回采工作面煤層三維建模技術(shù)及其在智能開采中的應(yīng)用

李 鵬，程建遠(yuǎn)

（1.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077；2.西安科技大學(xué) 地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054）

煤炭智能化開采已成為未來采煤業(yè)發(fā)展趨勢[1-3]，智能化開采改變煤礦采煤的作業(yè)方式和工人的工作條件，對于保障煤礦安全生產(chǎn)、提高生產(chǎn)效率、增加煤炭企業(yè)效益具有重要的意義。經(jīng)過多年發(fā)展，煤炭開采已經(jīng)實現(xiàn)了從機械化、自動化到智能化開采技術(shù)的飛躍，但仍然在多個關(guān)鍵技術(shù)上存在瓶頸，制約著智能開采技術(shù)發(fā)展。

地質(zhì)情況不清楚是制約智能開采的主要問題之一。由于地質(zhì)情況不清楚，采煤機無法進(jìn)行地質(zhì)導(dǎo)航，主要依賴于人工遠(yuǎn)程干預(yù)，開采效率一定程度上取決于操作工人經(jīng)驗，尚未達(dá)到智能化、自動化割煤。為了滿足智能化開采對煤巖識別的需求，近10年來國內(nèi)外專家學(xué)者已進(jìn)行了多種煤巖界面辨識機理和方法的研究，如天然γ射線、測力截齒、噪聲、紅外線、無線電波、雷達(dá)探測等。但是，由于煤礦井下采煤工作面的工況條件十分復(fù)雜，并且各種干擾信號嚴(yán)重，導(dǎo)致以上方法難以準(zhǔn)確、可靠地判斷煤巖界面，基本都無法真正應(yīng)用于實際生產(chǎn)工作工況條件下?；谝酝簬r直接識別技術(shù)的困境，程建遠(yuǎn)等提出了綜合運用鉆探、物探、采掘揭露測量等多種地質(zhì)信息采集手段，采用從地面探測到井下探測、由地質(zhì)預(yù)測到采掘反饋、由靜態(tài)探測到動態(tài)探測的技術(shù)路線，構(gòu)建采煤工作面三維地質(zhì)模型指導(dǎo)采煤機割煤工作的思路，使構(gòu)建高精度的煤層三維模型成為解決這個問題的有效途徑之一[4]。

1 煤層三維建模技術(shù)概述

1.1 三維地質(zhì)建模理論

三維地質(zhì)建模研究在國外起步較早，Carlson Eric從地質(zhì)學(xué)的角度提出了地下空間結(jié)構(gòu)的三維概念模型，并提出了單純復(fù)形模型[5]。Simon W Houlding在總結(jié)前人經(jīng)驗理論的基礎(chǔ)上首次提出了三維地質(zhì)建模的概念，綜合了圖形學(xué)、空間信息管理、地質(zhì)解釋等知識，在三維環(huán)境下實現(xiàn)地質(zhì)信息及知識的可視化，為三維地質(zhì)建模奠定了基礎(chǔ)[6]。從20世紀(jì)80年代開始，國內(nèi)學(xué)者們開始了對三維地質(zhì)建模的研究。李青元提出了由節(jié)點、邊、環(huán)、曲面片、體五組拓?fù)潢P(guān)系組成的三維矢量模型[7]；郭達(dá)志等對八叉樹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)改進(jìn)后用于表達(dá)礦山地下的三維物體[8]；王占剛等提出了基于廣義三棱柱的連續(xù)體和不連續(xù)體的建模算法[9]；唐丙寅等提出了一種基于TINCPG混合空間數(shù)據(jù)模型，并應(yīng)用于城市第四紀(jì)沉積相建模[10]。

