质空间结构及其地应力（原岩应力）状态，对于工程活动导致原岩应力破坏和新应力场形成过程三维模拟能力较弱。
结构与物性耦合建模：数字岩石力学研究不同尺度的地质空间结构和不同空间位置的岩石物理力学性质对区域应力场动态演化的制约或影响规律。传统三维地质建模主要模拟地质空间结构和矿物成分，例如影响成矿的地质构造、矿石在地质体中的分布等，很少研究矿物成分的材料特性及其构成的空间结构形态对应力场的影响规律。
结束语
三维地质建模技术搭建了地质学与岩石力学之间的桥梁，能够提供开展仿真推演的模型载体。通过构建包含地质条件、工程边界和岩石物理力学性质参数的高精度三维地质模型，为数值模拟提供空间拓扑关系和力学参数边界条件。在传统三维地质建模技术基础之上，进一步突破岩石力学领域面临的三维地质建模技术难点，将有力促进数字岩石力学理论的工程化应用，在实现地质透明基础之上促进地下工程物性透明和应力透明，建设更高层次的透明地质保障系统，推动地下工程学科从经验驱动向“数据-机理双驱动”范式转型发展。
参考文献
[1]李海涛，齐庆新，杜伟升，等. 煤炭开采等地下工程问题的数字岩石力学解决方案[J]. 煤炭科学技术，2024，52（9）：150−161.
[2]Simon W. Houlding. 3D geoscience modeling-computer techniques for geological characterization [M]. Springer-Verlag，1994.
[3]地质矿产部地质辞典办公室. 地质大辞典[M]. 北京：地质出版社，2005.
[4]潘懋，方裕，屈红刚. 三维地质建模若干基本问题探讨[J]. 地理与地理信息科学，2007，（03）：1-5.
本文转自：数字深地圈
东合南是装配式钢结构基坑支护技术专家，
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