礦井通風(fēng)系統(tǒng)三維模型的構(gòu)建與應(yīng)用

張珂， 楊應(yīng)迪， 劉學(xué)通， 蔣成龍

(安徽理工大學(xué) 能源與安全學(xué)院， 安徽 淮南 232001)

0 引言

隨著煤礦的深入開采，對煤礦的三維建模及可視化的需求越來越迫切，巷道的三維顯示已經(jīng)成為國內(nèi)外礦山數(shù)字化建設(shè)的一個方向。計算機仿真技術(shù)的發(fā)展，為建立礦井通風(fēng)系統(tǒng)的三維模型提供了有效的手段[1]。

礦井通風(fēng)系統(tǒng)圖是對巷道情況最直觀的反映，很多學(xué)者研究了三維仿真技術(shù)，開發(fā)出了一系列礦井通風(fēng)系統(tǒng)來實現(xiàn)巷道的三維顯示。如賈慶仁等[2]利用二維巷道雙邊線計算巷道三線的方法進行建模，開發(fā)了虛擬礦井通風(fēng)系統(tǒng)。蘇楠[3]利用三維仿真技術(shù)結(jié)合Solidworks建模，實現(xiàn)了礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的三維仿真功能。陳海林等[4]通過三維坐標(biāo)計算建立巷道模型，生成了三維通風(fēng)仿真系統(tǒng)。王建民[5]采用線框模型進行巷道建模，生成了巷道模型。李剛等[6]利用軸投影等原理進行巷道建模。以上模型雖然都實現(xiàn)了巷道的三維可視化，但建模算法復(fù)雜，且以巷道兩端端點坐標(biāo)直接確定巷道的走勢，不能較好地體現(xiàn)巷道的起伏。

針對以上問題，本文以煤礦工程平面圖為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，利用巷道間的拓?fù)潢P(guān)系進行定位點采集，在中心線加載斷面算法實現(xiàn)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了三維巷道仿真模型?；谌S巷道模型，將通風(fēng)設(shè)施模型同步到三維系統(tǒng)中，生成了礦井通風(fēng)系統(tǒng)三維模型，生成的立體圖能清晰地展示礦井巷道的整體走勢，結(jié)合數(shù)據(jù)庫信息管理可實現(xiàn)對礦井模型的添加、修改等智能操作。

1 三維巷道模型構(gòu)建

1.1 構(gòu)建流程

三維巷道模型構(gòu)建流程如圖1所示。首先在煤礦工程平面圖上進行導(dǎo)線點數(shù)據(jù)采集和巷道斷面及參數(shù)的選擇；然后由導(dǎo)線點逼近中心線處理，在巷道底板中心線上加載巷道斷面圖元，利用巷道間的拓?fù)潢P(guān)系確定定位點坐標(biāo)，生成三維巷道模型；最后進行圖形的連通性判斷。

1.2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源

煤礦工程平面圖是煤礦生產(chǎn)實體在圖紙上的真實反映，涵蓋了煤礦的基本信息，包括井下巷道、工作面參數(shù)、工作面狀況等[7-9]。三維巷道模型的構(gòu)建主要通過巷道斷面形狀和巷道物理位置來體現(xiàn)，通過采集巷道底板中心線點的三維坐標(biāo)，然后沿中心線軌跡所形成的斷面進行加厚處理即形成礦井巷道模型，而這些數(shù)據(jù)都可以從煤礦工程平面圖上獲取。所以，以煤礦工程平面圖作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的來源繪制三維通風(fēng)系統(tǒng)圖是可靠的。

圖1 三維巷道模型構(gòu)建流程Fig.1 Construction flow of 3D roadway model

1.3 巷道網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型

1.3.1 定位點約定

為了更加清晰地展示巷道三維模型，巷道數(shù)據(jù)模型中的點需要進行分類處理[10]。在空間中，三維建模的基礎(chǔ)就是以(x，y，z)為坐標(biāo)的三維定位點，定位點的精度高，才能反映巷道整體的形態(tài)，采集對應(yīng)的定位點的坐標(biāo)保存到定位點數(shù)據(jù)表。定位點的分類如圖2所示。

圖2 定位點分類Fig.2 Location point classification

定位點：為了確定巷道模型的參考位置和巷道方位等設(shè)置的點，可分為基準(zhǔn)點和巷道點。

基準(zhǔn)點：為了更換圖紙時圖形不改變方位，以方便采集設(shè)置的點，一般以不輕易發(fā)生移動和改變的井口作為參考點，以指北針作為方位點。

巷道點：巷道點分為端點和偽點，端點為巷道的起點和終點，偽點為標(biāo)高差距較大、斷面改變和通風(fēng)設(shè)施存在的地方，包括變坡點、變形點和設(shè)施點。

