基于SolidWorks的采煤工作面三维建模及断层识别

2014-04-20李文鑫刘建康杨鑫祥

中国煤炭 2014年10期

李文鑫刘建康杨鑫祥钟阳

（1.山东科技大学矿山灾害预防控制-省部共建国家重点实验室培育基地，山东省青岛市，266590；2.山东科技大学矿业与安全工程学院，山东省青岛市，266590）

随着煤矿生产管理现代化进程的发展，三维立体图无论是在领导层生产指挥方面，还是在生产服务方面以及优化设计方面，都能起到一些二维平面图无法比拟的作用，因此三维立体图的作用显得越来越突出。SolidWorks具有操作方便、灵活的草图绘制和检查功能、可妥善解决多重关联性和数据转换便捷等特点，可以对采区内煤层赋存形态、地质构造发育情况、工作面巷道布置进行精确地三维建模，进而有效指导生产调整，增加经济效益。

目前国内学者对SolidWorks在矿山行业中的应用进行了理论研究，并且做了一些相关的仿真模型，但只是处于模拟研究阶段，没有通过实际现场条件下的应用来验证三维建模对现场的指导作用。本文采用可视化编程语言Microsoft Visual C++，结合Access 数据库技术、ODBC 数据引擎，以SolidWorks2010为平台，针对枣矿集团田陈煤矿7110工作面复杂的煤层赋存状态和地质构造条件进行了真实比例下的三维建模，以指导煤矿的采掘工作。进而验证SolidWorks三维建模在煤矿生产中的应用效果。

1 方案的理论分析

SolidWorks是一套基于Windows 的CAD／CAE／CAM／PDM 桌面集成系统，由美国Solid-Works公司在总结和继承大型机械CAD 软件的基础上，在Windows环境下实现的第一个机械三维CAD 软件。具有直接绘制3D 草图的功能，可以直接便捷地绘制三维巷道；可以通过拉伸、剪切、放样、曲面等功能绘制复杂的采煤工作面；运用标注功能可以将各种参数详细地标注在任何位置；设计者通过操作对象的属性、对象的方法建立自己开发的应用程序，实现二次开发。

SolidWorks是基于OLE 技术、通过应用程序编程接口API将SolidWorks的许多功能封装在SolidWorks对象函数里面，编程的时候可以提供给编程者调用。1个对象包含对象的类型、对象的属性和对象的方法3个方面。设计者通过操作对象的属性、对象的方法建立自己开发的应用程序，实现二次开发。SolidWorks开发系统为：VisualC++编程语言→OLE Atomation技术→SliderWorks工作环境。

对于工作面地质构造和巷道布置的三维建模过程可以分为两部分，一是根据Access数据库中原有的探测数据进行自动的基础巷道建模；二是随着工作面的推进，对于新探测出的地质构造和新掘出的巷道进行人工接续建模。

2 数据库的建立

地层岩石和矿产形成过程以及形成以后，在动力地质作用下会发生变形（如倾斜、褶皱），甚至发生断裂（如出现节理、裂隙、断层）等现象，致使地层岩石及矿产的原始形态发生改变，岩层间的关系变得异常复杂。

三维地质数据是指描述三维地质体的数量、质量、分布、联系等规律的数字、文字、图象和图形等的总称。反映地质体特征的地质数据具有空间数据的基本特征，即空间位置特征、属性特征、空间关系特征和时间特征。主要包括煤层底板等高线、煤层等厚线、巷道地质填图数据、钻孔资料和勘探剖面。

通过三维地质数据得到进行三维建模所需要资料包括巷道编号、起始坐标、终点坐标、轴线类型、圆心坐标等参数；煤层走向、煤矸厚度、倾角等参数；断层走向、倾角、断距等参数。然后通过Microsoft Office Access 2010软件将上述参数全部录入到数据库管理系统。

