防突鉆孔設(shè)計(jì)三維可視化系統(tǒng)的開發(fā)與實(shí)現(xiàn)

丁方磊，王 磊

(1.河南理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，河南 焦作 454003；2.鄭州煤電股份有限公司 超化煤礦，河南 鄭州 452385)

0 引言

煤與瓦斯突出礦井在生產(chǎn)過程中，防治煤與瓦斯突出一直是重大災(zāi)害治理的第一位，直接影響著礦井的安全生產(chǎn)和采掘接替，防治不力可能導(dǎo)致事故的發(fā)生。目前防治煤與瓦斯突出工作以井下鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯為主，井下預(yù)抽煤層瓦斯以抽采鉆孔為基礎(chǔ)，實(shí)質(zhì)就是施工密集鉆孔穿透到煤層內(nèi)部，通過鉆孔排放瓦斯并造成煤層局部卸壓，經(jīng)過較長(zhǎng)一段時(shí)間可有效降低瓦斯含量和壓力，由此引起煤的堅(jiān)固性系數(shù)增加、地應(yīng)力下降、透氣性系數(shù)增加、煤層收縮變形和地應(yīng)力與瓦斯壓力梯度減小等變化，從而達(dá)到削弱直至消除突出危險(xiǎn)。所以，抽放鉆孔的質(zhì)量直接影響抽放效果的好壞，抽放效果的好壞又直接影響防突措施的成敗。合理和完善的抽采鉆孔設(shè)計(jì)，對(duì)于加強(qiáng)礦井安全生產(chǎn)具有重要的意義。

防突鉆孔設(shè)計(jì)圖一般采用礦井瓦斯地質(zhì)圖或者采掘工程平面圖作為底圖，在系統(tǒng)收集、整理的瓦斯和地質(zhì)資料的基礎(chǔ)上，結(jié)合各礦突出煤層的有效抽采半徑，進(jìn)行鉆孔的設(shè)計(jì)，進(jìn)而指導(dǎo)煤礦瓦斯安全防治。地質(zhì)資料: 包括煤層露頭, 煤層底板等高線, 褶皺軸, 斷層, 煤層厚度, 煤層頂板砂、泥巖分界線, 構(gòu)造煤的類型和厚度分布。瓦斯資料：實(shí)測(cè)信息瓦斯含量點(diǎn)、瓦斯壓力點(diǎn)、瓦斯涌出量點(diǎn)、突出動(dòng)力現(xiàn)象點(diǎn)等。防突鉆孔設(shè)計(jì)平面圖是一種水平投影圖，采用正射投影的方法繪制巷道、煤層底板等高線、煤厚等值線、地質(zhì)構(gòu)造、鉆孔等元素，防突鉆孔剖面圖是依據(jù)平面圖上的地質(zhì)信息沿鉛垂方向?qū)⒌貙忧虚_，繪制該切面上煤層、鉆孔、地質(zhì)構(gòu)造、巷道剖面等元素，它們只能表達(dá)地質(zhì)和鉆孔在二維空間的定位，工作中技術(shù)人員從二維圖形中對(duì)煤層鉆孔等元素在腦中進(jìn)行三維還原，不能直觀地展示煤層與巷道、煤層與鉆孔的關(guān)系，同時(shí)為了之后鉆孔智能化設(shè)計(jì)，所以很有必要對(duì)煤層和鉆孔進(jìn)行三維可視化研究。

本文提出了一種基于防突鉆孔設(shè)計(jì)圖的煤層和防突鉆孔三維可視化的解決方案，使用.NET技術(shù)進(jìn)行AutoCAD二次開發(fā)提取建模需用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，使用WPF 3D技術(shù)進(jìn)行模型建立，研究了煤層和鉆孔的三維可視化方法，提升礦井?dāng)?shù)字化管理水平。

