矿井通风系统三维模型的构建与应用

张珂， 杨应迪， 刘学通， 蒋成龙

(安徽理工大学 能源与安全学院， 安徽 淮南 232001)

0 引言

随着煤矿的深入开采，对煤矿的三维建模及可视化的需求越来越迫切，巷道的三维显示已经成为国内外矿山数字化建设的一个方向。计算机仿真技术的发展，为建立矿井通风系统的三维模型提供了有效的手段[1]。

矿井通风系统图是对巷道情况最直观的反映，很多学者研究了三维仿真技术，开发出了一系列矿井通风系统来实现巷道的三维显示。如贾庆仁等[2]利用二维巷道双边线计算巷道三线的方法进行建模，开发了虚拟矿井通风系统。苏楠[3]利用三维仿真技术结合Solidworks建模，实现了矿井通风网络的三维仿真功能。陈海林等[4]通过三维坐标计算建立巷道模型，生成了三维通风仿真系统。王建民[5]采用线框模型进行巷道建模，生成了巷道模型。李刚等[6]利用轴投影等原理进行巷道建模。以上模型虽然都实现了巷道的三维可视化，但建模算法复杂，且以巷道两端端点坐标直接确定巷道的走势，不能较好地体现巷道的起伏。

针对以上问题，本文以煤矿工程平面图为基础数据，利用巷道间的拓扑关系进行定位点采集，在中心线加载断面算法实现的基础上，构建了三维巷道仿真模型。基于三维巷道模型，将通风设施模型同步到三维系统中，生成了矿井通风系统三维模型，生成的立体图能清晰地展示矿井巷道的整体走势，结合数据库信息管理可实现对矿井模型的添加、修改等智能操作。

1 三维巷道模型构建

1.1 构建流程

三维巷道模型构建流程如图1所示。首先在煤矿工程平面图上进行导线点数据采集和巷道断面及参数的选择；然后由导线点逼近中心线处理，在巷道底板中心线上加载巷道断面图元，利用巷道间的拓扑关系确定定位点坐标，生成三维巷道模型；最后进行图形的连通性判断。

1.2 基础数据来源

煤矿工程平面图是煤矿生产实体在图纸上的真实反映，涵盖了煤矿的基本信息，包括井下巷道、工作面参数、工作面状况等[7-9]。三维巷道模型的构建主要通过巷道断面形状和巷道物理位置来体现，通过采集巷道底板中心线点的三维坐标，然后沿中心线轨迹所形成的断面进行加厚处理即形成矿井巷道模型，而这些数据都可以从煤矿工程平面图上获取。所以，以煤矿工程平面图作为基础数据的来源绘制三维通风系统图是可靠的。

图1 三维巷道模型构建流程Fig.1 Construction flow of 3D roadway model

1.3 巷道网络结构模型

1.3.1 定位点约定

为了更加清晰地展示巷道三维模型，巷道数据模型中的点需要进行分类处理[10]。在空间中，三维建模的基础就是以(x，y，z)为坐标的三维定位点，定位点的精度高，才能反映巷道整体的形态，采集对应的定位点的坐标保存到定位点数据表。定位点的分类如图2所示。

图2 定位点分类Fig.2 Location point classification

定位点：为了确定巷道模型的参考位置和巷道方位等设置的点，可分为基准点和巷道点。

基准点：为了更换图纸时图形不改变方位，以方便采集设置的点，一般以不轻易发生移动和改变的井口作为参考点，以指北针作为方位点。

巷道点：巷道点分为端点和伪点，端点为巷道的起点和终点，伪点为标高差距较大、断面改变和通风设施存在的地方，包括变坡点、变形点和设施点。

1.3.2 定位点采集原理

在AutoCAD软件中，利用煤矿工程平面图进行交互式采集，识别巷道底板中线点三维坐标，根据定位点的设置及巷道的拓扑关系采集巷道线上的定位点。巷道元素的拓扑关系如图3所示。

在图3中，1、2、3表示巷道线，D1,D2,D3,D5,D6,D7分别为巷道1、2、3的端点，其中D2,D5也是巷道1的伪点，表示巷道的交点。D4,D8,D9为巷道中的伪点，可表示巷道的变坡点和变形点等。图元根据巷道形状选择拱形或者是梯形，采集巷道实际尺寸与之相匹配，与此同时生成三维立体巷道模型，并能在三维立体图形上展示井巷参数信息。

