智慧矿山GIS模型的创建与应用

唐 凝，赵 琛

(陕西能源职业技术学院，陕西 咸阳 712000)

我国虽然有着十分丰富的煤炭资源储量，但勘查程度较低，普查储量约占41%，详查程度约为26%，可供建井的精查储量只占尚未利用资源量的12%。据2019年末调查统计，我国现有2 994.8亿t精确储量尚未得到利用，约占煤炭总储量的53%。虽然我国在地质勘测领域已经有了长足的进步，但勘察水平低、地质勘察技术储备不足的问题在国内仍然普遍存在，一定程度上制约了我国工业化发展的进程。在5.57万亿t已探明的煤炭资源中，有2.95万亿t埋深在1 000 m以下，进一步加大了煤炭资源的开发难度。在我国煤炭资源储量丰富的中西部地区，由于地质环境十分复杂，开采深度不断增加，致使浅部煤炭资源占比越来越低，许多矿区的开采深度已经达到800～1 500 m。随着我国工业化建设的不断发展，各行各业对于煤炭的需求量逐年增加，煤炭生产规模也随之扩大，如何做好相关的生产管理工作已经成为采矿企业十分重要的研究课题之一。因此，新形势下的采矿行业应当加快信息化建设步伐，合理运用GIS技术，建立智慧矿山管理系统，推动落实全过程项目管理，建设精细化智慧矿山管理体系，降低煤炭开采成本，提高煤炭开采效率[1-3]。

1 GIS技术概述

GIS全称Geographic Information System，为地理信息系统，指的是利用计算机硬件和软件程序对地理数据进行采集、存储、分析与建模的信息技术。GIS技术的最大特点在于能够实现数据资源的可视化，同时将地理分析功能与可视化功能结合起来，并通过常规的数据库进行数据编辑操作。将GIS技术应用于智慧矿山的建设中，有助于进一步提高矿山地理数据的使用效率，深入挖掘潜在信息，扩展计算机技术在矿山生产管理中的应用场景[4-6]。

2 建模前技术准备

2.1 矿山实地情况

研究针对位于陕西省榆林市瑶镇乡的某矿山进行GIS模型实验分析。该矿山井田长约12.5 km，宽约10 km，面积约125.97 km2，各类煤炭资源储量约3 028.74 Mt，具有建设特大型矿井的资质。在信息化基础设施方面，该矿井附带设有Ethemet/IP工业网络，采用以太网SCADA模式，可用于建设三维可视化的GIS基础服务平台。

2.2 数据采集与分析

研究通过三维激光扫描技术获取矿山地理信息数据，该技术能够直接采集矿山三维信息，并根据所获取的矿山表面坐标信息建立可视化三维模型。三维激光扫描技术还能够自动输出矿山表面的密集点云，对点云数据实施补洞和去噪处理，进而获取有效点云数据，在此基础上运用标靶控制点完成点云配准操作并获取明显的位置坐标信息，再将基于点云所建立的网络模型表面实施修补处理既可输出矿山的三维模型[7-9]。

2.3 GIS模型数据的可视化

研究通过3DMine来实现GIS模型数据的可视化，在该软件中的工具栏中单击“工具”按钮进入“线赋高程”，在该界面中选中“搜索参考点赋高程”完成模型赋值操作，进而计算出离等高线较远的标高与等高线之间的距离，在此基础上适当地调整参考范围，能够进一步提高等高线的准确度。矿山等高线地形图在经过调和赋值处理后，往往会受到计算机拟合曲线、图纸绘制精度的影响而出现相交线、钉子角、冗余对象和冗余点等方面的问题，需要通过人工处理来进行修正，对相交线、钉子角、冗余对象和冗余点进行逐一修改并建立三角网，最终输出的模型如图1所示。

图1 输出的模型

在完成针对矿山地形模型的修正处理后，还需要进一步测量对象信息。本次研究测得瑶镇乡矿山的地表面积为63 258.844 m2，共生成23 208个模型三角片，该数据可以通过3DMine来模拟矿山表面地形，处理结果如图2所示。

