寺家莊煤業(yè)井下三維動態(tài)建模技術(shù)的應(yīng)用研究

李 霞

（山西陽煤寺家莊煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 昔陽 045300）

山西陽煤寺家莊礦井位于太行山北段，沁水煤田東北部，工業(yè)場地位于昔陽縣下秦山村，距縣城約7km。井田面積120.2525km2，礦井地質(zhì)儲量111273萬t，可采儲量為61730萬t，目前其井下測繪采用人工測繪，效率低下，精確度差，在進(jìn)行新的巷道規(guī)劃時只能進(jìn)行初步的二維分析測量，無法實現(xiàn)直觀的三維分析，給煤礦井下的綜采作業(yè)帶來了極大的安全隱患。因此本文提出了“數(shù)字礦山”的概念[1]，利用三維動態(tài)建模的方案實現(xiàn)對井下巷道、煤層地理分布的直觀測量，將井下地質(zhì)空間分布實現(xiàn)三維可視化，目前該技術(shù)已得到了全面的推廣。

1 井下三維建模數(shù)據(jù)方案

為提升井下地質(zhì)三維建模效率，寺家莊煤業(yè)在開始規(guī)劃時就采用了成熟的Polyvrt結(jié)構(gòu)拓?fù)潢P(guān)系模型[2]。

在進(jìn)行三維轉(zhuǎn)換時，利用面向測繪對象的方法，將井下測繪對象模型轉(zhuǎn)換為常規(guī)的點、線、面三類，然后將其轉(zhuǎn)換為體測量。井下常用的點特征主要包括各類離散點、分布的測量導(dǎo)線的起始點以及鉆孔時候的采樣點；常用的線性測量主要包括各類水溝、電纜線分布以及井下用于運送物料的軌道線；面類測量則主要包括井下巷道的斷面、煤層分布層以及各類集成面單元。最后再將以上特征轉(zhuǎn)換為各類單一、復(fù)雜的巷道、地層分布體，由點到面再到體，最終形成完善的井下地質(zhì)三維模型。

本文以井下巷道三維建模為例，對其實際應(yīng)用方法進(jìn)行分析，煤礦井下巷道在建模時首先以簡單的單巷道結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，其主要由各類基礎(chǔ)點和基礎(chǔ)面單元構(gòu)成。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

在根據(jù)二維測量資料對其進(jìn)行三維建模轉(zhuǎn)換時，將用于測繪的點分為控制點、離散點、結(jié)點以及內(nèi)插點。其中各類控制點主要是在井下綜采時測量的點；各類離散點主要是在對巷道拱頂進(jìn)行離散化處理后按照實際分布所生產(chǎn)的各關(guān)鍵點，用于構(gòu)建出井下巷道拱頂位置的分布曲線和轉(zhuǎn)換曲面；而結(jié)點則主要是用于表示巷道起始、終結(jié)以及轉(zhuǎn)折的點位；內(nèi)插點主要是為了提高三維建模精度的點，通過以控制點為基礎(chǔ)實現(xiàn)對其插值計算而得到的。

圖1 液壓支架結(jié)構(gòu)示意圖

2 寺家莊煤業(yè)井下巷道三維動態(tài)建模

寺家莊煤業(yè)井田面積120.2525km2，礦井地質(zhì)儲量111273萬t，可采儲量為61730萬t，首采15號煤地質(zhì)儲量84126萬t，可采儲量48374萬t，可采煤層為81、84、9、15號煤層。首采15號煤層為全區(qū)可采穩(wěn)定中厚煤層，其整體上煤層分布呈現(xiàn)南傾之勢，整個煤層的傾角約為60°。到目前為止15106綜采面的中段沿著煤層分布的巷道基本上已經(jīng)完成巷道開拓，其他相鄰作業(yè)面的巷道均已開拓完成。

在構(gòu)建井下三維動態(tài)模型時，首先以綜采作業(yè)面的中段為基礎(chǔ)，利用對稱建模的方案，輔以中點插值法以及雙結(jié)點插值法[3]先建立單個巷道的三維數(shù)字化模型；然后將各個巷道的獨立模型之間連接起來，形成完整的井下地質(zhì)分布三維模型；完成地下模型構(gòu)建后，再利用不規(guī)則三角網(wǎng)能夠隨著地形變化而變化的采樣位置、靈活性好的優(yōu)點，對礦區(qū)內(nèi)上側(cè)的地質(zhì)特征進(jìn)行三維建模，從而確保三維數(shù)字建模結(jié)果的準(zhǔn)確性。所建立的寺家莊煤業(yè)的井下及地面三維可視化模型如圖2所示，其表示了寺家莊煤業(yè)井下巷道分布和地面地形情況。

3 寺家莊煤業(yè)三維可視化模型的路徑分析

該三維可視化模型建立后，極大地提升了寺家莊煤業(yè)對井下應(yīng)急安全的反應(yīng)能力，能夠為井下救援、撤離等提供最佳的路徑分析。在進(jìn)行最短路徑規(guī)劃分析時，采用的是Dijkstra分析算法[4]。其主要是對井下三維模型的各節(jié)點數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，根據(jù)所標(biāo)定的各井下巷道的連通情況，自動規(guī)劃出最佳的路徑。反應(yīng)速度快，可靠性高。對不同等級的路徑用不同的顏色進(jìn)行顯示，為井下救援提供參考依據(jù)。對井下最佳路徑規(guī)劃時的參數(shù)設(shè)置，主要是輸入起點和終點的地質(zhì)坐標(biāo)即可。其參數(shù)規(guī)劃界面如圖3所示。

圖2 寺家莊煤業(yè)的井下及地面三維可視化模型

圖3 最短路徑規(guī)劃數(shù)據(jù)分析框圖

假設(shè)煤礦井下A點出現(xiàn)了事故，兩支救援隊伍分別在B點和C點出發(fā)對A點位置的人員進(jìn)行救援，則此時即可采用該三維動態(tài)可視化模型的兩個最佳路徑分析決策系統(tǒng)，按照不同起點到統(tǒng)一終點的方案進(jìn)行規(guī)劃。圖示BA路徑表示B隊的最短救援路徑，CA路徑表示C隊的最短救援路徑，兩組人員按最短路徑行進(jìn)集結(jié)后達(dá)到救援點進(jìn)行救援。同時通過該系統(tǒng)，還能夠直觀地看到井下的救援人員進(jìn)度，極大地提升了井下救援的效率和安全性。救援路徑規(guī)劃如圖4所示。

圖4 最短路徑規(guī)劃模型

4 結(jié)論

本文針對寺家莊煤業(yè)現(xiàn)有的井下測繪效率低下、精確性差、無法滿足日益增加的井下巷道規(guī)劃要求的現(xiàn)狀，提出了一種三維動態(tài)建模技術(shù)。對井下巷道三維構(gòu)建方法、原理等進(jìn)行了分析。

（1）提出了將復(fù)雜巷道網(wǎng)絡(luò)由簡入繁的建模方法，先建立其各巷道的分立的三維模型，然后再將含有交叉口的巷道模型進(jìn)行融合的思路，降低了井下測繪和建模的難度，提升了井下三維建模測繪的效率和建模精度。

（2）提出了一種基于Dijkstra分析算法的井下三維網(wǎng)絡(luò)最佳路徑分析方案，能夠根據(jù)井下起始點的位置自動規(guī)劃最佳路徑，極大地提升了井下救援速度和安全性。

通過在寺家莊煤業(yè)的應(yīng)用表明，該井下三維動態(tài)模型建模方案理論的可行性和有效性，提升了礦區(qū)地質(zhì)測繪管理的信息化程度。