煤矿井下巷道三维建模时技术要点研究

边毅彦

【摘 要】矿产资源是国家经济平稳发展的重要保障基础之一，随着科学技术的发展，使得数字化在煤矿勘探、开采等领域有着广泛地应用前景。煤矿井下三维建模的实现，是煤矿领域数字矿山重要的一部分，将加快煤矿井下信息化建设和发展，使得煤矿在勘探、开采时能够准确、立体、可视化以及数字化地记录，对提高煤矿井下工作的开展有着重要支撑作用。本文以煤矿井下巷道为研究背景，对其建立三维模型时技术要点进行研究，为煤矿井下工作的管理水平和工作效率提供技术指导。

【关键词】煤矿资源；巷道；三维建模；信息化

中图分类号： TD353 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）30-0226-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.30.100

0 引言

我国作为世界上的煤炭大国，其煤炭产量和使用量位于世界第一，煤炭储存量位于世界第三。煤炭被称为黑黄金，是世界经济发展的重要动力来源之一，由于煤炭资源属于一次性资源，不可再生，国家把煤炭列为重要的战略资源之一。随着经济快速发展，以及我国经济的发展情况，使得煤炭资源目前仍作为经济发展中作为主要的能源。随着进入21世纪以来，信息化科学技术以数字化和网络化为特征推动着社会在经济、文化等方面进步发展，是社会可持续发展的重要内在保障。信息技术广泛地应用在国家的土地、环境、交通、通讯、矿山等方方面面。煤矿企业主要是对煤炭自然资源开发利用为对象，其主要工作涉及到煤炭资源的勘探、设计、开采、管理、运输以及销售等。而煤炭资源在生产过程中进行工业信息化建设时，主要包括地理信息、生产信息、安全信息和市场信息等，具体主要表现在：（1）煤矿机械机电一体化在煤炭开采过程中的应用。（2）利用互联网技术，对煤炭企业生产、销售、办公等管理系统进行自动化管理。（3）针对煤炭开采过程中可能出现的瓦斯、突水、自燃地温等进行时时安全动态监控。（4）矿井资源开采过程中的三维设计。主要包括仿真模拟、可视化采掘设计等，这样可以实现多方位开采，可以减少安全事故的发生。

长久以来，我国煤矿资源受传统资源产业模式和生产工艺方面的影响，使得我国煤矿企业在信息化建设方面停滞不前，严重阻碍了煤矿信息化建设的步伐，其主要现状表现在：（1）空间基础信息不足。由于我国煤矿资源所赋存的自然环境的复杂性，使得对其地质勘探难度加大，制约着煤矿资源信息化的进程。（2）信息孤岛现象普遍。由于各个煤矿缺乏信息数据的共享，使得各个煤矿的实际情况之间没有联系，最后形成信息孤岛，影响信息资源的共享和有效利用。（3）煤矿信息化总体水平不高。我国是个煤矿资源大国，但大部分企业缺乏先进的信息管理系统，严重制约企业的发展。本文从煤矿矿井巷道三维建模数据的研究，为煤矿矿井巷道采掘过程提供信息化支持，减少企业生产成本，大大地促进企业信息化地进程，为煤炭企业盈利创造良好的条件。

1 煤矿井下三维数据模型

数据建模是把现实所拥有的数据资料转变成为有一定内在逻辑的过程。对于煤矿系统来说，其主要在于采煤过程中的掘进巷道和地层两类煤矿井下空间目标，因此对煤矿井下是煤矿信息系统重要的内容。而巷道是煤矿井下生产过程中重要的通道之一，巷道是将煤从工作面通过传送带送到地面的通道，是整个煤矿矿井的核心部分。在煤矿井下巷道掘进的过程中，通过仪器测量的数据起到重要的指导作用，使得煤矿能够正常地开采，尽量较少意外事故的发生。

1.1 煤矿井下巷道数据源

由于煤矿井下巷道的数据采集不同其他行业的数据采集，其巷道空间有限和环境的复杂性，使得现有的一些先进测量方法和仪器并没能完全发挥其作用，也不能利用三角网来测量技术参数，使得煤矿井下巷道在掘进过程中的主要数据来源，主要是从以下几个来源：（1）导线测量法。综合目前的实际情况，導线测量随着现代测量技术的发展，使得其测量精度有着显著的提升，与三角网测量的准确度和精度相比，并不差多少。因此采用导线测量的主要参数是煤矿井下巷道的主要数据来源。（2）贯通设计。根据煤矿井下的实际情况，需要进行贯通设计，通过贯通设计测量的数据也是煤矿井下巷道建模的主要数据源。（3）平差计算方法。由于在进行煤矿井下巷道采用导线测量的方法时，其测量的数据不都是满足某些巷道的实际数据，这就需要对采集的数据进行一定的处理，使之达到可使用的要求，而平差计算的方法可以使之达到巷道数据的要求，故平差计算的数据也是获得巷道模型重要的数据来源。（4）巷道中线。在进行煤矿井下巷道数据采集时，有时需要将巷道进行近似处理成一条线，通过这种处理可以简化数据处理过程，而且也能满足巷道数据的精度要求。

1.2 煤矿井下巷道的数据特点

由于煤矿井下巷道的实际情况，使得巷道数据的特点具有专一性。巷道的空间区域相对来说不大，通常可以把巷道可以简化成一个由长、宽、高构成的一个长方体区域，其主要特点是巷道长度随着掘进而增加，而巷道的宽和高一般情况下变化并不明显。正因为如此，使得巷道数据特点如下：（1）掘进过程取决于煤矿设计和测量。（2）导线的布设时渐渐进行的。导线的布置是随着巷道在掘进过程中进行的，并且始终沿着巷道掘进的轨迹，因此在进行导线测量时也能大概将巷道的大致情况有个清晰地了解，使得对巷道特征点及其附属物也能进行精确的测量。（3）由于导线测量的方法具有三维坐标的特点，通过三维坐标的特点，可以确定测量点在巷道的空间位置，再通过巷道的断面形进而确定导线点的空间形态。

