煤礦井下巷道三維建模時技術要點研究

邊毅彥

【摘 要】礦產資源是國家經濟平穩發展的重要保障基礎之一，隨著科學技術的發展，使得數字化在煤礦勘探、開采等領域有著廣泛地應用前景。煤礦井下三維建模的實現，是煤礦領域數字礦山重要的一部分，將加快煤礦井下信息化建設和發展，使得煤礦在勘探、開采時能夠準確、立體、可視化以及數字化地記錄，對提高煤礦井下工作的開展有著重要支撐作用。本文以煤礦井下巷道為研究背景，對其建立三維模型時技術要點進行研究，為煤礦井下工作的管理水平和工作效率提供技術指導。

【關鍵詞】煤礦資源；巷道；三維建模；信息化

中圖分類號： TD353 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）30-0226-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.30.100

0 引言

我國作為世界上的煤炭大國，其煤炭產量和使用量位于世界第一，煤炭儲存量位于世界第三。煤炭被稱為黑黃金，是世界經濟發展的重要動力來源之一，由于煤炭資源屬于一次性資源，不可再生，國家把煤炭列為重要的戰略資源之一。隨著經濟快速發展，以及我國經濟的發展情況，使得煤炭資源目前仍作為經濟發展中作為主要的能源。隨著進入21世紀以來，信息化科學技術以數字化和網絡化為特征推動著社會在經濟、文化等方面進步發展，是社會可持續發展的重要內在保障。信息技術廣泛地應用在國家的土地、環境、交通、通訊、礦山等方方面面。煤礦企業主要是對煤炭自然資源開發利用為對象，其主要工作涉及到煤炭資源的勘探、設計、開采、管理、運輸以及銷售等。而煤炭資源在生產過程中進行工業信息化建設時，主要包括地理信息、生產信息、安全信息和市場信息等，具體主要表現在：（1）煤礦機械機電一體化在煤炭開采過程中的應用。（2）利用互聯網技術，對煤炭企業生產、銷售、辦公等管理系統進行自動化管理。（3）針對煤炭開采過程中可能出現的瓦斯、突水、自燃地溫等進行時時安全動態監控。（4）礦井資源開采過程中的三維設計。主要包括仿真模擬、可視化采掘設計等，這樣可以實現多方位開采，可以減少安全事故的發生。

長久以來，我國煤礦資源受傳統資源產業模式和生產工藝方面的影響，使得我國煤礦企業在信息化建設方面停滯不前，嚴重阻礙了煤礦信息化建設的步伐，其主要現狀表現在：（1）空間基礎信息不足。由于我國煤礦資源所賦存的自然環境的復雜性，使得對其地質勘探難度加大，制約著煤礦資源信息化的進程。（2）信息孤島現象普遍。由于各個煤礦缺乏信息數據的共享，使得各個煤礦的實際情況之間沒有聯系，最后形成信息孤島，影響信息資源的共享和有效利用。（3）煤礦信息化總體水平不高。我國是個煤礦資源大國，但大部分企業缺乏先進的信息管理系統，嚴重制約企業的發展。本文從煤礦礦井巷道三維建模數據的研究，為煤礦礦井巷道采掘過程提供信息化支持，減少企業生產成本，大大地促進企業信息化地進程，為煤炭企業盈利創造良好的條件。

1 煤礦井下三維數據模型

數據建模是把現實所擁有的數據資料轉變成為有一定內在邏輯的過程。對于煤礦系統來說，其主要在于采煤過程中的掘進巷道和地層兩類煤礦井下空間目標，因此對煤礦井下是煤礦信息系統重要的內容。而巷道是煤礦井下生產過程中重要的通道之一，巷道是將煤從工作面通過傳送帶送到地面的通道，是整個煤礦礦井的核心部分。在煤礦井下巷道掘進的過程中，通過儀器測量的數據起到重要的指導作用，使得煤礦能夠正常地開采，盡量較少意外事故的發生。

1.1 煤礦井下巷道數據源

由于煤礦井下巷道的數據采集不同其他行業的數據采集，其巷道空間有限和環境的復雜性，使得現有的一些先進測量方法和儀器并沒能完全發揮其作用，也不能利用三角網來測量技術參數，使得煤礦井下巷道在掘進過程中的主要數據來源，主要是從以下幾個來源：（1）導線測量法。綜合目前的實際情況，導線測量隨著現代測量技術的發展，使得其測量精度有著顯著的提升，與三角網測量的準確度和精度相比，并不差多少。因此采用導線測量的主要參數是煤礦井下巷道的主要數據來源。（2）貫通設計。根據煤礦井下的實際情況，需要進行貫通設計，通過貫通設計測量的數據也是煤礦井下巷道建模的主要數據源。（3）平差計算方法。由于在進行煤礦井下巷道采用導線測量的方法時，其測量的數據不都是滿足某些巷道的實際數據，這就需要對采集的數據進行一定的處理，使之達到可使用的要求，而平差計算的方法可以使之達到巷道數據的要求，故平差計算的數據也是獲得巷道模型重要的數據來源。（4）巷道中線。在進行煤礦井下巷道數據采集時，有時需要將巷道進行近似處理成一條線，通過這種處理可以簡化數據處理過程，而且也能滿足巷道數據的精度要求。