國內(nèi)外學(xué)者在三維地質(zhì)建模領(lǐng)域做了大量的研究，提出了多種三維數(shù)據(jù)模型和建模技術(shù)，總結(jié)起來主要為基于面的建模、基于體的建模、混合建模3種?；诿婺Ｐ偷慕７椒ㄖ饕獞?yīng)用于三維空間中實體表面的表達(dá)，如地形地貌的表面、地層的層面及井下巷道工程的輪廓與空間框架；基于體模型的建模方法主要用于三維空間中實體的內(nèi)部屬性以及邊界的表達(dá)，如地層、礦脈、含水體、異常地質(zhì)構(gòu)造等，通過對三維體的幾何構(gòu)型和實體屬性填充實現(xiàn)三維目標(biāo)的空間表示；混合建模主要特點是綜合面模型和體模型的優(yōu)點，在提高交互速度的同時滿足了對空間幾何造型、內(nèi)部屬性的全面表達(dá)。為此，基于地質(zhì)、物探、鉆探數(shù)據(jù)，應(yīng)用混合建模技術(shù)構(gòu)建回采工作面三維地質(zhì)模型，為智能開采提供技術(shù)支撐。

1.2 煤層三維建模關(guān)鍵技術(shù)

工作面煤層三維建模在使用混合建模的基礎(chǔ)上對地質(zhì)、鉆探、物探數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，采用多級多屬性三維動態(tài)地質(zhì)模型構(gòu)建流程構(gòu)建工作面煤層三維地質(zhì)模型，根據(jù)模型生成頂?shù)装迩€轉(zhuǎn)換為采煤機截割參數(shù)指導(dǎo)采煤機進(jìn)行割煤作業(yè)，構(gòu)建過程所采用的關(guān)鍵技術(shù)為：

1）多源數(shù)據(jù)融合解釋技術(shù)。工作面模型構(gòu)建需要使用空間多源數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)在三維場景中的融合主要包括位置坐標(biāo)融合、拓?fù)潢P(guān)系融合、屬性融合。煤層建模主要使用地質(zhì)、地震資料的動態(tài)解釋完成識別控制礦井煤層構(gòu)造、工作面煤層界面的目標(biāo)。工作面形成前后，基于測量技術(shù)收集掘進(jìn)巷道揭露的頂?shù)装濉⒚汉窈蜆?gòu)造等地質(zhì)信息；然后，以上述地質(zhì)信息為約束，對三維地震數(shù)據(jù)進(jìn)行地質(zhì)再解釋，更準(zhǔn)確地確定煤層底板空間形態(tài)和構(gòu)造分布范圍。缺乏三維地震勘探資料的情況下采用鉆探數(shù)據(jù)對地層架構(gòu)進(jìn)行整體控制[11]。

2）多級多屬性三維動態(tài)地質(zhì)模型構(gòu)建技術(shù)。使用多元數(shù)據(jù)融合方法，綜合地質(zhì)條件分析、探測資料構(gòu)建面向采煤工作面的多級、多屬性、動態(tài)地質(zhì)模型。

3）基于透明工作面三維地質(zhì)模型的采煤截割曲線生成技術(shù)。根據(jù)采煤機滾筒參數(shù)使用三維地質(zhì)模型剖切技術(shù)，獲取頂?shù)装迩€，將曲線轉(zhuǎn)換為采煤機截割參數(shù)傳輸?shù)郊叵到y(tǒng)下發(fā)給采煤機，輔助綜采設(shè)備完成割煤作業(yè)。

4）基于三機數(shù)據(jù)和動態(tài)測量的工作面三維地質(zhì)模型動態(tài)優(yōu)化技術(shù)?；诠ぷ髅嫒S地質(zhì)模型提供采煤機截割曲線，根據(jù)開采揭露的地質(zhì)信息和采煤裝備實時信息動態(tài)更新工作面三維地質(zhì)模型，優(yōu)化截割曲線。

