礦井通風系統三維模型的構建與應用

高重陽

內蒙古仲泰能源有限公司宏景塔分公司 內蒙古鄂爾多斯 017000

現有的巷道三維模型建模算法復雜，且以巷道兩端端點坐標直接確定巷道的走勢，不能較好地體現巷道的起伏[1]。針對問題，以煤礦工程平面圖為基礎數據，利用巷道間的拓撲關系進行定位點采集，采用中心線加載斷面的算法構建了礦井三維巷道模型。基于礦井三維巷道模型，將通風設施模型同步到三維系統中，生成了礦井通風系統三維模型及相應數據庫，生成的立體圖能清晰地展示礦井巷道的整體走勢，結合數據庫信息管理可對礦井模型進行添加、修改等智能操作。

1 三維巷道模型構建

1.1 構建流程

首先在煤礦工程平面圖上進行導線點數據采集和巷道斷面及參數的選擇；然后由導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 基礎數據來源

煤礦工程平面圖是煤礦生產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、工作面狀況等。三維巷道模型的構建主要通過巷道斷面形狀和巷道物理位置來體現，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，而這些數據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數據的來源繪制三維通風系統圖是可靠的。

1.3 巷道網絡結構模型

定位點約定。為了更加清晰地展示巷道三維模型，巷道數據模型中的點需要進行分類處理。在空間中，三維建模的基礎就是以（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，采集對應的定位點的坐標保存到定位點數據表。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，以方便采集設置的點，一般以不輕易發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、斷面改變和通風設施存在的地方，包括變坡點、變形點和設施點。

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，根據定位點的設置及巷道的拓撲關系采集巷道線上的定位點。巷道元素的拓撲關系如圖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信息。

1.4 中心線加載斷面算法的實現

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。礦井巷道形態多樣，主要體現在巷道的物理位置關系上。把巷道抽象成一條線，即為巷道中線。由于導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象。為了避免這種現象，利用現有的導線點的坐標、巷道寬度、左邊距、高程校正量等數據，采用導線點逼近中心線的方法用巷道底板中線代替導線。

2 礦井通風系統三維模型的構建

礦井通風系統三維模型的構建主要包括三維巷道模型和通風設施模型的構建。在三維巷道模型的基礎上，采集通風機和風門等參數數據，構建通風設施模型，生成完整的礦井通風系統三維模型及礦井資源數據庫。①基于三維巷道模型，分析通風網絡的拓撲結構，在煤礦工程平面圖上采集通風機、風門等參數數據，建立與通風系統密切相關的風速、風流、風壓、風阻等參數數據表。②二維平面圖中布置的通風構筑物可基于巷道建模原理，采用巷道繪制類似的方法，利用四邊形來構造實體模型，通過二三維一體化功能，同步到三維系統中，生成對應的三維模型。然后將礦井通風系統圖抽象為有向網絡圖，為確定定位點之間的通風網絡連通性，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、類型及開關狀態等數據存儲到風門屬性表中。

總之，該通風系統三維模型的構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，且巷道資源數據庫提供了井巷模型的屬性數據，可結合建立的資源數據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絡解算和災變模擬提供了優良的平臺。