基于SolidWorks的采煤工作面三維建模及斷層識別

李文鑫 劉建康 楊鑫祥 鐘 陽

（1.山東科技大學礦山災害預防控制-省部共建國家重點實驗室培育基地，山東省青島市，266590；2.山東科技大學礦業(yè)與安全工程學院，山東省青島市，266590）

隨著煤礦生產管理現代化進程的發(fā)展，三維立體圖無論是在領導層生產指揮方面，還是在生產服務方面以及優(yōu)化設計方面，都能起到一些二維平面圖無法比擬的作用，因此三維立體圖的作用顯得越來越突出。SolidWorks具有操作方便、靈活的草圖繪制和檢查功能、可妥善解決多重關聯性和數據轉換便捷等特點，可以對采區(qū)內煤層賦存形態(tài)、地質構造發(fā)育情況、工作面巷道布置進行精確地三維建模，進而有效指導生產調整，增加經濟效益。

目前國內學者對SolidWorks在礦山行業(yè)中的應用進行了理論研究，并且做了一些相關的仿真模型，但只是處于模擬研究階段，沒有通過實際現場條件下的應用來驗證三維建模對現場的指導作用。本文采用可視化編程語言Microsoft Visual C++，結合Access 數據庫技術、ODBC 數據引擎，以SolidWorks2010為平臺，針對棗礦集團田陳煤礦7110工作面復雜的煤層賦存狀態(tài)和地質構造條件進行了真實比例下的三維建模，以指導煤礦的采掘工作。進而驗證SolidWorks三維建模在煤礦生產中的應用效果。

1 方案的理論分析

SolidWorks是一套基于Windows 的CAD／CAE／CAM／PDM 桌面集成系統(tǒng)，由美國Solid-Works公司在總結和繼承大型機械CAD 軟件的基礎上，在Windows環(huán)境下實現的第一個機械三維CAD 軟件。具有直接繪制3D 草圖的功能，可以直接便捷地繪制三維巷道；可以通過拉伸、剪切、放樣、曲面等功能繪制復雜的采煤工作面；運用標注功能可以將各種參數詳細地標注在任何位置；設計者通過操作對象的屬性、對象的方法建立自己開發(fā)的應用程序，實現二次開發(fā)。

SolidWorks是基于OLE 技術、通過應用程序編程接口API將SolidWorks的許多功能封裝在SolidWorks對象函數里面，編程的時候可以提供給編程者調用。1個對象包含對象的類型、對象的屬性和對象的方法3個方面。設計者通過操作對象的屬性、對象的方法建立自己開發(fā)的應用程序，實現二次開發(fā)。SolidWorks開發(fā)系統(tǒng)為：VisualC++編程語言→OLE Atomation技術→SliderWorks工作環(huán)境。

對于工作面地質構造和巷道布置的三維建模過程可以分為兩部分，一是根據Access數據庫中原有的探測數據進行自動的基礎巷道建模；二是隨著工作面的推進，對于新探測出的地質構造和新掘出的巷道進行人工接續(xù)建模。

2 數據庫的建立

地層巖石和礦產形成過程以及形成以后，在動力地質作用下會發(fā)生變形 （如傾斜、褶皺），甚至發(fā)生斷裂 （如出現節(jié)理、裂隙、斷層）等現象，致使地層巖石及礦產的原始形態(tài)發(fā)生改變，巖層間的關系變得異常復雜。

三維地質數據是指描述三維地質體的數量、質量、分布、聯系等規(guī)律的數字、文字、圖象和圖形等的總稱。反映地質體特征的地質數據具有空間數據的基本特征，即空間位置特征、屬性特征、空間關系特征和時間特征。主要包括煤層底板等高線、煤層等厚線、巷道地質填圖數據、鉆孔資料和勘探剖面。

通過三維地質數據得到進行三維建模所需要資料包括巷道編號、起始坐標、終點坐標、軸線類型、圓心坐標等參數；煤層走向、煤矸厚度、傾角等參數；斷層走向、傾角、斷距等參數。然后通過Microsoft Office Access 2010軟件將上述參數全部錄入到數據庫管理系統(tǒng)。

3 7110工作面三維地質模型的建立

由于采煤工作面的多樣性，進行真實比例的建模比較復雜，為此先進行7110工作面礦體主要部分的建模，再進行局部的修改，使其更符合礦體實際。操作流程可分3步。

（1）礦體三維建模。通過AutoCAD 將7110工作面地質數據中的平剖面圖等加工成二維圖形，制作成塊，進而導入到SolidWorks中，保證礦體模型的準確度，再通過拉伸、放樣、掃描等命令生成三維地質圖形元件，構建出7110工作面礦體三維模型的雛形。

（2）巷道三維建模。Visual C++ 通過ODBC數據引擎連接Access數據庫，讀取7110工作面數據庫中的信息，然后將包含7110運輸巷、7110軌道巷、7110工作面開切眼、聯絡巷等巷道信息的巷道導線點信息表、巷道信息表互相關聯，進而生成工作面周圍整體巷道，隨著7110工作面的推進，地質數據也不斷更新，經常需要對一些數據和圖樣做修改，SolidWorks軟件可以在任意位置、任意角度對7110工作面的巷道或者斷層等地質構造進行增加或刪除，同時可以根據礦上需要，從不同的位置、不同的角度對工作面三維模型進行觀察、剖切，更加深入了解模型內部構造。

