回采工作面煤层三维建模技术及其在智能开采中的应用

李 鹏，程建远

（1.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077；2.西安科技大学 地质与环境学院，陕西 西安 710054）

煤炭智能化开采已成为未来采煤业发展趋势[1-3]，智能化开采改变煤矿采煤的作业方式和工人的工作条件，对于保障煤矿安全生产、提高生产效率、增加煤炭企业效益具有重要的意义。经过多年发展，煤炭开采已经实现了从机械化、自动化到智能化开采技术的飞跃，但仍然在多个关键技术上存在瓶颈，制约着智能开采技术发展。

地质情况不清楚是制约智能开采的主要问题之一。由于地质情况不清楚，采煤机无法进行地质导航，主要依赖于人工远程干预，开采效率一定程度上取决于操作工人经验，尚未达到智能化、自动化割煤。为了满足智能化开采对煤岩识别的需求，近10年来国内外专家学者已进行了多种煤岩界面辨识机理和方法的研究，如天然γ射线、测力截齿、噪声、红外线、无线电波、雷达探测等。但是，由于煤矿井下采煤工作面的工况条件十分复杂，并且各种干扰信号严重，导致以上方法难以准确、可靠地判断煤岩界面，基本都无法真正应用于实际生产工作工况条件下。基于以往煤岩直接识别技术的困境，程建远等提出了综合运用钻探、物探、采掘揭露测量等多种地质信息采集手段，采用从地面探测到井下探测、由地质预测到采掘反馈、由静态探测到动态探测的技术路线，构建采煤工作面三维地质模型指导采煤机割煤工作的思路，使构建高精度的煤层三维模型成为解决这个问题的有效途径之一[4]。

1 煤层三维建模技术概述

1.1 三维地质建模理论

三维地质建模研究在国外起步较早，Carlson Eric从地质学的角度提出了地下空间结构的三维概念模型，并提出了单纯复形模型[5]。Simon W Houlding在总结前人经验理论的基础上首次提出了三维地质建模的概念，综合了图形学、空间信息管理、地质解释等知识，在三维环境下实现地质信息及知识的可视化，为三维地质建模奠定了基础[6]。从20世纪80年代开始，国内学者们开始了对三维地质建模的研究。李青元提出了由节点、边、环、曲面片、体五组拓扑关系组成的三维矢量模型[7]；郭达志等对八叉树数据结构改进后用于表达矿山地下的三维物体[8]；王占刚等提出了基于广义三棱柱的连续体和不连续体的建模算法[9]；唐丙寅等提出了一种基于TINCPG混合空间数据模型，并应用于城市第四纪沉积相建模[10]。

国内外学者在三维地质建模领域做了大量的研究，提出了多种三维数据模型和建模技术，总结起来主要为基于面的建模、基于体的建模、混合建模3种。基于面模型的建模方法主要应用于三维空间中实体表面的表达，如地形地貌的表面、地层的层面及井下巷道工程的轮廓与空间框架；基于体模型的建模方法主要用于三维空间中实体的内部属性以及边界的表达，如地层、矿脉、含水体、异常地质构造等，通过对三维体的几何构型和实体属性填充实现三维目标的空间表示；混合建模主要特点是综合面模型和体模型的优点，在提高交互速度的同时满足了对空间几何造型、内部属性的全面表达。为此，基于地质、物探、钻探数据，应用混合建模技术构建回采工作面三维地质模型，为智能开采提供技术支撑。

1.2 煤层三维建模关键技术

工作面煤层三维建模在使用混合建模的基础上对地质、钻探、物探数据进行数据融合，采用多级多属性三维动态地质模型构建流程构建工作面煤层三维地质模型，根据模型生成顶底板曲线转换为采煤机截割参数指导采煤机进行割煤作业，构建过程所采用的关键技术为：

1）多源数据融合解释技术。工作面模型构建需要使用空间多源数据，这些数据在三维场景中的融合主要包括位置坐标融合、拓扑关系融合、属性融合。煤层建模主要使用地质、地震资料的动态解释完成识别控制矿井煤层构造、工作面煤层界面的目标。工作面形成前后，基于测量技术收集掘进巷道揭露的顶底板、煤厚和构造等地质信息；然后，以上述地质信息为约束，对三维地震数据进行地质再解释，更准确地确定煤层底板空间形态和构造分布范围。缺乏三维地震勘探资料的情况下采用钻探数据对地层架构进行整体控制[11]。

