礦井通風系統(tǒng)三維模型的構(gòu)建與應(yīng)用

高重陽

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現(xiàn)有的巷道三維模型建模算法復(fù)雜，且以巷道兩端端點坐標直接確定巷道的走勢，不能較好地體現(xiàn)巷道的起伏[1]。針對問題，以煤礦工程平面圖為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，利用巷道間的拓撲關(guān)系進行定位點采集，采用中心線加載斷面的算法構(gòu)建了礦井三維巷道模型。基于礦井三維巷道模型，將通風設(shè)施模型同步到三維系統(tǒng)中，生成了礦井通風系統(tǒng)三維模型及相應(yīng)數(shù)據(jù)庫，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)庫信息管理可對礦井模型進行添加、修改等智能操作。

1 三維巷道模型構(gòu)建

1.1 構(gòu)建流程

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，利用巷道間的拓撲關(guān)系確定定位點坐標，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。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，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[2]。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系統(tǒng)圖是可靠的。

1.3 巷道網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型

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。在空間中，三維建模的基礎(chǔ)就是以（x，y，z）為坐標的三維定位點，定位點的精度高，才能反映巷道整體的形態(tài)，采集對應(yīng)的定位點的坐標保存到定位點數(shù)據(jù)表。定位點的分類如圖1所示。

圖1 定位點分類

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，可分為基準點和巷道點。

基準點：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，偽點為標高差距較大、斷面改變和通風設(shè)施存在的地方，包括變坡點、變形點和設(shè)施點。

定位點采集原理。在Auto CAD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，根據(jù)定位點的設(shè)置及巷道的拓撲關(guān)系采集巷道線上的定位點。巷道元素的拓撲關(guān)系如圖2所示。

圖2

在圖2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。

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。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、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。

2 礦井通風系統(tǒng)三維模型的構(gòu)建

礦井通風系統(tǒng)三維模型的構(gòu)建主要包括三維巷道模型和通風設(shè)施模型的構(gòu)建。在三維巷道模型的基礎(chǔ)上，采集通風機和風門等參數(shù)數(shù)據(jù)，構(gòu)建通風設(shè)施模型，生成完整的礦井通風系統(tǒng)三維模型及礦井資源數(shù)據(jù)庫。①基于三維巷道模型，分析通風網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)，在煤礦工程平面圖上采集通風機、風門等參數(shù)數(shù)據(jù)，建立與通風系統(tǒng)密切相關(guān)的風速、風流、風壓、風阻等參數(shù)數(shù)據(jù)表。②二維平面圖中布置的通風構(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網(wǎng)絡(luò)連通性，在進行通路判斷時遍尋每一個定位點。風門模型：建模時將風門的三維空間位置、所處巷道、類型及開關(guān)狀態(tài)等數(shù)據(jù)存儲到風門屬性表中。

總之，該通風系統(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，為下一步研究通風網(wǎng)絡(luò)解算和災(zāi)變模擬提供了優(yōu)良的平臺。