图3 巷道各元素的拓扑关系Fig.3 Topological relation of each element of roadway

1.4 中心线加载断面算法的实现

巷道三维建模算法为中心线加载断面算法，巷道断面沿着中心线移动，然后进行加厚处理生成三维巷道模型。矿井巷道形态多样，主要体现在巷道的物理位置关系上。把巷道抽象成一条线，即为巷道中线[11-12]。由于导线点相连接时会形成一条折线，这样生成的三维立体图形会有弯曲现象。为了避免这种现象，利用现有的导线点的坐标、巷道宽度、左边距、高程校正量等数据，采用导线点逼近中心线的方法用巷道底板中线代替导线。依次将巷道中所有的导线点逼近到巷道中心线上，减小由导线点生成巷道带来的误差，从而把巷道抽象成一条线进行建模。

在矿井中，各条巷道交错，形态各异，以半圆拱形巷道为例研究断面的加载。巷道断面的加载是巷道断面沿中心线进行移动，此过程中巷道可以看作是连贯整体，半圆拱形巷道移动轨迹如图4所示。加载后的图形为线条图，为了形成三维立体巷道模型，还需要对巷道模型进行加厚处理。加载形成的巷道实体模型如图5所示。基于真实的三维坐标进行巷道模型的构建，能清晰地识别立体巷道间的交错关系，可通过放大、缩小和旋转进行模型展示。

图4 巷道断面移动轨迹模型Fig.4 Movement trajectory model of roadway section

图5 巷道实体模型Fig.5 Entity model of roadway

1.5 拓扑关系识别

三维巷道模型的生成过程、各分支之间的拓扑关系是通风系统研究的核心问题。模型生成之后需要对建好的模型进行连通性判断，在图形拓扑关系的研究中，主要研究分支与巷道端点之间的关系。将通风系统抽象为空间有向图，有向图的各端点就是井巷工程三维空间结构模型中的各空间关键点，有向图各边的方向就是风流方向。采用深度优先搜索算法[13-14]计算通风网络图中2个端点之间所有的通路。

深度优先搜索算法识别步骤如下：

Step1：从数据库中获得巷道端点、支路数据。

Step2：提取出数据中端点和边的关系，填充邻接矩阵。

Step3：标记和储存所有度为0的端点(度表示以该点作为一个端点的边的个数，度为0表示该点为通路的最后一个点)。对连通支路进行颜色标记。

Step4：若存在度不为0的端点，则继续执行深度优先搜索算法。执行深度优先搜索算法后，找出所有的连通分支，并存储在内存中。

巷道中风流的方向应从巷道的始端点A1指向末端点A2，当通风网络改变或者绘制发生错误时，会导致巷道的方向和实际风流方向不一致。在经过通风网络解算后，系统会自动识别风流方向改变的巷道，然后通知巷道对象改变方向，将巷道始端点变为A2，末端点变为A1。向风流标注符号对象发送旋转180°的信息，然后进行显示。当进行巷道对象删除操作时，向风流方向对象发送消息要求随之进行删除操作。

当通风网络的通路判定完成后，系统将根据标注及存储数据的情况自动输出结果图，并且弹出对话框，给出判定结果。如果输出结果是连通图，则全图会使用一种颜色对点和相连的边进行颜色标记。如果不是连通图，会分为几个连通子集，不同的连通子集系统会自动标记出不同的颜色，并以对话框的形式提醒。

2 矿井通风系统三维模型构建

矿井通风系统三维模型的构建主要包括三维巷道模型和通风设施模型的构建。在三维巷道模型的基础上，采集通风机和风门等参数数据，构建通风设施模型，生成完整的矿井通风系统三维模型及矿井资源数据库。构建流程如图6所示。

(1) 基于三维巷道模型，分析通风网络的拓扑结构，在煤矿工程平面图上采集通风机、风门等参数数据，建立与通风系统密切相关的风速、风流、风压、风阻等参数数据表。

(2) 二维平面图中布置的通风构筑物可基于巷道建模原理，采用巷道绘制类似的方法，利用四边形来构造实体模型，通过二三维一体化功能，同步到三维系统中，生成对应的三维模型。然后将矿井通风系统图抽象为有向网络图，为确定定位点之间的通风网络连通性，在进行通路判断时遍寻每一个定位点[15]。