2）多级多属性三维动态地质模型构建技术。使用多元数据融合方法，综合地质条件分析、探测资料构建面向采煤工作面的多级、多属性、动态地质模型。

3）基于透明工作面三维地质模型的采煤截割曲线生成技术。根据采煤机滚筒参数使用三维地质模型剖切技术，获取顶底板曲线，将曲线转换为采煤机截割参数传输到集控系统下发给采煤机，辅助综采设备完成割煤作业。

4）基于三机数据和动态测量的工作面三维地质模型动态优化技术。基于工作面三维地质模型提供采煤机截割曲线，根据开采揭露的地质信息和采煤装备实时信息动态更新工作面三维地质模型，优化截割曲线。

1.3 工作面地质模型构建框架

作面三维模型构建架构如图1。

图1 工作面三维模型构建架构Fig.1 Construction framework of 3D model of working face

工作面三维地质模型构建分为3个层次，工模型框架层主要是构建整个三维模型的地层架构，数据来源为钻探和地震勘探资料；静态数据层主要针对煤层内部构造的形态范围、煤层的空间形态进行甄别，数据来源主要为物探数据、测量数据、井巷揭露数据、测井数据等；动态数据层是在工作面三维静态模型基础上对地质构造、煤层空间形态等数据进行动态更新，数据来源主要为回采揭露、地质监测、井巷测量、采煤装备参数等。

2 工作面三维模型动态构建

2.1 地质数据采集及数据库构建

工作面模型构建实施过程中，需要收集和处理的数据包括开采区域的物探数据、巷道揭露数据、工作面设备数据等，后期需要收集和处理的数据包括地震探测数据、槽波探测数据、钻孔测量数据、钻孔雷达探测数据、激光雷达扫描数据等，对多源数据进行选择、预处理、存储，构建基于统一数据标准的地质信息数据库系统。建立地质数据库，管理地质、工程地质数据；建立钻探数据库，管理钻孔、岩性、测井曲线等钻探数据；建立物探数据库，存储地震勘探、电磁法勘探、微震监测、网络电法监测等地球物理探测和地质监测数据；建立测量数据库，管理井巷测量、开采揭露等测量数据。针对特定工作面对多元异构数据进行精细处理和补充，为建立工作面的三维地质模型提供数据支撑。

2.2 综合探测与动态地质解释

综合探测与动态地质解释的目的是确定工作面的基本地质状况，提供回采工作面基本的地质框架，探明规模较大的地质异常，为采掘规划、井下精细探测布置工作提供参考。地震探测技术，用于进行高密度地震勘探补勘，形成更加精准的地质框架构造；槽波探测技术，用于探明工作面地质构造状况，研究分析工作面内巷道及周边情况；钻孔探查与孔中物探技术，用于分析钻孔穿煤层的空间位置，得到工作面中间部位煤层顶底板空间位置信息。

地震勘探解释主要完成层位标定、煤层底板反射波和构造精细解释；利用已有的测井资料与三维地震数据开展波阻抗反演、多参数反演，反演得到波阻抗数据体、拟自然伽马体等，对煤层厚度和顶底板岩性分布进行预测。工作面形成前后，收集掘进巷道揭露的顶底板、煤厚和构造等地质信息为约束，对三维地震数据进行地质再解释，更准确地确定煤层底板空间形态和构造分布范围。在煤层厚度预测中，以高精度的点和线数据，不断约束面数据，逐级提高精度。在巷道掘进和工作面回采过程中，使用新增的测井数据对反演数据体进行更新，提高岩性解释精度。

槽波地震勘探解释煤厚分布和构造，无线电磁波透视可得到工作面异常构造。基于煤巷实测煤厚顶底板信息和煤厚分布反演结果，用协同克里金插值技术融合2种数据，得到更精确的煤厚分布结果。