1 開發(fā)語言的選擇

AutoCAD以其通用的格式、完善的圖形繪制功能及強(qiáng)大的圖形編輯功能在各行業(yè)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方面發(fā)揮著舉足輕重的作用，AutoCAD二次開發(fā)主要有Auto LISP，ADS，Object ARX，VBA，Visual LISP和AutoCAD .NET等開發(fā)語言。ObjectARX是一種以C++為編程語言，采用先進(jìn)的面向?qū)ο蟮木幊淘?，提供可與AutoCAD直接交互的開發(fā)環(huán)境，與AutoCAD在同一地址空間運(yùn)行并能直接利用AutoCAD核心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和代碼，直接訪問AutoCAD數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)、圖形系統(tǒng)以及CAD幾何造型核心，能使用戶方便快捷地開發(fā)出高效簡(jiǎn)潔的Auto CAD應(yīng)用程序。從AutoCAD 2006開始，Autodesk為其開發(fā)增加了.NET API。.NET API提供了一系列托管的外包類(Managed Wrapper Class)，它將ObjectARX中的各種全局函數(shù)、反應(yīng)器等封裝為.NET API下的某些對(duì)象或?qū)ο蟮膶傩?，使開發(fā)人員可在.NET框架下，使用C#等語言對(duì)AutoCAD進(jìn)行二次開發(fā)。其優(yōu)點(diǎn)是完全面向?qū)ο螅趽碛信cC++相匹配的強(qiáng)大功能的同時(shí)，具有方便易用的特點(diǎn)，是較理想的AutoCAD二次開發(fā)工具[1]。

使用.NET框架開發(fā)的過程中，可使用WPF的UI框架進(jìn)行三維建模[2]。WPF(Windows Presentation Foundation)是微軟在.NET 3.0中推出的基于Windows的用戶界面框架，它基于Direct 3D，能夠利用GPU進(jìn)行渲染3D，使用WPF 3D可以快速建立三維場(chǎng)景，而其中Helix Toolkit庫是一個(gè)用于.NET框架的3D組件集合，使得三維場(chǎng)景和模型的建立更加快速方便。同時(shí)C#語言作為微軟公司在.NET時(shí)代的旗幟性語言，是由C和C++衍生出來的面向?qū)ο蟮木幊陶Z言，運(yùn)行于.NET Framework和.NET Core平臺(tái)之上的高級(jí)程序設(shè)計(jì)語言，兼具安全、穩(wěn)定、簡(jiǎn)單、優(yōu)雅等特性，以強(qiáng)大的操作能力、優(yōu)雅的語法風(fēng)格、創(chuàng)新的語言特性和便捷的面向組件編程的支持成為.NET開發(fā)的首選語言。

通過以上分析，使用.NET框架的C#語言開發(fā)可同時(shí)滿足AutoCAD二次開發(fā)和3D模型的創(chuàng)建。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

三維可視化系統(tǒng)主要包括AutoCAD內(nèi)有關(guān)數(shù)據(jù)提取和根據(jù)數(shù)據(jù)創(chuàng)建模型兩大部分，具體流程如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)流程

2.1 防突鉆孔設(shè)計(jì)圖中數(shù)據(jù)的格式化和提取

在AutoCAD內(nèi)進(jìn)行二次開發(fā)，對(duì)建模需要的數(shù)據(jù)，如圖2所示的煤層底板等高線、煤厚點(diǎn)坐標(biāo)和數(shù)值、巷道中心線、鉆孔、控制邊界等數(shù)據(jù)進(jìn)行格式化和提取。

圖2 防突鉆孔設(shè)計(jì)圖中三維可視化所需基本數(shù)據(jù)

煤層底板等高線、煤厚等值線的格式化：將等高線和煤厚等值線的線型調(diào)整為PolyLine；將PolyLine上過密或過疏的點(diǎn)進(jìn)行均勻化，提高煤層模型建模時(shí)的精準(zhǔn)度；將PolyLine的Elevation設(shè)置為實(shí)際等高線數(shù)值和煤厚值，方便數(shù)據(jù)提取。

提取平面圖中巷道中心線和巷道剖面圖中的巷道底板線，將兩條線融合成三維模型巷道中心線。并根據(jù)巷道實(shí)際斷面情況繪制巷道斷面圖及鉆孔開孔位置。

提取煤層底板線、煤厚點(diǎn)(線)、巷道底板中心線、巷道斷面、鉆孔數(shù)據(jù)，分別創(chuàng)建Model，為了跨應(yīng)用和跨平臺(tái)使用，將Model序列化為Json字符串。