1.3 煤矿井下巷道三维数据模型的选择原则

三维GIS技术的发展，使得进行三维空间建模有许多方法，而在煤矿井下巷道进行巷道中线加巷道断面的方法进行建模。根据巷道及中线加断面的方法在进行建模时需要遵循的方法有：（1）减少存储空间。在对煤矿井下巷道进行三维建模时，需要对选取的大量的数据进行存储，所在进行建模时，需要对三维数据的存储问题要进行充分地考虑，使得有空间能够对数据进行存储，这样能够避免由于存储空间不足而导致数据没有及时存储而丢失。（2）数据处理需要的时间较短。在进行建模时，需要处理所需要的数据，在进行数据处理时，需要在模型结构上寻找能够节约运算的算法来减少运算的时间，进而节约建模成本。（3）数据简单。三维模型建好之后，定期地需要对模型进行检查和修复，而且在模型进行更新时，需要对删除旧的数据，这就需要模型所需要的数据不能过于复杂，不然在进行删除和替换时引起不必要的纰漏或者错误。（4）模型的兼容性要好。由于煤矿井下结构的复杂性，使得一种模型不能完全解决煤矿巷道所有的复杂情况，这要需要多个模型来表征巷道的特征情况，而且各个模型之间的兼容性要好，这样才能保证巷道的数据能够在各个模型中较好地传递，较少各个模型之间产生的误差，影响模型最终的精确度。

2 煤矿矿井巷道三维算法设计

基于AutoCAD对煤矿矿井巷道在进行三维建模时，以测量控制点数据和断面参数为基准点，可以实现对巷道中心线的绘制和巷道断面的定位。然后利用AutoCAD中常见的特征命令，煤矿矿井巷道进行拉伸，可以最终绘制煤矿井下巷道的三维立体图。

2.1 煤矿矿井巷道的三维元素的拓扑关系

煤矿矿井巷道错综复杂，交织成一个庞大的巷道网络系统，可以将巷道网络中的各个巷道假想成空间段，这样就可以有弧段和结点组成的网络数据结构和模型。将每个巷道抽象成一条特殊的巷道线，巷道线彼此有关系，最终连接成一个立体的空间网格，空间网格最终形成一个三维空间立体体系。巷道网络有一些基本元素组成，主要包括结点、节点、弧段和巷道线等。这样就可以建立巷道元素之间的拓扑关系，其主要拓扑关系有：节点与巷道线的关系、结点与巷道线的关系等。

2.2 煤矿矿井巷道三维坐标算法

由于煤矿矿井巷道的特点，各个导线控制点并不在一个直线上，也不在巷道的中心线上，所以在进行描述巷道之间的关系时，需要测量每个测量点到巷道两邦的距离。在进行测量时，需要将导线上的每个点换算为巷道的中心点，这样才能确定巷道的中心线。在进行计算巷道中最后一个控制点的坐标时，需要把巷道倒数第二个点的坐标当作计算最后一个巷道轴线点的坐标来计算，因为在进行最后一个巷道中心点计算时，巷道的前面没有其它的点，这时需要倒数第二点为测量控制点，这样才能保证巷道的每个中心点都能完全地计算进去，这样最后才能确认最后结果的正确性。

2.3 煤矿矿井巷道截面算法

在进行煤矿巷道截面积巷道中轴线数据进行三维建模时，需要对弯曲巷道的中心进行插值处理，其目的是为了使巷道三维模型在弯点处能够平滑地过渡。可以以平滑拟合的圆弧线代替中心线拐点线段，这样能保证巷道在弯曲处平滑过渡。在构建巷道的三维结构时，需沿着巷道线在节点和结点上加载巷道截面，常见的巷道体断面主要有半圆拱形、直角拱形、不规则形等。加载巷道的截面的主要原理是通过巷道中线节点或结上的点属性来确定巷道实体所在的截面，在通过算法计算出截面的模型，最终确定在该截面上的空间位置和形状。通过节点和结点处可以演算，进而得到一系列有一定联系的截面。在一般情况下，煤矿的竖井的断面为圆形，这样可以从设计图或测量数据上得到，这些数据都包含着中轴线的三维坐标点，可以为三维实体建模提供数据支撑。

3 结束语

通过对煤矿矿井巷道三维建模进行研究，对巷道在采掘过程中三维建模进行分析，对提高煤炭在开采时效率和安全有很重要的保障作用，同时也是对煤矿信息化建设来说是一个重要的契机，也对提高煤炭生产实际具有十分重要的指导意义，同时也将对煤炭企业在今后发展起到重要地推动作用。

【参考文献】

[1]唐敏，方源敏.一种针对相交矿山巷道的三维建模方法[J].测绘科学，2014.7，36（4）：240-243.

[2]马荣华等.矿山地理信息系统中巷道模型的研究[J].测绘报，2013，29（4）：355-360.

[3]齐向明.基于特征断面的复杂巷道段三维建模[J].计算机应用，2013，33（10）：2935-2938.

[4]荆永滨.基于網络的矿山三维巷道建模方法研究[J].工况自动化，2014，40（9）：10-14.

[5]侯旭江.基于可视化技术的矿井三维巷道模型建立及应用[J].轻工技术，2013，11：76-77.