基于VRMine的煤矿巷道断面参数化设计系统研究

纵 帅

(中国煤炭科工集团南京设计研究院有限公司，江苏 南京 210000)

巷道断面设计是矿井开采设计中的一个重要组成部分，设计出的巷道断面直接作为井下巷道施工的依据[1-4]，也是进行井巷工程概算、预算的依据。因此，巷道断面的设计质量直接影响到矿井投资和生产期间安全生产。传统的矿山施工图设计是在AutoCAD软件上进行线条制图，重复性大，效率低下，如果能在某个软件平台上对施工图进行参数化设计，将会大大提高设计效率[5-8]。“集灵数字矿山软件，简称(VRMine)”是由西安集灵信息技术有限公司自主研发的，具有自主知识产权的三维数字矿山系统。一个专为矿山管理、生产和技术部门设计的集数据管理、图形制作、模型建立、生产设计、通风安全、生产监控等多功能为一体的大型三维地理信息系统。本文主要介绍在VRMine软件的基础上，对巷道断面参数化设计进行二次开发[9，10]。

1 巷道断面设计内容

1.1 断面形状与尺寸

巷道断面形状选择应综合考虑多重因素影响，主要包括：巷道所处位置及围岩的物理力学性质、矿压大小；巷道的服务年限及用途；巷道的支护方式及支护材料；邻近同类型矿井的巷道断面形状等。一般主要巷道宜采用拱形断面，采区煤道可采用矩形和梯形巷道，底板压力较大的矿井宜采用圆形或马蹄形断面[11，12]。

巷道断面净尺寸，应根据巷道运输车辆或其他运输设备的最大轮廓尺寸以及架设管线、行人、设备的运送、安装、检修和施工要求等因素确定，按通风要求进行验算。巷道断面净尺寸设计应符合《煤矿安全规程》相关要求，参考煤矿设计手册进行设计。

1.2 水沟与管线

根据巷道倾角、涌水量大小、巷道用途与性质确定水沟布置方案，根据水沟服务年限确定水沟为永久性水沟还是临时性水沟。常用水沟断面有对称倒梯形、半倒梯形和矩形三种。水沟断面尺寸应根据水沟流量、坡度、砌筑材料和断面形状等因素确定。巷道内管线布置的原则，应符合《煤矿安全规程》相关规定，主要是保证安全和便于安装、检修。

1.3 轨道铺设

巷道轨道铺设主要包括轨道、轨枕和道床三个部分。轨道钢轨的型号应与行驶车辆的类型相适应，道岔的型号不得低于线路的钢轨型号。矿井轨枕多使用钢筋混凝土轨枕，个别地点也有用钢轨枕的。混凝土轨枕主要用于井底车场、运输大巷、上(下)山和中巷，钢轨枕主要用于固定道床，其次道岔等处多用木轨枕。煤矿常见的道床主要包括道碴道床和固定道床两种。道碴道床施工简单，易于更换，具有一定的弹性和良好的排水性，一般用于井底车场、主要运输大巷和有电机车通行的巷道。道碴选择、道床厚度和宽度、轨枕铺设间距、轨距选择应按照《煤矿安全规程》和《采矿设计手册》相关要求。固定道床一般是用混凝土整体浇筑，将轨道和道床固定在一起，这种道床车辆运行平稳，运行速度高，服务年限长，但因其造价较高，因此多用于大型矿井的斜井井筒、井底车场和个别运输大巷的轨道铺设中。

2 编程实现

2.1 系统框架设计

在VRMine软件基础上添加参数化设计模块时，为了方便代码管理，首先为原解决方案添加新的项目，命名为Design工程。Design工程链接VRMine软件基础的静态库文件，关于巷道断面设计的一切操作均在Design工程中进行。在VRMine软件界面菜单栏上添加新的菜单命名为“参数化设计”，并在此菜单下添加子菜单“巷道断面设计”，为菜单添加处理函数命名为OnHddmsj。