1.3 工作面地質(zhì)模型構(gòu)建框架

作面三維模型構(gòu)建架構(gòu)如圖1。

圖1 工作面三維模型構(gòu)建架構(gòu)Fig.1 Construction framework of 3D model of working face

工作面三維地質(zhì)模型構(gòu)建分為3個層次，工模型框架層主要是構(gòu)建整個三維模型的地層架構(gòu)，數(shù)據(jù)來源為鉆探和地震勘探資料；靜態(tài)數(shù)據(jù)層主要針對煤層內(nèi)部構(gòu)造的形態(tài)范圍、煤層的空間形態(tài)進(jìn)行甄別，數(shù)據(jù)來源主要為物探數(shù)據(jù)、測量數(shù)據(jù)、井巷揭露數(shù)據(jù)、測井?dāng)?shù)據(jù)等；動態(tài)數(shù)據(jù)層是在工作面三維靜態(tài)模型基礎(chǔ)上對地質(zhì)構(gòu)造、煤層空間形態(tài)等數(shù)據(jù)進(jìn)行動態(tài)更新，數(shù)據(jù)來源主要為回采揭露、地質(zhì)監(jiān)測、井巷測量、采煤裝備參數(shù)等。

2 工作面三維模型動態(tài)構(gòu)建

2.1 地質(zhì)數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)庫構(gòu)建

工作面模型構(gòu)建實施過程中，需要收集和處理的數(shù)據(jù)包括開采區(qū)域的物探數(shù)據(jù)、巷道揭露數(shù)據(jù)、工作面設(shè)備數(shù)據(jù)等，后期需要收集和處理的數(shù)據(jù)包括地震探測數(shù)據(jù)、槽波探測數(shù)據(jù)、鉆孔測量數(shù)據(jù)、鉆孔雷達(dá)探測數(shù)據(jù)、激光雷達(dá)掃描數(shù)據(jù)等，對多源數(shù)據(jù)進(jìn)行選擇、預(yù)處理、存儲，構(gòu)建基于統(tǒng)一數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的地質(zhì)信息數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。建立地質(zhì)數(shù)據(jù)庫，管理地質(zhì)、工程地質(zhì)數(shù)據(jù)；建立鉆探數(shù)據(jù)庫，管理鉆孔、巖性、測井曲線等鉆探數(shù)據(jù)；建立物探數(shù)據(jù)庫，存儲地震勘探、電磁法勘探、微震監(jiān)測、網(wǎng)絡(luò)電法監(jiān)測等地球物理探測和地質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)；建立測量數(shù)據(jù)庫，管理井巷測量、開采揭露等測量數(shù)據(jù)。針對特定工作面對多元異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行精細(xì)處理和補充，為建立工作面的三維地質(zhì)模型提供數(shù)據(jù)支撐。

2.2 綜合探測與動態(tài)地質(zhì)解釋

綜合探測與動態(tài)地質(zhì)解釋的目的是確定工作面的基本地質(zhì)狀況，提供回采工作面基本的地質(zhì)框架，探明規(guī)模較大的地質(zhì)異常，為采掘規(guī)劃、井下精細(xì)探測布置工作提供參考。地震探測技術(shù)，用于進(jìn)行高密度地震勘探補勘，形成更加精準(zhǔn)的地質(zhì)框架構(gòu)造；槽波探測技術(shù)，用于探明工作面地質(zhì)構(gòu)造狀況，研究分析工作面內(nèi)巷道及周邊情況；鉆孔探查與孔中物探技術(shù)，用于分析鉆孔穿煤層的空間位置，得到工作面中間部位煤層頂?shù)装蹇臻g位置信息。

地震勘探解釋主要完成層位標(biāo)定、煤層底板反射波和構(gòu)造精細(xì)解釋；利用已有的測井資料與三維地震數(shù)據(jù)開展波阻抗反演、多參數(shù)反演，反演得到波阻抗數(shù)據(jù)體、擬自然伽馬體等，對煤層厚度和頂?shù)装鍘r性分布進(jìn)行預(yù)測。工作面形成前后，收集掘進(jìn)巷道揭露的頂?shù)装?、煤厚和?gòu)造等地質(zhì)信息為約束，對三維地震數(shù)據(jù)進(jìn)行地質(zhì)再解釋，更準(zhǔn)確地確定煤層底板空間形態(tài)和構(gòu)造分布范圍。在煤層厚度預(yù)測中，以高精度的點和線數(shù)據(jù)，不斷約束面數(shù)據(jù)，逐級提高精度。在巷道掘進(jìn)和工作面回采過程中，使用新增的測井?dāng)?shù)據(jù)對反演數(shù)據(jù)體進(jìn)行更新，提高巖性解釋精度。