1.3.2 定位點采集原理

在AutoCAD軟件中，利用煤礦工程平面圖進行交互式采集，識別巷道底板中線點三維坐標(biāo)，根據(jù)定位點的設(shè)置及巷道的拓?fù)潢P(guān)系采集巷道線上的定位點。巷道元素的拓?fù)潢P(guān)系如圖3所示。

在圖3中，1、2、3表示巷道線，D1,D2,D3,D5,D6,D7分別為巷道1、2、3的端點，其中D2,D5也是巷道1的偽點，表示巷道的交點。D4,D8,D9為巷道中的偽點，可表示巷道的變坡點和變形點等。圖元根據(jù)巷道形狀選擇拱形或者是梯形，采集巷道實際尺寸與之相匹配，與此同時生成三維立體巷道模型，并能在三維立體圖形上展示井巷參數(shù)信息。

圖3 巷道各元素的拓?fù)潢P(guān)系Fig.3 Topological relation of each element of roadway

1.4 中心線加載斷面算法的實現(xiàn)

巷道三維建模算法為中心線加載斷面算法，巷道斷面沿著中心線移動，然后進行加厚處理生成三維巷道模型。礦井巷道形態(tài)多樣，主要體現(xiàn)在巷道的物理位置關(guān)系上。把巷道抽象成一條線，即為巷道中線[11-12]。由于導(dǎo)線點相連接時會形成一條折線，這樣生成的三維立體圖形會有彎曲現(xiàn)象。為了避免這種現(xiàn)象，利用現(xiàn)有的導(dǎo)線點的坐標(biāo)、巷道寬度、左邊距、高程校正量等數(shù)據(jù)，采用導(dǎo)線點逼近中心線的方法用巷道底板中線代替導(dǎo)線。依次將巷道中所有的導(dǎo)線點逼近到巷道中心線上，減小由導(dǎo)線點生成巷道帶來的誤差，從而把巷道抽象成一條線進行建模。

在礦井中，各條巷道交錯，形態(tài)各異，以半圓拱形巷道為例研究斷面的加載。巷道斷面的加載是巷道斷面沿中心線進行移動，此過程中巷道可以看作是連貫整體，半圓拱形巷道移動軌跡如圖4所示。加載后的圖形為線條圖，為了形成三維立體巷道模型，還需要對巷道模型進行加厚處理。加載形成的巷道實體模型如圖5所示。基于真實的三維坐標(biāo)進行巷道模型的構(gòu)建，能清晰地識別立體巷道間的交錯關(guān)系，可通過放大、縮小和旋轉(zhuǎn)進行模型展示。

圖4 巷道斷面移動軌跡模型Fig.4 Movement trajectory model of roadway section

圖5 巷道實體模型Fig.5 Entity model of roadway

1.5 拓?fù)潢P(guān)系識別

三維巷道模型的生成過程、各分支之間的拓?fù)潢P(guān)系是通風(fēng)系統(tǒng)研究的核心問題。模型生成之后需要對建好的模型進行連通性判斷，在圖形拓?fù)潢P(guān)系的研究中，主要研究分支與巷道端點之間的關(guān)系。將通風(fēng)系統(tǒng)抽象為空間有向圖，有向圖的各端點就是井巷工程三維空間結(jié)構(gòu)模型中的各空間關(guān)鍵點，有向圖各邊的方向就是風(fēng)流方向。采用深度優(yōu)先搜索算法[13-14]計算通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖中2個端點之間所有的通路。

深度優(yōu)先搜索算法識別步驟如下：

Step1：從數(shù)據(jù)庫中獲得巷道端點、支路數(shù)據(jù)。

Step2：提取出數(shù)據(jù)中端點和邊的關(guān)系，填充鄰接矩陣。

Step3：標(biāo)記和儲存所有度為0的端點(度表示以該點作為一個端點的邊的個數(shù)，度為0表示該點為通路的最后一個點)。對連通支路進行顏色標(biāo)記。

Step4：若存在度不為0的端點，則繼續(xù)執(zhí)行深度優(yōu)先搜索算法。執(zhí)行深度優(yōu)先搜索算法后，找出所有的連通分支，并存儲在內(nèi)存中。