圖1 添加材質的地質效果圖

（3）添加標注和材質。7110 工作面礦體和巷道的三維模型建好之后，為了準確地了解各點的地質構造和巷道參數，通過SolidWorks里的標注功能標注不同坐標點的煤厚、矸石厚度、巷道長度、巷道角度以及對已經建好的巷道和井筒進行標注，注明其名稱和作用。為了更加直觀地觀察7110工作面礦體中的地質構造發(fā)育，需要為礦體中不同的地質構造添加不同的材質，如圖1所示，黑色粉狀面積代表煤層，沿白色標記線走向的純黑色代表斷層，其它淺色部分代表無煤區(qū)域，G5-G8同樣是巷道的導線點。

4 7110工作面三維地質模型在實際生產中的應用

圖2 7110工作面三維地質模型圖

經過對地質資料的反復測定、修改，7110 工作面三維地質模型如圖2 所示。以斷層F18 的建模為例，在巷道掘進至斷層F18 附近時，通過打眼鉆孔獲得一系列關于斷層F18 的地質數據，然后對所得數據進行處理，進而得到斷層F18 位置的地質剖面圖，如圖3所示，并將斷層地質剖面圖加工成塊，再將斷層F18 的長度、斷距、傾角、導線點等參數連同處理好的塊一同導入到總的Access數據庫，通過Visual C++ 經ODBC 數據引擎連接Access數據庫，用SolidWorks軟件讀取數據庫中斷層F18的信息，進而在之前建好的基礎模型上建立了斷層F18 的三維模型，然后對由于斷層作用導致的煤體缺失的地方用巖石材質進行填充，使其更加逼真，反映出煤巖層賦存形態(tài)及地質構造發(fā)育規(guī)律，建好的斷層F18的三維剖面圖如圖4所示。

從2013年9月以來，工作面已推采完成，共揭露斷層18條，斷層角度為35°～70°、斷層高度3～15m，達到了預期效果。

7110工作面軌道巷和運輸巷均由開切眼開始施工，掘進85m 處可見斷層角為70°、高度為3m正斷層后，預示巷道已經進入第一個斷層異常區(qū)。在隨后的掘進范圍內，運輸巷和軌道巷又依次揭露了17條斷層，受到這些斷層影響，巷道起伏較大，裂隙發(fā)育、頂板破碎，局部煤增厚，最厚達11m，尤其是7110聯絡巷附近位置的異常處，斷層數量多、走向交錯縱橫，煤層分叉嚴重，工作面難以繼續(xù)推進，通過對7110工作面三維地質模型進行剖切，實現了對工作面內煤層、斷層賦存狀態(tài)的精確預測，提前對復雜區(qū)域采取措施，有效減少了事故突發(fā)的盲目性，為領導決策提供技術資料，減輕了地質工作人員工作量，提高了生產的技術管理水平。實踐表明，隨著7110 工作面的推進，可以通過7110工作面三維模型對煤層賦存狀態(tài)、斷層走向變化趨勢的研究分析，結合巷探、鉆探、巷道實際揭露情況等各種手段確定工作面內存在落差較大隱伏斷層變化情況，對工作面斷層分布及落差大小判斷提供了理論依據。

圖3 斷層F18地測剖面圖

圖4 斷層F18三維剖面圖

5 結論

（1）本課題綜合了以往礦山三維地質建模的研究成果，運用三維可視化相關理論，準確地對研究區(qū)域的煤層賦存形態(tài)、地質構造發(fā)育規(guī)律進行了預測。7110工作面現場實踐表明，該方法能有效預測區(qū)域煤巖的賦存規(guī)律，及時了解地質構造的控制作用。

（2）以現場收集的數據 （上、下平巷及開切眼）為基礎，結合相應的礦山勘探、地測圖形文件，建立各地層、構造的拓撲關系，實現了研究區(qū)域地質信息的數字化。

（3）以數字化的地質信息數據為基礎，科學地建立研究區(qū)域的三維地質信息數據庫，并可及時根據現場揭露、探測資料對數據庫進行維護。

（4）創(chuàng)造性地運用SolidWorks軟件，以三維地質信息數據庫為基礎，通過AutoCAD 將地質數據加工成二維圖形，進而導入到SolidWorks，生成三維圖形元件，借助導線點進行精確標注，為煤巖層添加真實材質，建立了區(qū)域三維地質模型。

（5）本模型能夠根據現場實際生產情況，及時提取地質剖面及相關煤巖層信息，從而優(yōu)化開采設計，對安全隱患采取相應的預防措施。

（6）現場實踐表明，本模型對隱伏的地質構造，尤其是斷層有很好地預測作用，能夠及時指導生產適當調整。因此，對該采區(qū)其他工作面的開采設計、安全生產有較大的指導意義。

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