槽波地震勘探解釋煤厚分布和構(gòu)造，無線電磁波透視可得到工作面異常構(gòu)造?；诿合飳崪y煤厚頂?shù)装逍畔⒑兔汉穹植挤囱萁Y(jié)果，用協(xié)同克里金插值技術(shù)融合2種數(shù)據(jù)，得到更精確的煤厚分布結(jié)果。

鉆孔多參數(shù)測量系統(tǒng)（鉆孔伽瑪、鉆孔雷達(dá)）測量鉆孔信息。工作面在采煤之前一般會實施大量的鉆孔工程，用于瓦斯抽放、構(gòu)造探測和探放水，采用測斜結(jié)合鉆孔伽瑪、孔中雷達(dá)等技術(shù)測量鉆孔穿煤層的空間位置，可得到工作面中間部位煤層頂?shù)装蹇臻g位置信息，為工作面地質(zhì)建模提供煤巖界面信息作為約束。

井巷測量技術(shù)主要用于測量井巷揭露的煤層頂?shù)装宓葦?shù)據(jù)。在巷道掘進(jìn)過程中，可以揭露部分異常構(gòu)造，包括斷層、煤厚變薄區(qū)、破碎區(qū)等。在綜采工作面形成之后，進(jìn)、回風(fēng)巷和切眼可揭露煤厚、煤層起伏信息。一般情況下，巷道斷面主體均位于煤層內(nèi)，如果煤層較厚，會留一部分頂煤和底煤；如果煤層厚度與巷道設(shè)計高度相對一致時，巷道頂?shù)装迮c煤層頂?shù)装寤局睾希划?dāng)煤層較薄時，實際采煤過程中會割底或切頂。若巷道掘進(jìn)過程中不留頂?shù)酌?，則可以測量出煤層在局部位置處的傾角和傾向，從而量化煤層起伏形態(tài)。

2.3 工作面三維靜態(tài)地質(zhì)模型構(gòu)建

工作面煤層靜態(tài)地質(zhì)模型建模主要包括2個方面：煤層空間形態(tài)和異常地質(zhì)構(gòu)造，前者可以為采煤機采煤提供地質(zhì)導(dǎo)航，而后者則可以指導(dǎo)采礦計劃制定和安全回采工作。采用靜態(tài)模型構(gòu)建方案的技術(shù)方案，探測工作面煤層地質(zhì)條件，為靜態(tài)地質(zhì)模型的構(gòu)建提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。靜態(tài)模型構(gòu)建方案如圖2。

圖2 靜態(tài)模型構(gòu)建方案Fig.2 Static model construction scheme

基于處理后的地質(zhì)信息數(shù)據(jù)，建立工作面的靜態(tài)地質(zhì)幾何框架模型：基于煤層底板等高線圖和煤厚等值線圖，初步建立煤層空間模型；然后基于鉆孔資料得到的工作面頂?shù)装蹇臻g位置信息，修正煤層空間模型；基于上述不同方法解釋的工作面地質(zhì)異常信息和巷道揭露的地質(zhì)異常，綜合分析異常類型及范圍，在煤層空間模型的基礎(chǔ)上對異常地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行建模；最終建立工作面的多維度靜態(tài)精細(xì)地質(zhì)模型。

2.4 工作面開采模型虛擬截割

虛擬截割是對構(gòu)建的工作面模型進(jìn)行剖切來規(guī)劃設(shè)計采煤機割煤曲線。工作面模型切割分為2種類型：第1種是基于靜態(tài)模型的等距切割，此類切割方法按照固定進(jìn)尺為切割單元，將整個工作面切割成若干塊，將每一塊的切割曲線進(jìn)行記錄；第2種是基于動態(tài)模型的等距切割，即在開采過程中，根據(jù)動態(tài)更新的模型進(jìn)行剖切。基于地質(zhì)模型的虛擬截割是融合綜合探查、開采現(xiàn)狀、測量信息構(gòu)建工作面動態(tài)地質(zhì)模型，通過裝備姿態(tài)與環(huán)境絕對坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)地質(zhì)條件與采掘生產(chǎn)的實時聯(lián)動的一種技術(shù)。虛擬截割結(jié)合采煤工藝要求，計算回采前方一定范圍內(nèi)最優(yōu)截割曲線，與集控系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，完成截割曲線生成，輔助綜采設(shè)備完成截割作業(yè)。