钻孔多参数测量系统（钻孔伽玛、钻孔雷达）测量钻孔信息。工作面在采煤之前一般会实施大量的钻孔工程，用于瓦斯抽放、构造探测和探放水，采用测斜结合钻孔伽玛、孔中雷达等技术测量钻孔穿煤层的空间位置，可得到工作面中间部位煤层顶底板空间位置信息，为工作面地质建模提供煤岩界面信息作为约束。

井巷测量技术主要用于测量井巷揭露的煤层顶底板等数据。在巷道掘进过程中，可以揭露部分异常构造，包括断层、煤厚变薄区、破碎区等。在综采工作面形成之后，进、回风巷和切眼可揭露煤厚、煤层起伏信息。一般情况下，巷道断面主体均位于煤层内，如果煤层较厚，会留一部分顶煤和底煤；如果煤层厚度与巷道设计高度相对一致时，巷道顶底板与煤层顶底板基本重合；当煤层较薄时，实际采煤过程中会割底或切顶。若巷道掘进过程中不留顶底煤，则可以测量出煤层在局部位置处的倾角和倾向，从而量化煤层起伏形态。

2.3 工作面三维静态地质模型构建

工作面煤层静态地质模型建模主要包括2个方面：煤层空间形态和异常地质构造，前者可以为采煤机采煤提供地质导航，而后者则可以指导采矿计划制定和安全回采工作。采用静态模型构建方案的技术方案，探测工作面煤层地质条件，为静态地质模型的构建提供数据基础。静态模型构建方案如图2。

图2 静态模型构建方案Fig.2 Static model construction scheme

基于处理后的地质信息数据，建立工作面的静态地质几何框架模型：基于煤层底板等高线图和煤厚等值线图，初步建立煤层空间模型；然后基于钻孔资料得到的工作面顶底板空间位置信息，修正煤层空间模型；基于上述不同方法解释的工作面地质异常信息和巷道揭露的地质异常，综合分析异常类型及范围，在煤层空间模型的基础上对异常地质构造进行建模；最终建立工作面的多维度静态精细地质模型。

2.4 工作面开采模型虚拟截割

虚拟截割是对构建的工作面模型进行剖切来规划设计采煤机割煤曲线。工作面模型切割分为2种类型：第1种是基于静态模型的等距切割，此类切割方法按照固定进尺为切割单元，将整个工作面切割成若干块，将每一块的切割曲线进行记录；第2种是基于动态模型的等距切割，即在开采过程中，根据动态更新的模型进行剖切。基于地质模型的虚拟截割是融合综合探查、开采现状、测量信息构建工作面动态地质模型，通过装备姿态与环境绝对坐标转换，实现地质条件与采掘生产的实时联动的一种技术。虚拟截割结合采煤工艺要求，计算回采前方一定范围内最优截割曲线，与集控系统进行数据交互，完成截割曲线生成，辅助综采设备完成截割作业。

2.5 工作面模型动态更新

工作面模型的动态更新分为2种形式，实时更新和动态更新。实时更新是在生产中获取采煤装备返回的截割高度、截割电流、液压支架压力等回馈信息，运用智能算法更新地质模型，并判断截割曲线的合理性，预判分析下一刀是否需要调整，更新下一刀的截割策略，实现自动化循环推进；动态更新是采用井下实时揭露、精准测量反馈的数据，在获取新数据2～4 h内，通过自动程序完成地质模型的更新和截割曲线的生成，调整截割规划曲线。基于采煤参数的动态更新如图3。

图3 基于采煤参数的动态更新Fig.3 Dynamic updating based on mining parameters

建立工作面动态地质模型后，通过地质监测系统实现多源异构地质监测数据的传输，在工作面地质模型上同步映射微震、电法监测、水文监测、应力应变等地质监测信息，将监测数据与地质模型融合，直接在模型空间中观察地下采动、异常构造、地下水流动等导致的监测信号变化，用于指导安全回采。