图6 矿井通风系统三维模型构建流程Fig.6 Construction process of 3D model of mine ventilation system

风门模型：建模时将风门的三维空间位置、所处巷道、类型及开关状态等数据存储到风门属性表中。

通风机模型：建模时将通风机的三维空间位置、所在巷道及风量等数据存储到通风机属性表中。

(3) 矿井资源数据库生成。数据库中包括巷道定位点表、风门属性表、通风机属性表和通风机巷道关联表等。结合矿井资源数据库，可以对矿井通风系统三维模型进行删除、重绘等处理，如图7所示。在对话框中输入始点和末点的节点号即可查询建立的巷道分支，并可对该分支进行相应的修改。

图7 智能操作Fig.7 Intelligent operation

3 工程应用

平顶山煤业集团有限责任公司六矿通风方式为分区与中央并列混合式通风，于1970年投产，通风方法为抽出式通风。共有一水平主井、一水平副井、北一副井、北二副井4个进风井进风，北一风井、北二风井2个回风井回风。其中北一风井担负戊二上山采区回风，北二风井担负丁一采区、丁二采区、北二下山采区回风。

将上述矿井通风系统三维模型的构建方法应用到该矿。首先在AutoCAD中打开该矿工程平面图，在平面图上选定参考点和井田边界，然后进行巷道的端点和伪点的采集，端(伪)点号自动生成并且保存到信息采集数据库中，进入点集合，生成的巷道会进入巷道集合。根据定位点点号在对应三维图上生成三维巷道模型，软件中定位点采集界面如图8所示，在该矿主要采集了3个水平的运输大巷、北一风井、北一副井等6个井巷工程及风门、通风机等参数数据，建立了相应的巷道模型、风门模型和通风机模型，六矿立体图基本信息见表1。

图8 定位点采集界面Fig.8 Acquisition interface of location points

表1 六矿立体图基本信息
Table 1 Basic information of stereogram of No.6 Coal Mine

项目信息巷道分支/条428采集定位点/个629巷道类型半圆拱形、矩形、梯形等通风设施风门、挡风墙、通风机等

以六矿明斜井、-100 m大巷局部通风系统网络图来展示矿井基本的拓扑结构，如图9所示。图中为北一副井到北二风井的回风路线，编号为测点，可进行风速、断面等参数的测试，提供立体图绘制所需的参数。

图9 局部通风网络Fig.9 Local ventilation network

在煤矿工程平面图的基础上，利用相关建模原理及数据的采集生成三维巷道图，然后根据巷道的拓扑关系判断由进风巷到回风巷是否存在串并联巷道等。建立的巷道通风立体图如图10所示。局部巷道立体图如图10(a)所示，对节点及拐弯处进行平滑处理，使立体图呈现得更加清晰。可进行风流方向的标注及巷道颜色等的修改，如图10(b)所示。最终绘制出六矿通风系统整体图，如图10(c)所示，该图能表达出巷道的走势及工作面的分布状况，在风井处添加工业广场的建模，使立体图的呈现更加清晰。同时，绘图过程所建立的基础资源数据库如图11所示，收录了巷道节点坐标参数、巷道断面及巷道名称等数据信息，数据库可以随着巷道改变而实时更新。

(a) 局部巷道立体图 (b) 风流方向标注

(c) 通风系统整体

图11 资源数据库Fig.11 Resource database

将此建模方法应用到平顶山煤业集团有限责任公司六矿，改变了以往手工绘制图纸的方式，实现了二维图到三维图的快速转换，更加真实地展示出了六矿的巷道信息及工作面状况；巷道资源数据库提供了井巷模型的属性数据，使得数据既相互独立又相互兼容，简化了信息的查询过程，数据库的信息可实时更新，大大提高了建模效率。

4 结论

(1) 以煤矿工程平面图为基础数据，设置定位点进行数据采集，利用中心线加载断面的方法建立矿井通风系统三维模型，生成的巷道立体图对巷道形状和走势的表达更加立体和清晰，具有放大、缩小和旋转等展示功能。

(2) 实际应用表明：该通风系统三维模型的构建方法大大提高了建模效率，可更加真实地展示煤矿巷道信息及工作面状况，且巷道资源数据库提供了井巷模型的属性数据，可结合建立的资源数据库对矿井巷道信息进行添加、修改和删除等操作，为下一步研究通风网络解算和灾变模拟提供了优良的平台。