2.5 工作面模型動態(tài)更新

工作面模型的動態(tài)更新分為2種形式，實時更新和動態(tài)更新。實時更新是在生產(chǎn)中獲取采煤裝備返回的截割高度、截割電流、液壓支架壓力等回饋信息，運用智能算法更新地質(zhì)模型，并判斷截割曲線的合理性，預(yù)判分析下一刀是否需要調(diào)整，更新下一刀的截割策略，實現(xiàn)自動化循環(huán)推進(jìn)；動態(tài)更新是采用井下實時揭露、精準(zhǔn)測量反饋的數(shù)據(jù)，在獲取新數(shù)據(jù)2～4 h內(nèi)，通過自動程序完成地質(zhì)模型的更新和截割曲線的生成，調(diào)整截割規(guī)劃曲線?；诓擅簠?shù)的動態(tài)更新如圖3。

圖3 基于采煤參數(shù)的動態(tài)更新Fig.3 Dynamic updating based on mining parameters

建立工作面動態(tài)地質(zhì)模型后，通過地質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)多源異構(gòu)地質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸，在工作面地質(zhì)模型上同步映射微震、電法監(jiān)測、水文監(jiān)測、應(yīng)力應(yīng)變等地質(zhì)監(jiān)測信息，將監(jiān)測數(shù)據(jù)與地質(zhì)模型融合，直接在模型空間中觀察地下采動、異常構(gòu)造、地下水流動等導(dǎo)致的監(jiān)測信號變化，用于指導(dǎo)安全回采。

3 煤層三維建模技術(shù)在智能開采中的應(yīng)用

3.1 應(yīng)用工作面情況

試驗礦井位于沁水煤田西北部，井田大部分被第三系、第四系松散層所覆蓋，僅在井田部分山坡及山梁零星出露有三疊系下統(tǒng)劉家溝組、二疊系上統(tǒng)石千峰組及上石盒子組地層。建模試驗工作面長3 km，工作面所掘3#煤層賦存較穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，內(nèi)生裂隙發(fā)育，煤層中含1～2層泥質(zhì)夾矸，厚度一般為0.20～1.50 m?？傮w地質(zhì)構(gòu)造整體為一北高南低、東高西低的單斜構(gòu)造形態(tài)，煤層走向N60°W、傾向SW，傾角一般為2°～8°，平均坡度6°，局部達(dá)到12°。

3.2 試驗工作面三維地質(zhì)模型構(gòu)建

3.2.1 試驗工作面綜合探測

工作面綜合探測主要采用了巷道測量、鉆孔探測、槽波勘探、三維地震數(shù)據(jù)動態(tài)解釋技術(shù)。

巷道測量范圍為工作面及整個進(jìn)、回風(fēng)巷，對巷道空間信息及鉆孔孔口坐標(biāo)位置進(jìn)行測量，具體內(nèi)容包括：以60 m間距進(jìn)行巷道標(biāo)志點測量；以20 m間距利用全站儀對坡度進(jìn)行高精度測量，結(jié)合標(biāo)志點進(jìn)行底板標(biāo)高、頂板標(biāo)高的標(biāo)定，同時對煤層揭露厚度、產(chǎn)狀進(jìn)行測量，根據(jù)每個測量點數(shù)據(jù)信息，繪制出地質(zhì)寫實圖，標(biāo)注出底板、頂板、煤厚、夾矸等信息。

鉆孔探測首先對每個鉆孔進(jìn)行定位測量，包括開孔位置與角度，在每個孔口用3個靶點進(jìn)行控制計算孔心坐標(biāo)位置。在每個鉆場選取3個鉆孔進(jìn)行鉆孔伽瑪、鉆孔雷達(dá)探測，選擇順煤層瓦斯孔或高位穿煤層孔，防止孔內(nèi)積水太多而影響測量結(jié)果，在煤巖界面或不確定的位置，降低推送速度或停止在該位置，提升圖像清晰度。