3 煤层三维建模技术在智能开采中的应用

3.1 应用工作面情况

试验矿井位于沁水煤田西北部，井田大部分被第三系、第四系松散层所覆盖，仅在井田部分山坡及山梁零星出露有三叠系下统刘家沟组、二叠系上统石千峰组及上石盒子组地层。建模试验工作面长3 km，工作面所掘3#煤层赋存较稳定，结构简单，内生裂隙发育，煤层中含1～2层泥质夹矸，厚度一般为0.20～1.50 m。总体地质构造整体为一北高南低、东高西低的单斜构造形态，煤层走向N60°W、倾向SW，倾角一般为2°～8°，平均坡度6°，局部达到12°。

3.2 试验工作面三维地质模型构建

3.2.1 试验工作面综合探测

工作面综合探测主要采用了巷道测量、钻孔探测、槽波勘探、三维地震数据动态解释技术。

巷道测量范围为工作面及整个进、回风巷，对巷道空间信息及钻孔孔口坐标位置进行测量，具体内容包括：以60 m间距进行巷道标志点测量；以20 m间距利用全站仪对坡度进行高精度测量，结合标志点进行底板标高、顶板标高的标定，同时对煤层揭露厚度、产状进行测量，根据每个测量点数据信息，绘制出地质写实图，标注出底板、顶板、煤厚、夹矸等信息。

钻孔探测首先对每个钻孔进行定位测量，包括开孔位置与角度，在每个孔口用3个靶点进行控制计算孔心坐标位置。在每个钻场选取3个钻孔进行钻孔伽玛、钻孔雷达探测，选择顺煤层瓦斯孔或高位穿煤层孔，防止孔内积水太多而影响测量结果，在煤岩界面或不确定的位置，降低推送速度或停止在该位置，提升图像清晰度。

槽波探测用于探明工作面内部地质构造状况，分析工作面内巷道及周边地质异常构造情况，工作面接收点与激发点布置为接收点布置道距10 m，激发点布置点距10、20 m。地震资料使用最新井巷揭露等精确数据动态标定，提高地质框架及构造的构建精度。

3.2.2 工作面煤层三维建模

采用以上勘探、测量数据，建立地质模型，具体步骤如下：

使用钻探和采掘资料，通过数据融合系统修正速度模型，结合三维地震解释的煤层底板，结合巷道揭露的煤层底板标高及起伏形态（倾角和倾向）优化煤层底板等高线局部细节。根据采掘资料，计算槽波地震勘探煤层厚度反演误差，优化煤层厚度预测结果。数据融合系统界面如图4。

图4 数据融合系统界面Fig.4 Data fusion system interface

基于钻孔测量技术得到的工作面钻孔穿煤层顶底板空间位置数据、钻孔雷达探测得到的煤层顶底板数据和采掘数据，采用序贯高斯模拟技术修正上述煤层空间起伏初始模型。

使用工作面地质异常信息和巷道揭露的地质异常，综合分析异常类型及范围，在煤层空间模型的基础上采用地质建模系统对异常地质构造进行建模显示，主要包括断层、陷落柱等。基于煤层起伏形态和构造解释成果，采用三维建模技术[12]，建立煤层三维可视化模型，用于开采工作。地质建模系统界面如图5。

在开采过程中，对构建的工作面三维地质模型剖切生成顶底板曲线，将曲线转换为采煤机截割参数并传送给集控系统，集控系统控制采煤机根据截割参数进行采煤工作，并反馈采煤装备参数对模型进行动态更新。生成剖面曲线界面如图6。

图6 生成剖面曲线界面Fig.6 Generating section curves interface

4 结 语

提出了回采工作面地质模型的3层构建框架，阐述了回采工作面煤层模型的构建过程；采用综合动态解释技术对地质、钻探、物探数据进行数据融合；采用多级多属性三维动态地质模型构建技术建立回采工作面煤层模型，根据采煤机截割参数和煤层三维地质模型生成采煤机截割曲线供采煤机进行割煤作业。通过高精度工作面三维地质模型、地质信息实时更新、地质模型与采煤系统集成联动，服务于智能开采，实现采煤机由以往被动调整的“记忆截割”转变为主动适应煤层厚度变化的基于工作面三维地质模型的“规划截割”。应用的工作面建模技术能为智能开采工作面分析和决策提供更加精准的地质信息，为智能化、无人化开采提供有力的地质保障，提高采煤机效率，增加工作面回采率，减少工作面一线采煤人员，保障安全生产。