煤礦井下巷道三維建模時技術(shù)要點研究

邊毅彥

【摘 要】礦產(chǎn)資源是國家經(jīng)濟平穩(wěn)發(fā)展的重要保障基礎之一，隨著科學技術(shù)的發(fā)展，使得數(shù)字化在煤礦勘探、開采等領(lǐng)域有著廣泛地應用前景。煤礦井下三維建模的實現(xiàn)，是煤礦領(lǐng)域數(shù)字礦山重要的一部分，將加快煤礦井下信息化建設和發(fā)展，使得煤礦在勘探、開采時能夠準確、立體、可視化以及數(shù)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(shù)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(shù)指導。

【關(guān)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(chǎn)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(jīng)濟發(fā)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(zhàn)略資源之一。隨著經(jīng)濟快速發(fā)展，以及我國經(jīng)濟的發(fā)展情況，使得煤炭資源目前仍作為經(jīng)濟發(fā)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(shù)以數(shù)字化和網(wǎng)絡化為特征推動著社會在經(jīng)濟、文化等方面進步發(fā)展，是社會可持續(xù)發(fā)展的重要內(nèi)在保障。信息技術(shù)廣泛地應用在國家的土地、環(huán)境、交通、通訊、礦山等方方面面。煤礦企業(yè)主要是對煤炭自然資源開發(fā)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(chǎn)過程中進行工業(yè)信息化建設時，主要包括地理信息、生產(chǎn)信息、安全信息和市場信息等，具體主要表現(xiàn)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(lián)網(wǎng)技術(shù)，對煤炭企業(yè)生產(chǎn)、銷售、辦公等管理系統(tǒng)進行自動化管理。（3）針對煤炭開采過程中可能出現(xiàn)的瓦斯、突水、自燃地溫等進行時時安全動態(tài)監(jiān)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(xiàn)多方位開采，可以減少安全事故的發(fā)生。

長久以來，我國煤礦資源受傳統(tǒng)資源產(chǎn)業(yè)模式和生產(chǎn)工藝方面的影響，使得我國煤礦企業(yè)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(xiàn)狀表現(xiàn)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(huán)境的復雜性，使得對其地質(zhì)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(xiàn)象普遍。由于各個煤礦缺乏信息數(shù)據(jù)的共享，使得各個煤礦的實際情況之間沒有聯(lián)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(yè)缺乏先進的信息管理系統(tǒng)，嚴重制約企業(yè)的發(fā)展。本文從煤礦礦井巷道三維建模數(shù)據(jù)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(yè)生產(chǎn)成本，大大地促進企業(yè)信息化地進程，為煤炭企業(yè)盈利創(chuàng)造良好的條件。

1 煤礦井下三維數(shù)據(jù)模型

數(shù)據(jù)建模是把現(xiàn)實所擁有的數(shù)據(jù)資料轉(zhuǎn)變成為有一定內(nèi)在邏輯的過程。對于煤礦系統(tǒng)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(tǒng)重要的內(nèi)容。而巷道是煤礦井下生產(chǎn)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(shù)據(jù)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(fā)生。

1.1 煤礦井下巷道數(shù)據(jù)源

由于煤礦井下巷道的數(shù)據(jù)采集不同其他行業(yè)的數(shù)據(jù)采集，其巷道空間有限和環(huán)境的復雜性，使得現(xiàn)有的一些先進測量方法和儀器并沒能完全發(fā)揮其作用，也不能利用三角網(wǎng)來測量技術(shù)參數(shù)，使得煤礦井下巷道在掘進過程中的主要數(shù)據(jù)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(xiàn)代測量技術(shù)的發(fā)展，使得其測量精度有著顯著的提升，與三角網(wǎng)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(shù)是煤礦井下巷道的主要數(shù)據(jù)來源。（2）貫通設計。根據(jù)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(shù)據(jù)也是煤礦井下巷道建模的主要數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)不都是滿足某些巷道的實際數(shù)據(jù)，這就需要對采集的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的要求，故平差計算的數(shù)據(jù)也是獲得巷道模型重要的數(shù)據(jù)來源。（4）巷道中線。在進行煤礦井下巷道數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)處理過程，而且也能滿足巷道數(shù)據(jù)的精度要求。

1.2 煤礦井下巷道的數(shù)據(jù)特點

由于煤礦井下巷道的實際情況，使得巷道數(shù)據(jù)的特點具有專一性。巷道的空間區(qū)域相對來說不大，通?？梢园严锏揽梢院喕梢粋€由長、寬、高構(gòu)成的一個長方體區(qū)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(shù)據(jù)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(tài)。

1.3 煤礦井下巷道三維數(shù)據(jù)模型的選擇原則

三維GIS技術(shù)的發(fā)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(jù)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(shù)據(jù)進行存儲，所在進行建模時，需要對三維數(shù)據(jù)的存儲問題要進行充分地考慮，使得有空間能夠?qū)?shù)據(jù)進行存儲，這樣能夠避免由于存儲空間不足而導致數(shù)據(jù)沒有及時存儲而丟失。（2）數(shù)據(jù)處理需要的時間較短。在進行建模時，需要處理所需要的數(shù)據(jù)，在進行數(shù)據(jù)處理時，需要在模型結(jié)構(gòu)上尋找能夠節(jié)約運算的算法來減少運算的時間，進而節(jié)約建模成本。（3）數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，這就需要模型所需要的數(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)能夠在各個模型中較好地傳遞，較少各個模型之間產(chǎn)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(shù)據(jù)和斷面參數(shù)為基準點，可以實現(xiàn)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(guān)系

煤礦礦井巷道錯綜復雜，交織成一個龐大的巷道網(wǎng)絡系統(tǒng)，可以將巷道網(wǎng)絡中的各個巷道假想成空間段，這樣就可以有弧段和結(jié)點組成的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)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(guān)系，最終連接成一個立體的空間網(wǎng)格，空間網(wǎng)格最終形成一個三維空間立體體系。巷道網(wǎng)絡有一些基本元素組成，主要包括結(jié)點、節(jié)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(guān)系，其主要拓撲關(guān)系有：節(jié)點與巷道線的關(guān)系、結(jié)點與巷道線的關(guān)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(guān)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(shù)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(shù)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(jié)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(shù)據(jù)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(gòu)建巷道的三維結(jié)構(gòu)時，需沿著巷道線在節(jié)點和結(jié)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(guī)則形等。加載巷道的截面的主要原理是通過巷道中線節(jié)點或結(jié)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(jié)點和結(jié)點處可以演算，進而得到一系列有一定聯(lián)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(shù)據(jù)上得到，這些數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)支撐。

3 結(jié)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(chǎn)實際具有十分重要的指導意義，同時也將對煤炭企業(yè)在今后發(fā)展起到重要地推動作用。

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