为巷道断面系统设计两个类：一个用于绘制巷道断面，命名为CHDDMSJComObj；一个用于绘制巷道断面特征表和每米巷道工程量及材料消耗量表，命名为CUpDataTable。巷道断面的绘制关键技术是依据用户输入的巷道参数，根据《采矿工程设计手册》中的计算方法确定断面的尺寸，主要包括：巷道断面净宽度、巷道断面净高度、圆弧拱及三心拱形几何参数。根据断面尺寸结合原点坐标，计算各点坐标，然后利用微软基础的绘图函数把巷道断面形状显示出来。根据选定的巷道支护方式，利用相同的方法，在巷道断面的基础上，添加绘制巷道支护方式。利用CUpDataTable类绘制巷道断面特征表和材料消耗表的方法，同绘制巷道断面的方法原理相同，关键任务是确定表格要显示的内容和控制好表格的显示比例。

2.2 对话框设计

巷道断面参数化设计的核心是巷道参数数据的录入，本次设计主要通过对话框的模式获取外部数据输入。设计采用属性页对话框的模式，把巷道断面参数属性分为6个子对话框进行设计，分别为：断面形状对话框、支护参数设置对话框、运输参数设置对话框、水沟参数设置对话框、其他参数设置对话框以及报表输出对话框。

断面形状对话框主要设计2个group box，用来设置断面形状和支护方式；1个picture control，用来显示预览断面形状；1个edit control，用来显示巷道断面设计原则的文本信息。支护参数设置对话框设置4个group box，用来设置断面的支护参数；1个edit control，用来显示巷道断面设计原则的文本信息。运输参数设置对话框包括5个group box，分别用来设置运输方式、矿车参数、安全间隙、运输机参数和轨枕设计，1个edit control，用来显示运输设备之间间距要求。水沟参数设置对话框设计4个group box，其中“电缆设置”和“管路设置”用来设置巷道内的电缆管路，“水沟形式”和“水沟尺寸”用来设置巷道内水沟的参数；1个edit control，用来显示水沟布置原则。其他参数设置对话框，主要用来设置巷道断面设计的其他参数，包括工程量及材料消耗、报表设计、巷道风流速度表。报表输出对话框，用于巷道断面设计中的输入、计算、输出参数汇总，设计保存按钮，将设计参数报表保存于磁盘文件中。

3 功能测试

对已设计完成的断面设计系统进行功能测试，点击菜单栏中参数化设计菜单下拉菜单巷道断面设计菜单。在弹出的巷道断面参数属性对话框中，设置巷道形状、尺寸、运输设备尺寸，设置巷道围岩类型、支护方式等参数。例如可以在弹出的对话框中，巷道断面形状选择半圆拱形，支护方式选择锚喷支护，支护厚度设为110mm，超挖厚度设为50mm，基础深度设为240mm，轨距选择600mm，底板至轨面距离设为360mm，底板至道碴面设为200mm，矿车宽800mm、高1150mm，电缆高度设为1800mm。参数设置完毕后点击确定按钮，自动生成巷道断面图、巷道断面特征表及工程材料消耗表。巷道断面图如图1所示，断面特征表见表1，每米巷道工程量及材料消耗量表见表2。

图1 巷道断面图(mm)

围岩类别断面积/m2净面积掘进设计尺寸/mm宽高支护方式支护厚度/mm净周长/m4～69.1011.0814703565料石110.0011.00

表2 每米巷道工程量及材料消耗表

4 结 语

在VRMine软件基础上实现了煤矿巷道断面的参数化设计，减少了矿山设计人员的绘图工作量，提高了工作效率。实践证明煤矿断面参数化设计具有十分重要的意义，但是本文只做了巷道断面参数化设计方面的尝试，下一步应把该方法扩展到整个矿井施工图设计中，形成一套完整的矿山施工图参数化设计体系。另外，在工程三维展示迅猛发展的今天，应该着力矿井施工图二、三维一体化的研究，努力做到通过参数输入实现三维立体图展示和二维施工图自动生成。