寺家庄煤业井下三维动态建模技术的应用研究

李 霞

（山西阳煤寺家庄煤业有限责任公司，山西 昔阳 045300）

山西阳煤寺家庄矿井位于太行山北段，沁水煤田东北部，工业场地位于昔阳县下秦山村，距县城约7km。井田面积120.2525km2，矿井地质储量111273万t，可采储量为61730万t，目前其井下测绘采用人工测绘，效率低下，精确度差，在进行新的巷道规划时只能进行初步的二维分析测量，无法实现直观的三维分析，给煤矿井下的综采作业带来了极大的安全隐患。因此本文提出了“数字矿山”的概念[1]，利用三维动态建模的方案实现对井下巷道、煤层地理分布的直观测量，将井下地质空间分布实现三维可视化，目前该技术已得到了全面的推广。

1 井下三维建模数据方案

为提升井下地质三维建模效率，寺家庄煤业在开始规划时就采用了成熟的Polyvrt结构拓扑关系模型[2]。

在进行三维转换时，利用面向测绘对象的方法，将井下测绘对象模型转换为常规的点、线、面三类，然后将其转换为体测量。井下常用的点特征主要包括各类离散点、分布的测量导线的起始点以及钻孔时候的采样点；常用的线性测量主要包括各类水沟、电缆线分布以及井下用于运送物料的轨道线；面类测量则主要包括井下巷道的断面、煤层分布层以及各类集成面单元。最后再将以上特征转换为各类单一、复杂的巷道、地层分布体，由点到面再到体，最终形成完善的井下地质三维模型。

本文以井下巷道三维建模为例，对其实际应用方法进行分析，煤矿井下巷道在建模时首先以简单的单巷道结构为基础，其主要由各类基础点和基础面单元构成。其结构如图1所示。

在根据二维测量资料对其进行三维建模转换时，将用于测绘的点分为控制点、离散点、结点以及内插点。其中各类控制点主要是在井下综采时测量的点；各类离散点主要是在对巷道拱顶进行离散化处理后按照实际分布所生产的各关键点，用于构建出井下巷道拱顶位置的分布曲线和转换曲面；而结点则主要是用于表示巷道起始、终结以及转折的点位；内插点主要是为了提高三维建模精度的点，通过以控制点为基础实现对其插值计算而得到的。

图1 液压支架结构示意图

2 寺家庄煤业井下巷道三维动态建模

寺家庄煤业井田面积120.2525km2，矿井地质储量111273万t，可采储量为61730万t，首采15号煤地质储量84126万t，可采储量48374万t，可采煤层为81、84、9、15号煤层。首采15号煤层为全区可采稳定中厚煤层，其整体上煤层分布呈现南倾之势，整个煤层的倾角约为60°。到目前为止15106综采面的中段沿着煤层分布的巷道基本上已经完成巷道开拓，其他相邻作业面的巷道均已开拓完成。

在构建井下三维动态模型时，首先以综采作业面的中段为基础，利用对称建模的方案，辅以中点插值法以及双结点插值法[3]先建立单个巷道的三维数字化模型；然后将各个巷道的独立模型之间连接起来，形成完整的井下地质分布三维模型；完成地下模型构建后，再利用不规则三角网能够随着地形变化而变化的采样位置、灵活性好的优点，对矿区内上侧的地质特征进行三维建模，从而确保三维数字建模结果的准确性。所建立的寺家庄煤业的井下及地面三维可视化模型如图2所示，其表示了寺家庄煤业井下巷道分布和地面地形情况。

3 寺家庄煤业三维可视化模型的路径分析

该三维可视化模型建立后，极大地提升了寺家庄煤业对井下应急安全的反应能力，能够为井下救援、撤离等提供最佳的路径分析。在进行最短路径规划分析时，采用的是Dijkstra分析算法[4]。其主要是对井下三维模型的各节点数据进行读取，根据所标定的各井下巷道的连通情况，自动规划出最佳的路径。反应速度快，可靠性高。对不同等级的路径用不同的颜色进行显示，为井下救援提供参考依据。对井下最佳路径规划时的参数设置，主要是输入起点和终点的地质坐标即可。其参数规划界面如图3所示。

图2 寺家庄煤业的井下及地面三维可视化模型

图3 最短路径规划数据分析框图

假设煤矿井下A点出现了事故，两支救援队伍分别在B点和C点出发对A点位置的人员进行救援，则此时即可采用该三维动态可视化模型的两个最佳路径分析决策系统，按照不同起点到统一终点的方案进行规划。图示BA路径表示B队的最短救援路径，CA路径表示C队的最短救援路径，两组人员按最短路径行进集结后达到救援点进行救援。同时通过该系统，还能够直观地看到井下的救援人员进度，极大地提升了井下救援的效率和安全性。救援路径规划如图4所示。

图4 最短路径规划模型

4 结论

本文针对寺家庄煤业现有的井下测绘效率低下、精确性差、无法满足日益增加的井下巷道规划要求的现状，提出了一种三维动态建模技术。对井下巷道三维构建方法、原理等进行了分析。

（1）提出了将复杂巷道网络由简入繁的建模方法，先建立其各巷道的分立的三维模型，然后再将含有交叉口的巷道模型进行融合的思路，降低了井下测绘和建模的难度，提升了井下三维建模测绘的效率和建模精度。

（2）提出了一种基于Dijkstra分析算法的井下三维网络最佳路径分析方案，能够根据井下起始点的位置自动规划最佳路径，极大地提升了井下救援速度和安全性。

通过在寺家庄煤业的应用表明，该井下三维动态模型建模方案理论的可行性和有效性，提升了矿区地质测绘管理的信息化程度。