巷道中風(fēng)流的方向應(yīng)從巷道的始端點A1指向末端點A2，當(dāng)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)改變或者繪制發(fā)生錯誤時，會導(dǎo)致巷道的方向和實際風(fēng)流方向不一致。在經(jīng)過通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算后，系統(tǒng)會自動識別風(fēng)流方向改變的巷道，然后通知巷道對象改變方向，將巷道始端點變?yōu)锳2，末端點變?yōu)锳1。向風(fēng)流標(biāo)注符號對象發(fā)送旋轉(zhuǎn)180°的信息，然后進行顯示。當(dāng)進行巷道對象刪除操作時，向風(fēng)流方向?qū)ο蟀l(fā)送消息要求隨之進行刪除操作。

當(dāng)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的通路判定完成后，系統(tǒng)將根據(jù)標(biāo)注及存儲數(shù)據(jù)的情況自動輸出結(jié)果圖，并且彈出對話框，給出判定結(jié)果。如果輸出結(jié)果是連通圖，則全圖會使用一種顏色對點和相連的邊進行顏色標(biāo)記。如果不是連通圖，會分為幾個連通子集，不同的連通子集系統(tǒng)會自動標(biāo)記出不同的顏色，并以對話框的形式提醒。

2 礦井通風(fēng)系統(tǒng)三維模型構(gòu)建

礦井通風(fēng)系統(tǒng)三維模型的構(gòu)建主要包括三維巷道模型和通風(fēng)設(shè)施模型的構(gòu)建。在三維巷道模型的基礎(chǔ)上，采集通風(fēng)機和風(fēng)門等參數(shù)數(shù)據(jù)，構(gòu)建通風(fēng)設(shè)施模型，生成完整的礦井通風(fēng)系統(tǒng)三維模型及礦井資源數(shù)據(jù)庫。構(gòu)建流程如圖6所示。

(1) 基于三維巷道模型，分析通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在煤礦工程平面圖上采集通風(fēng)機、風(fēng)門等參數(shù)數(shù)據(jù)，建立與通風(fēng)系統(tǒng)密切相關(guān)的風(fēng)速、風(fēng)流、風(fēng)壓、風(fēng)阻等參數(shù)數(shù)據(jù)表。

(2) 二維平面圖中布置的通風(fēng)構(gòu)筑物可基于巷道建模原理，采用巷道繪制類似的方法，利用四邊形來構(gòu)造實體模型，通過二三維一體化功能，同步到三維系統(tǒng)中，生成對應(yīng)的三維模型。然后將礦井通風(fēng)系統(tǒng)圖抽象為有向網(wǎng)絡(luò)圖，為確定定位點之間的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)連通性，在進行通路判斷時遍尋每一個定位點[15]。

圖6 礦井通風(fēng)系統(tǒng)三維模型構(gòu)建流程Fig.6 Construction process of 3D model of mine ventilation system

風(fēng)門模型：建模時將風(fēng)門的三維空間位置、所處巷道、類型及開關(guān)狀態(tài)等數(shù)據(jù)存儲到風(fēng)門屬性表中。

通風(fēng)機模型：建模時將通風(fēng)機的三維空間位置、所在巷道及風(fēng)量等數(shù)據(jù)存儲到通風(fēng)機屬性表中。

(3) 礦井資源數(shù)據(jù)庫生成。數(shù)據(jù)庫中包括巷道定位點表、風(fēng)門屬性表、通風(fēng)機屬性表和通風(fēng)機巷道關(guān)聯(lián)表等。結(jié)合礦井資源數(shù)據(jù)庫，可以對礦井通風(fēng)系統(tǒng)三維模型進行刪除、重繪等處理，如圖7所示。在對話框中輸入始點和末點的節(jié)點號即可查詢建立的巷道分支，并可對該分支進行相應(yīng)的修改。

圖7 智能操作Fig.7 Intelligent operation

3 工程應(yīng)用

平頂山煤業(yè)集團有限責(zé)任公司六礦通風(fēng)方式為分區(qū)與中央并列混合式通風(fēng)，于1970年投產(chǎn)，通風(fēng)方法為抽出式通風(fēng)。共有一水平主井、一水平副井、北一副井、北二副井4個進風(fēng)井進風(fēng)，北一風(fēng)井、北二風(fēng)井2個回風(fēng)井回風(fēng)。其中北一風(fēng)井擔(dān)負(fù)戊二上山采區(qū)回風(fēng)，北二風(fēng)井擔(dān)負(fù)丁一采區(qū)、丁二采區(qū)、北二下山采區(qū)回風(fēng)。