槽波探測用于探明工作面內(nèi)部地質(zhì)構(gòu)造狀況，分析工作面內(nèi)巷道及周邊地質(zhì)異常構(gòu)造情況，工作面接收點與激發(fā)點布置為接收點布置道距10 m，激發(fā)點布置點距10、20 m。地震資料使用最新井巷揭露等精確數(shù)據(jù)動態(tài)標(biāo)定，提高地質(zhì)框架及構(gòu)造的構(gòu)建精度。

3.2.2 工作面煤層三維建模

采用以上勘探、測量數(shù)據(jù)，建立地質(zhì)模型，具體步驟如下：

使用鉆探和采掘資料，通過數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)修正速度模型，結(jié)合三維地震解釋的煤層底板，結(jié)合巷道揭露的煤層底板標(biāo)高及起伏形態(tài)（傾角和傾向）優(yōu)化煤層底板等高線局部細(xì)節(jié)。根據(jù)采掘資料，計算槽波地震勘探煤層厚度反演誤差，優(yōu)化煤層厚度預(yù)測結(jié)果。數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)界面如圖4。

圖4 數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)界面Fig.4 Data fusion system interface

基于鉆孔測量技術(shù)得到的工作面鉆孔穿煤層頂?shù)装蹇臻g位置數(shù)據(jù)、鉆孔雷達(dá)探測得到的煤層頂?shù)装鍞?shù)據(jù)和采掘數(shù)據(jù)，采用序貫高斯模擬技術(shù)修正上述煤層空間起伏初始模型。

使用工作面地質(zhì)異常信息和巷道揭露的地質(zhì)異常，綜合分析異常類型及范圍，在煤層空間模型的基礎(chǔ)上采用地質(zhì)建模系統(tǒng)對異常地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行建模顯示，主要包括斷層、陷落柱等?；诿簩悠鸱螒B(tài)和構(gòu)造解釋成果，采用三維建模技術(shù)[12]，建立煤層三維可視化模型，用于開采工作。地質(zhì)建模系統(tǒng)界面如圖5。

在開采過程中，對構(gòu)建的工作面三維地質(zhì)模型剖切生成頂?shù)装迩€，將曲線轉(zhuǎn)換為采煤機截割參數(shù)并傳送給集控系統(tǒng)，集控系統(tǒng)控制采煤機根據(jù)截割參數(shù)進(jìn)行采煤工作，并反饋采煤裝備參數(shù)對模型進(jìn)行動態(tài)更新。生成剖面曲線界面如圖6。

圖6 生成剖面曲線界面Fig.6 Generating section curves interface

4 結(jié) 語

提出了回采工作面地質(zhì)模型的3層構(gòu)建框架，闡述了回采工作面煤層模型的構(gòu)建過程；采用綜合動態(tài)解釋技術(shù)對地質(zhì)、鉆探、物探數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合；采用多級多屬性三維動態(tài)地質(zhì)模型構(gòu)建技術(shù)建立回采工作面煤層模型，根據(jù)采煤機截割參數(shù)和煤層三維地質(zhì)模型生成采煤機截割曲線供采煤機進(jìn)行割煤作業(yè)。通過高精度工作面三維地質(zhì)模型、地質(zhì)信息實時更新、地質(zhì)模型與采煤系統(tǒng)集成聯(lián)動，服務(wù)于智能開采，實現(xiàn)采煤機由以往被動調(diào)整的“記憶截割”轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃舆m應(yīng)煤層厚度變化的基于工作面三維地質(zhì)模型的“規(guī)劃截割”。應(yīng)用的工作面建模技術(shù)能為智能開采工作面分析和決策提供更加精準(zhǔn)的地質(zhì)信息，為智能化、無人化開采提供有力的地質(zhì)保障，提高采煤機效率，增加工作面回采率，減少工作面一線采煤人員，保障安全生產(chǎn)。