寺家莊煤業井下三維動態建模技術的應用研究

李 霞

（山西陽煤寺家莊煤業有限責任公司，山西 昔陽 045300）

山西陽煤寺家莊礦井位于太行山北段，沁水煤田東北部，工業場地位于昔陽縣下秦山村，距縣城約7km。井田面積120.2525km2，礦井地質儲量111273萬t，可采儲量為61730萬t，目前其井下測繪采用人工測繪，效率低下，精確度差，在進行新的巷道規劃時只能進行初步的二維分析測量，無法實現直觀的三維分析，給煤礦井下的綜采作業帶來了極大的安全隱患。因此本文提出了“數字礦山”的概念[1]，利用三維動態建模的方案實現對井下巷道、煤層地理分布的直觀測量，將井下地質空間分布實現三維可視化，目前該技術已得到了全面的推廣。

1 井下三維建模數據方案

為提升井下地質三維建模效率，寺家莊煤業在開始規劃時就采用了成熟的Polyvrt結構拓撲關系模型[2]。

在進行三維轉換時，利用面向測繪對象的方法，將井下測繪對象模型轉換為常規的點、線、面三類，然后將其轉換為體測量。井下常用的點特征主要包括各類離散點、分布的測量導線的起始點以及鉆孔時候的采樣點；常用的線性測量主要包括各類水溝、電纜線分布以及井下用于運送物料的軌道線；面類測量則主要包括井下巷道的斷面、煤層分布層以及各類集成面單元。最后再將以上特征轉換為各類單一、復雜的巷道、地層分布體，由點到面再到體，最終形成完善的井下地質三維模型。

本文以井下巷道三維建模為例，對其實際應用方法進行分析，煤礦井下巷道在建模時首先以簡單的單巷道結構為基礎，其主要由各類基礎點和基礎面單元構成。其結構如圖1所示。

在根據二維測量資料對其進行三維建模轉換時，將用于測繪的點分為控制點、離散點、結點以及內插點。其中各類控制點主要是在井下綜采時測量的點；各類離散點主要是在對巷道拱頂進行離散化處理后按照實際分布所生產的各關鍵點，用于構建出井下巷道拱頂位置的分布曲線和轉換曲面；而結點則主要是用于表示巷道起始、終結以及轉折的點位；內插點主要是為了提高三維建模精度的點，通過以控制點為基礎實現對其插值計算而得到的。

圖1 液壓支架結構示意圖

2 寺家莊煤業井下巷道三維動態建模

寺家莊煤業井田面積120.2525km2，礦井地質儲量111273萬t，可采儲量為61730萬t，首采15號煤地質儲量84126萬t，可采儲量48374萬t，可采煤層為81、84、9、15號煤層。首采15號煤層為全區可采穩定中厚煤層，其整體上煤層分布呈現南傾之勢，整個煤層的傾角約為60°。到目前為止15106綜采面的中段沿著煤層分布的巷道基本上已經完成巷道開拓，其他相鄰作業面的巷道均已開拓完成。

在構建井下三維動態模型時，首先以綜采作業面的中段為基礎，利用對稱建模的方案，輔以中點插值法以及雙結點插值法[3]先建立單個巷道的三維數字化模型；然后將各個巷道的獨立模型之間連接起來，形成完整的井下地質分布三維模型；完成地下模型構建后，再利用不規則三角網能夠隨著地形變化而變化的采樣位置、靈活性好的優點，對礦區內上側的地質特征進行三維建模，從而確保三維數字建模結果的準確性。所建立的寺家莊煤業的井下及地面三維可視化模型如圖2所示，其表示了寺家莊煤業井下巷道分布和地面地形情況。

3 寺家莊煤業三維可視化模型的路徑分析

該三維可視化模型建立后，極大地提升了寺家莊煤業對井下應急安全的反應能力，能夠為井下救援、撤離等提供最佳的路徑分析。在進行最短路徑規劃分析時，采用的是Dijkstra分析算法[4]。其主要是對井下三維模型的各節點數據進行讀取，根據所標定的各井下巷道的連通情況，自動規劃出最佳的路徑。反應速度快，可靠性高。對不同等級的路徑用不同的顏色進行顯示，為井下救援提供參考依據。對井下最佳路徑規劃時的參數設置，主要是輸入起點和終點的地質坐標即可。其參數規劃界面如圖3所示。

圖2 寺家莊煤業的井下及地面三維可視化模型

圖3 最短路徑規劃數據分析框圖

假設煤礦井下A點出現了事故，兩支救援隊伍分別在B點和C點出發對A點位置的人員進行救援，則此時即可采用該三維動態可視化模型的兩個最佳路徑分析決策系統，按照不同起點到統一終點的方案進行規劃。圖示BA路徑表示B隊的最短救援路徑，CA路徑表示C隊的最短救援路徑，兩組人員按最短路徑行進集結后達到救援點進行救援。同時通過該系統，還能夠直觀地看到井下的救援人員進度，極大地提升了井下救援的效率和安全性。救援路徑規劃如圖4所示。

圖4 最短路徑規劃模型

4 結論

本文針對寺家莊煤業現有的井下測繪效率低下、精確性差、無法滿足日益增加的井下巷道規劃要求的現狀，提出了一種三維動態建模技術。對井下巷道三維構建方法、原理等進行了分析。

（1）提出了將復雜巷道網絡由簡入繁的建模方法，先建立其各巷道的分立的三維模型，然后再將含有交叉口的巷道模型進行融合的思路，降低了井下測繪和建模的難度，提升了井下三維建模測繪的效率和建模精度。

（2）提出了一種基于Dijkstra分析算法的井下三維網絡最佳路徑分析方案，能夠根據井下起始點的位置自動規劃最佳路徑，極大地提升了井下救援速度和安全性。

通過在寺家莊煤業的應用表明，該井下三維動態模型建模方案理論的可行性和有效性，提升了礦區地質測繪管理的信息化程度。