1.2 煤礦井下巷道的數據特點

由于煤礦井下巷道的實際情況，使得巷道數據的特點具有專一性。巷道的空間區域相對來說不大，通常可以把巷道可以簡化成一個由長、寬、高構成的一個長方體區域，其主要特點是巷道長度隨著掘進而增加，而巷道的寬和高一般情況下變化并不明顯。正因為如此，使得巷道數據特點如下：（1）掘進過程取決于煤礦設計和測量。（2）導線的布設時漸漸進行的。導線的布置是隨著巷道在掘進過程中進行的，并且始終沿著巷道掘進的軌跡，因此在進行導線測量時也能大概將巷道的大致情況有個清晰地了解，使得對巷道特征點及其附屬物也能進行精確的測量。（3）由于導線測量的方法具有三維坐標的特點，通過三維坐標的特點，可以確定測量點在巷道的空間位置，再通過巷道的斷面形進而確定導線點的空間形態。

1.3 煤礦井下巷道三維數據模型的選擇原則

三維GIS技術的發展，使得進行三維空間建模有許多方法，而在煤礦井下巷道進行巷道中線加巷道斷面的方法進行建模。根據巷道及中線加斷面的方法在進行建模時需要遵循的方法有：（1）減少存儲空間。在對煤礦井下巷道進行三維建模時，需要對選取的大量的數據進行存儲，所在進行建模時，需要對三維數據的存儲問題要進行充分地考慮，使得有空間能夠對數據進行存儲，這樣能夠避免由于存儲空間不足而導致數據沒有及時存儲而丟失。（2）數據處理需要的時間較短。在進行建模時，需要處理所需要的數據，在進行數據處理時，需要在模型結構上尋找能夠節約運算的算法來減少運算的時間，進而節約建模成本。（3）數據簡單。三維模型建好之后，定期地需要對模型進行檢查和修復，而且在模型進行更新時，需要對刪除舊的數據，這就需要模型所需要的數據不能過于復雜，不然在進行刪除和替換時引起不必要的紕漏或者錯誤。（4）模型的兼容性要好。由于煤礦井下結構的復雜性，使得一種模型不能完全解決煤礦巷道所有的復雜情況，這要需要多個模型來表征巷道的特征情況，而且各個模型之間的兼容性要好，這樣才能保證巷道的數據能夠在各個模型中較好地傳遞，較少各個模型之間產生的誤差，影響模型最終的精確度。

2 煤礦礦井巷道三維算法設計

基于AutoCAD對煤礦礦井巷道在進行三維建模時，以測量控制點數據和斷面參數為基準點，可以實現對巷道中心線的繪制和巷道斷面的定位。然后利用AutoCAD中常見的特征命令，煤礦礦井巷道進行拉伸，可以最終繪制煤礦井下巷道的三維立體圖。

2.1 煤礦礦井巷道的三維元素的拓撲關系

煤礦礦井巷道錯綜復雜，交織成一個龐大的巷道網絡系統，可以將巷道網絡中的各個巷道假想成空間段，這樣就可以有弧段和結點組成的網絡數據結構和模型。將每個巷道抽象成一條特殊的巷道線，巷道線彼此有關系，最終連接成一個立體的空間網格，空間網格最終形成一個三維空間立體體系。巷道網絡有一些基本元素組成，主要包括結點、節點、弧段和巷道線等。這樣就可以建立巷道元素之間的拓撲關系，其主要拓撲關系有：節點與巷道線的關系、結點與巷道線的關系等。

2.2 煤礦礦井巷道三維坐標算法

由于煤礦礦井巷道的特點，各個導線控制點并不在一個直線上，也不在巷道的中心線上，所以在進行描述巷道之間的關系時，需要測量每個測量點到巷道兩邦的距離。在進行測量時，需要將導線上的每個點換算為巷道的中心點，這樣才能確定巷道的中心線。在進行計算巷道中最后一個控制點的坐標時，需要把巷道倒數第二個點的坐標當作計算最后一個巷道軸線點的坐標來計算，因為在進行最后一個巷道中心點計算時，巷道的前面沒有其它的點，這時需要倒數第二點為測量控制點，這樣才能保證巷道的每個中心點都能完全地計算進去，這樣最后才能確認最后結果的正確性。

2.3 煤礦礦井巷道截面算法

在進行煤礦巷道截面積巷道中軸線數據進行三維建模時，需要對彎曲巷道的中心進行插值處理，其目的是為了使巷道三維模型在彎點處能夠平滑地過渡。可以以平滑擬合的圓弧線代替中心線拐點線段，這樣能保證巷道在彎曲處平滑過渡。在構建巷道的三維結構時，需沿著巷道線在節點和結點上加載巷道截面，常見的巷道體斷面主要有半圓拱形、直角拱形、不規則形等。加載巷道的截面的主要原理是通過巷道中線節點或結上的點屬性來確定巷道實體所在的截面，在通過算法計算出截面的模型，最終確定在該截面上的空間位置和形狀。通過節點和結點處可以演算，進而得到一系列有一定聯系的截面。在一般情況下，煤礦的豎井的斷面為圓形，這樣可以從設計圖或測量數據上得到，這些數據都包含著中軸線的三維坐標點，可以為三維實體建模提供數據支撐。

3 結束語

通過對煤礦礦井巷道三維建模進行研究，對巷道在采掘過程中三維建模進行分析，對提高煤炭在開采時效率和安全有很重要的保障作用，同時也是對煤礦信息化建設來說是一個重要的契機，也對提高煤炭生產實際具有十分重要的指導意義，同時也將對煤炭企業在今后發展起到重要地推動作用。

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