3 7110工作面三维地质模型的建立

由于采煤工作面的多样性，进行真实比例的建模比较复杂，为此先进行7110工作面矿体主要部分的建模，再进行局部的修改，使其更符合矿体实际。操作流程可分3步。

（1）矿体三维建模。通过AutoCAD 将7110工作面地质数据中的平剖面图等加工成二维图形，制作成块，进而导入到SolidWorks中，保证矿体模型的准确度，再通过拉伸、放样、扫描等命令生成三维地质图形元件，构建出7110工作面矿体三维模型的雏形。

（2）巷道三维建模。Visual C++ 通过ODBC数据引擎连接Access数据库，读取7110工作面数据库中的信息，然后将包含7110运输巷、7110轨道巷、7110工作面开切眼、联络巷等巷道信息的巷道导线点信息表、巷道信息表互相关联，进而生成工作面周围整体巷道，随着7110工作面的推进，地质数据也不断更新，经常需要对一些数据和图样做修改，SolidWorks软件可以在任意位置、任意角度对7110工作面的巷道或者断层等地质构造进行增加或删除，同时可以根据矿上需要，从不同的位置、不同的角度对工作面三维模型进行观察、剖切，更加深入了解模型内部构造。

图1 添加材质的地质效果图

（3）添加标注和材质。7110 工作面矿体和巷道的三维模型建好之后，为了准确地了解各点的地质构造和巷道参数，通过SolidWorks里的标注功能标注不同坐标点的煤厚、矸石厚度、巷道长度、巷道角度以及对已经建好的巷道和井筒进行标注，注明其名称和作用。为了更加直观地观察7110工作面矿体中的地质构造发育，需要为矿体中不同的地质构造添加不同的材质，如图1所示，黑色粉状面积代表煤层，沿白色标记线走向的纯黑色代表断层，其它浅色部分代表无煤区域，G5-G8同样是巷道的导线点。

4 7110工作面三维地质模型在实际生产中的应用

图2 7110工作面三维地质模型图

经过对地质资料的反复测定、修改，7110 工作面三维地质模型如图2 所示。以断层F18 的建模为例，在巷道掘进至断层F18 附近时，通过打眼钻孔获得一系列关于断层F18 的地质数据，然后对所得数据进行处理，进而得到断层F18 位置的地质剖面图，如图3所示，并将断层地质剖面图加工成块，再将断层F18 的长度、断距、倾角、导线点等参数连同处理好的块一同导入到总的Access数据库，通过Visual C++ 经ODBC 数据引擎连接Access数据库，用SolidWorks软件读取数据库中断层F18的信息，进而在之前建好的基础模型上建立了断层F18 的三维模型，然后对由于断层作用导致的煤体缺失的地方用岩石材质进行填充，使其更加逼真，反映出煤岩层赋存形态及地质构造发育规律，建好的断层F18的三维剖面图如图4所示。

从2013年9月以来，工作面已推采完成，共揭露断层18条，断层角度为35°～70°、断层高度3～15m，达到了预期效果。

7110工作面轨道巷和运输巷均由开切眼开始施工，掘进85m 处可见断层角为70°、高度为3m正断层后，预示巷道已经进入第一个断层异常区。在随后的掘进范围内，运输巷和轨道巷又依次揭露了17条断层，受到这些断层影响，巷道起伏较大，裂隙发育、顶板破碎，局部煤增厚，最厚达11m，尤其是7110联络巷附近位置的异常处，断层数量多、走向交错纵横，煤层分叉严重，工作面难以继续推进，通过对7110工作面三维地质模型进行剖切，实现了对工作面内煤层、断层赋存状态的精确预测，提前对复杂区域采取措施，有效减少了事故突发的盲目性，为领导决策提供技术资料，减轻了地质工作人员工作量，提高了生产的技术管理水平。实践表明，随着7110 工作面的推进，可以通过7110工作面三维模型对煤层赋存状态、断层走向变化趋势的研究分析，结合巷探、钻探、巷道实际揭露情况等各种手段确定工作面内存在落差较大隐伏断层变化情况，对工作面断层分布及落差大小判断提供了理论依据。