2.2 煤層底板曲面和煤層頂板曲面的建模

克里格法是目前地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)中應(yīng)用最優(yōu)的內(nèi)插法，其實(shí)質(zhì)是一個(gè)實(shí)行局部估計(jì)的加權(quán)平均值，它根據(jù)無偏估計(jì)和方差最小兩項(xiàng)要求來確定加權(quán)系數(shù)的，故稱為最優(yōu)內(nèi)插法，其中最關(guān)鍵的函數(shù)是半方差函數(shù)。半方差函數(shù)確定以后，就可對(duì)未測(cè)點(diǎn)進(jìn)行最優(yōu)內(nèi)插估值。這里根據(jù)提取的底板高程信息和煤厚點(diǎn)信息分別使用球狀變異函數(shù)模型對(duì)Kriging進(jìn)行訓(xùn)練[3-4]。

計(jì)算所有煤層底板線的外邊界，采用J.R.Shewchuk給出的約束Delaunay三角剖分程序Triangle[5]，外邊界作為三角剖分的約束條件，設(shè)置三角形的最小夾角和最大面積，生成三角網(wǎng)Mesh。

遍歷Mesh內(nèi)所有頂點(diǎn)，根據(jù)底板高程點(diǎn)信息和煤厚點(diǎn)信息訓(xùn)練的Kriging，進(jìn)行插值分別生成煤層底板和煤層頂板的高程，分別創(chuàng)建ModelVisual3D模型，如圖3所示。

2.3 瓦斯治理區(qū)域煤體模型的建立

根據(jù)瓦斯治理區(qū)域的邊界分別進(jìn)行三角剖分，使用上一步訓(xùn)練好的Kriging對(duì)三角網(wǎng)的點(diǎn)進(jìn)行插值，生成煤層頂?shù)装濉?/p>

根據(jù)煤層頂?shù)装宓倪吔?，將頂點(diǎn)和三角形索引插入到模型，建立豎直面。

對(duì)瓦斯治理區(qū)域煤體模型賦予透明材質(zhì)，進(jìn)行透明化處理，方便觀察煤體內(nèi)部鉆孔模型，如圖4所示。

圖3 煤層頂?shù)装迩婺Ｐ?/p>

圖4 瓦斯治理區(qū)域煤體模型

2.4 巷道模型的建立

巷道剖面通過巷道底板中心線進(jìn)行放樣，設(shè)置ExtrudedVisual3D的斷面和路徑，生成巷道模型，如圖5所示。

圖5 巷道三維模型

2.5 鉆孔模型的建立

根據(jù)鉆孔的傾角、方位、開孔位置和巖段煤段的長(zhǎng)度，計(jì)算鉆孔見煤點(diǎn)坐標(biāo)和止煤點(diǎn)坐標(biāo)，生成LinesVisual3D鉆孔模型。

對(duì)巖段和煤段分別賦予不同材質(zhì)以區(qū)分，如圖6所示。

最終實(shí)現(xiàn)效果如圖7所示，根據(jù)提取的數(shù)據(jù)，分別建立了煤體、巷道、鉆孔的三維可視化模型。

3 結(jié)語

根據(jù)鄭州礦區(qū)某地點(diǎn)的防突鉆孔設(shè)計(jì)圖，利用AutoCAD二次開發(fā)對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)了格式化和提取，利用WPF建立了煤層、巷道、鉆孔等三維可視化模型。

圖6 鉆孔設(shè)計(jì)中鉆孔模型

圖7 鉆孔設(shè)計(jì)三維可視化呈現(xiàn)

三維可視化模型是對(duì)煤層、巷道、鉆孔進(jìn)行定量表達(dá)和逼真描繪，不僅可以使技術(shù)人員更加形象地理解煤層空間形態(tài)、煤層與鉆孔、巷道與鉆孔之間的空間位置關(guān)系，還可以為鉆孔空白帶研究、煤層瓦斯含量、鉆孔智能化設(shè)計(jì)等，打下良好基礎(chǔ)。

三維可視化模型在鉆孔設(shè)計(jì)方面的應(yīng)用，體現(xiàn)了三維可視化模型在指導(dǎo)鉆孔設(shè)計(jì)可視化設(shè)計(jì)方面的價(jià)值，可以促進(jìn)煤礦信息化、自動(dòng)化建設(shè)。