將上述礦井通風(fēng)系統(tǒng)三維模型的構(gòu)建方法應(yīng)用到該礦。首先在AutoCAD中打開該礦工程平面圖，在平面圖上選定參考點和井田邊界，然后進行巷道的端點和偽點的采集，端(偽)點號自動生成并且保存到信息采集數(shù)據(jù)庫中，進入點集合，生成的巷道會進入巷道集合。根據(jù)定位點點號在對應(yīng)三維圖上生成三維巷道模型，軟件中定位點采集界面如圖8所示，在該礦主要采集了3個水平的運輸大巷、北一風(fēng)井、北一副井等6個井巷工程及風(fēng)門、通風(fēng)機等參數(shù)數(shù)據(jù)，建立了相應(yīng)的巷道模型、風(fēng)門模型和通風(fēng)機模型，六礦立體圖基本信息見表1。

圖8 定位點采集界面Fig.8 Acquisition interface of location points

表1 六礦立體圖基本信息
Table 1 Basic information of stereogram of No.6 Coal Mine

項目信息巷道分支/條428采集定位點/個629巷道類型半圓拱形、矩形、梯形等通風(fēng)設(shè)施風(fēng)門、擋風(fēng)墻、通風(fēng)機等

以六礦明斜井、-100 m大巷局部通風(fēng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖來展示礦井基本的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖9所示。圖中為北一副井到北二風(fēng)井的回風(fēng)路線，編號為測點，可進行風(fēng)速、斷面等參數(shù)的測試，提供立體圖繪制所需的參數(shù)。

圖9 局部通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)Fig.9 Local ventilation network

在煤礦工程平面圖的基礎(chǔ)上，利用相關(guān)建模原理及數(shù)據(jù)的采集生成三維巷道圖，然后根據(jù)巷道的拓?fù)潢P(guān)系判斷由進風(fēng)巷到回風(fēng)巷是否存在串并聯(lián)巷道等。建立的巷道通風(fēng)立體圖如圖10所示。局部巷道立體圖如圖10(a)所示，對節(jié)點及拐彎處進行平滑處理，使立體圖呈現(xiàn)得更加清晰。可進行風(fēng)流方向的標(biāo)注及巷道顏色等的修改，如圖10(b)所示。最終繪制出六礦通風(fēng)系統(tǒng)整體圖，如圖10(c)所示，該圖能表達出巷道的走勢及工作面的分布狀況，在風(fēng)井處添加工業(yè)廣場的建模，使立體圖的呈現(xiàn)更加清晰。同時，繪圖過程所建立的基礎(chǔ)資源數(shù)據(jù)庫如圖11所示，收錄了巷道節(jié)點坐標(biāo)參數(shù)、巷道斷面及巷道名稱等數(shù)據(jù)信息，數(shù)據(jù)庫可以隨著巷道改變而實時更新。

(a) 局部巷道立體圖 (b) 風(fēng)流方向標(biāo)注

(c) 通風(fēng)系統(tǒng)整體

圖11 資源數(shù)據(jù)庫Fig.11 Resource database

將此建模方法應(yīng)用到平頂山煤業(yè)集團有限責(zé)任公司六礦，改變了以往手工繪制圖紙的方式，實現(xiàn)了二維圖到三維圖的快速轉(zhuǎn)換，更加真實地展示出了六礦的巷道信息及工作面狀況；巷道資源數(shù)據(jù)庫提供了井巷模型的屬性數(shù)據(jù)，使得數(shù)據(jù)既相互獨立又相互兼容，簡化了信息的查詢過程，數(shù)據(jù)庫的信息可實時更新，大大提高了建模效率。

4 結(jié)論

(1) 以煤礦工程平面圖為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，設(shè)置定位點進行數(shù)據(jù)采集，利用中心線加載斷面的方法建立礦井通風(fēng)系統(tǒng)三維模型，生成的巷道立體圖對巷道形狀和走勢的表達更加立體和清晰，具有放大、縮小和旋轉(zhuǎn)等展示功能。

(2) 實際應(yīng)用表明：該通風(fēng)系統(tǒng)三維模型的構(gòu)建方法大大提高了建模效率，可更加真實地展示煤礦巷道信息及工作面狀況，且巷道資源數(shù)據(jù)庫提供了井巷模型的屬性數(shù)據(jù)，可結(jié)合建立的資源數(shù)據(jù)庫對礦井巷道信息進行添加、修改和刪除等操作，為下一步研究通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算和災(zāi)變模擬提供了優(yōu)良的平臺。