典型矿区煤层气与煤炭协调开发动态模拟研究

徐华龙

(1.煤炭科学技术研究院有限公司，北京 100013；2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室，北京 100013；3.北京市煤矿安全工程技术研究中心，北京 100013)

0 引言

2013 年发布的《国务院办公厅关于进一步加快煤层气(煤矿瓦斯)抽采利用的意见》提出加快煤层气抽采，煤层气与煤炭协调开发已经成为国家正在逐步解决的重大战略问题。煤层气与煤炭协调开发是采气与采煤的优势互补，可消除或降低系统工程的时空约束。通过煤层气地面井，可在采煤工程及井巷工程施工前有效降低煤层中的瓦斯含量，为巷道作业提供安全环境，避免因瓦斯含量高而增加施工费用和时间[1-2]。在采气工程进入一定阶段后，采气效率会受到严重制约，通过采煤活动能够突破抽采瓶颈，提高采气井或钻孔的采气能力。

目前，晋城、两淮与松藻3种典型煤矿区协调开发模式已逐步在全国推广应用，协调开发的效果明显。其中，以山西晋城寺河矿为代表的“晋城模式”达到了较为先进的中级协调状态[3-6]。煤层气与煤炭协调开发涉及到采煤前、采煤过程中、采煤作业后等不同时间段对煤层气的抽采利用，涉及到地面、井下、多煤层等不同空间的作业体系，采用传统方式(文字或ppt)难以对其进行简洁清晰的描述，非专业人士难以理解。采用三维可视化和动画推演的方法进行展示可以缩短认知时间，更好地学习、理解和认识煤层气与煤炭协调开发模式。本文以煤层气与煤炭协调开发“晋城模式”为背景，基于数字矿山三维平台MineSystem，完成了三区联动井上下整体抽采煤层气开发模式的动态模拟，实现了生产规划区、开拓准备区、煤炭生产区三维一体化整体展示。

1 “晋城模式”动态模拟技术路线

基于煤炭开发时空接替规律，将晋城矿区划分为生产规划区、开拓准备区与煤炭生产区3个区间。煤炭生产区即煤炭生产矿井现有生产区域，开拓准备区是煤炭生产矿井近期(一般为3～5 a内)即将进行回采的区域，而生产规划区的煤炭资源一般在5～10 a甚至更长时间以后方进行采煤作业，留有充分的煤层气预抽时间。晋城矿区基于单一煤层开采特点，在生产规划区充分发挥地面钻井抽采优势，大范围超前预抽煤层气，建立了采煤采气一体化三区联动机制，创新性开发了地面井联合井下定向长钻孔与采动区L型地面抽采井等井上下联合抽采关键技术，形成了煤矿区三区联动井上下整体抽采煤层气开发模式，即“晋城模式”[7-10]。

“晋城模式”动态模拟研究技术路线如图1所示。

(1)井上下三维一体化快速建模技术。现场采集矿区钻孔数据、地表数字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)数据、井巷数据、煤层数据，基于井上下一体化三维建模技术，搭建矿区井上下一体化的三维仿真场景。采用3DMAX等三维建模工具，将钻塔、打孔机、掘进机、液压支架和垂直抽采井等按照1∶1比例进行三维建模，形成煤层气抽采基础模型和动画库。

图1 “晋城模式”动态模拟研究技术路线

(2)协调开发三维可视化动态编辑技术。在三维数字矿山平台MineSystem中，划分生产规划区、开拓准备区和煤炭生产区，基于协调开发可视化三维动态编辑技术，根据生产设计规划摆放抽采设备，动态创建巷道和工作面，同时可动态调整地质体、抽采设备等模型对象的位置、大小、方向、颜色、透明度、动画参数和属性信息等。

(3)三区联动立体抽采动画推演技术。归纳分析协调开发整体流程与各项抽采技术工艺的关键环节，结合粒子系统和物理引擎技术，采用固体压裂和气体流动等动画展现方法，基于事件和时间驱动的多维度动画推演技术，实现 “晋城模式”的三维动态模拟。

2 井上下三维一体化快速建模方式

矿区建模数据多源异构，涵盖了地质体数据、井巷数据、钻孔数据、断层数据、煤层数据、采空区数据、抽采设备数据、DEM数据及煤层气与煤炭协调开发优化决策模型数据等，实现矿区井上下一体化建模比较困难。本文通过分析整理矿区多源异构数据的逻辑结构特点，基于统一的平面坐标系统和高程坐标系统，研究出一种针对地质体、设备、井巷工程等的三维一体化建模方式。通过数据库共享方式，实现井上下场景三维一体化快速建模和协调更新，为煤层气与煤炭协调开发设计应用提供井上下一体化基础性三维底图[11-13]。

地质体建模：主要根据采掘工程平面图、煤层底板等高线图、单孔柱状图、矿井煤系地层综合柱状图、矿井煤岩层对比图等，对钻孔进行层序分层，采用约束Delaunay三角剖分算法，基于Microsoft Visual Studio开发工具和三维数字矿山平台MineSystem进行算法编码，快速生成精细化地质体三维模型。设备建模：主要通过3DMAX等三维建模工具，根据采集的设备结构图和纹理照片进行手工建模，建立一套抽采和采掘等设备的三维模型库。井巷工程建模：主要根据巷道导线点测量数据和巷道断面设计数据，基于OGRE三维引擎自动构建三维井巷模型。

以巷道自动建模为例，其主要编码步骤如下：① 通过导线点数据确定每段巷道的起始节点对象pNodeS和终止节点对象pNodeE。② 通过巷道构造函数CMineTunnel生成新的巷道对象pTun，巷道断面默认是拱形fVaultingTunnel。③ 调用场景管理类的AddMineObject方法进行批量创建和三维渲染。

自动生成的三维巷道模型如图2所示。

图2 自动生成的三维巷道模型

3 协调开发三维可视化动态编辑实现

随着复杂地质体场景、钻场钻孔和抽采设备模型等引入，为了能更加真实地反映矿区三维场景，用户要不停地通过交互操作对场景进行合并、调整和预览。因此，如何使用高效的三维引擎和算法来提升交互场景动态编辑效率显得十分重要[14]。可视化动态编辑对象主要包括三维巷道、工作面、抽采设备等模型，动态编辑操作主要涉及空间摆放位置、大小、方向、材质、属性信息、移动、缩放、旋转、删除、撤销、恢复，以及三维标注、模型库管理、三维场景管理和视点管理等。研发一套三维可视化场景编辑工具，将为煤层气协调开发设计提供直观的三维场景动态编辑的可视化操作手段[15]。

选取目前常用的OGRE开源三维图形引擎，基于三维数字矿山平台MineSystem和Microsoft Visual Studio开发工具进行二次开发，搭建了井上下一体化三维场景编辑器，实现了煤层气与煤炭协调开发三区规划布局、抽采设备的空间布置、巷道掘进、工作面和终采线设计、煤层气抽采工艺的三维可视化动态编辑。以基于OGRE三维引擎进行移动编辑操作为例，步骤如下:首先，确定当前鼠标左键选中的平移对象pObjSel；其次，通过ComputeMoveVector计算平移向量mMoveDis；最后，调用对象的Translate方法进行空间平移变换。

4 三区联动立体抽采动态模拟应用

考虑到各个矿区地质条件差异及受时间和空间等因素影响，煤层气与煤炭协调开发模式不尽相同，本文梳理了“晋城模式”煤层气与煤炭协调开发设计中的各种抽采效果，基于三维数字矿山平台MineSystem进行二次开发，采用情景分析模型的推演模拟与态势演播技术，应用三维图形标绘和计算机动画等方式模拟不同情景，协调空间布局和时序接替，采用态势演播方式动态模拟抽采技术流程，对关键工序进行重点三维展示说明与实时动画推演。“晋城模式”涵盖了地面抽采、井下抽采、三区联动整体抽采等协调开发方式。

(1)地面抽采模拟推演。以动画形式展现，结合地形地貌和煤矿采掘规划优选井型、井网和井间距，随着时间的推移，在地形平整、地面条件开拓的区域，布置地面垂直井和L型地面抽采井，结合粒子特效模拟瓦斯抽采流程。地面抽采模拟推演如图3所示。

图3 地面抽采模拟推演

(2)井下抽采模拟推演。以动画形式展现，在井下大巷内布置水平定向长钻孔，随时间的推移和采煤工作面位置的不同，动态模拟区块递进式推进和钻场布置，结合粒子特效模拟工作面综采、采空区垮塌和瓦斯抽采流程。井下抽采模拟推演如图4所示。

图4 井下抽采模拟推演

(3)井上下联合抽采模拟推演。以动画形式展现，随着时间序列的不同，动态模拟生产规划区、开拓准备区和煤炭生产区各个场景煤层气抽采对象布置，结合粒子特效模拟三区联动井上下整体抽采煤层气开发模式。井上下联合抽采模拟推演如图5所示。

图5 井上下联合抽采模拟推演

5 结语

通过研究井上下三维一体化快速建模技术、所见即所得的协调开发可视化动态编辑技术、基于事件和时间驱动的动画推演技术，建立起煤矿区煤层气协调开发辅助设计的技术基础，形成适用于“晋城模式”煤矿区的交互式、直观化的协调开发模式动态模拟和辅助设计方案，达到协调开发工艺的在线设计、编辑、抽采工艺动态模拟等目的，实现煤层气与煤炭协调开发工艺及过程的三维可视化设计及动态模拟，对煤层气与煤炭协调开发利用工艺的推广使用具有一定的促进作用，为指导全国其他矿区协调开发设计与预评价提供了一定的技术借鉴。