图2 通过3DMine输出的矿山表面地形

3 GIS模型的创建与应用

3.1 创建GIS模型

矿山地质数据通常取自于物探、槽探、坑探、钻探所采集的数据，各矿区均记录有取样位置、工程名称、岩性以及分析品位等信息。以创建钻孔空间模型为例，在通过3DMine进行建模之前，需要事先创建一个矿山钻孔信息数据库。该数据库由煤质信息表、岩性表、测斜表和定位表4张表格所组成。首先在3DMine界面菜单中点击“钻孔”按钮，在弹出的选项栏中点击“新建数据库”。测斜表和定位表是新建数据库的默认表格。因此，需要额外创建煤质信息表和岩性表的Excel表格[10]。操作者可直接将矿山地理信息数据以Excel表格的形式直接导入至3DMine中，完成数据库创建操作。在完成数据库的创建操作后，3DMine会基于GIS平台数据建立可视化钻孔模型，用户可以直接通过PC浏览器获取模型图像信息，建模结果如图3所示。3DMine能够实现钻孔模型的精确显示，进而以钻孔数据+三维钻孔模型的形式来建立地质数据库，可视效果良好并且便于数据查询。用户只需要在三维钻孔上单击鼠标左键，就可以在操作界面上弹出煤质、岩性柱状分层状况、测斜、位置等信息。

图3 钻孔空间模型

3.2 GIS模型的应用

(1)煤矿巷道GIS模型相关分析。在巷道生成之后连接各交叉口，可以创建一个宏观巷道模型，煤矿企业可以根据该模型制定采掘计划。操作者还可以在3DMine系统界面中设置掘进参数和施工开始日期并对掘进模型进行定义，掘进参数设置设置方案见表1，在此基础上输出采掘计划甘特图。在施工过程中，技术人员只需要针对甘特图实施二次排布调整，就可以用来指导相关的流水作业。初始甘特图与经过二次高速的甘特图如图4所示。

表1 掘进参数设置界面

图4 初始甘特图与经过二次高速的甘特图

矿山项目技术人员在经过二次调整的甘特图的数据支持下，可以对工程项目的实施进度加以指导，并动态模拟采掘计划。技术人员也可以重新编排甘特图，以适应自身的看图习惯。具体形式如图5所示。

图5 经过重新编排的甘特图

在3DMine软件界面中，技术人员还可以将完整的施工过程以报告文件的形式加以输出，并根据报告来统计支护表面积、总费用、总掘进体积、掘进数、工期等核心数据。报告文件具体形式如图6所示。

图6 施工计划报告文件

(2)煤矿巷道GIS模型地下测量分析。用于煤矿巷道GIS建模的巷道截面数据见表2。

表2 用于煤矿巷道GIS建模的巷道截面数据

为了进一步细化巷道模型，还需要在该模型的基础上实施巷道地下测量分析，使巷道截面更加精细，最大限度还原空间布置。此次研究通过导线点步距法来对煤矿巷道进行测量分析。首先通过测量确定巷道的2个导线点，根据事先设定好的步距在2个导线点之间测量高度、右宽和左宽。

在导线步距法测量对话框中复制表中数据，弹出的巷道实体图像如图7所示。

图7 巷道实体图像

在建立平面巷道模型之后，还需要对巷道高程进行修改，以导线点作腰线为模型赋予高程，导入腰线文件后，再于图形区一次性导入其他测量好的导线。操作结果如图8所示。

图8 腰线及导线模型

(3)煤矿巷道GIS模型地下通风设计。在整个煤矿井下设计工作中，通风设计是一项十分重要的工作环节。在矿井通风系统中，主要的设计对象包括出风巷道、风门、节点、分支、回路、进风巷道、测风点等，完成连接以上基本元素即可形成相应的通风系统。在3DMine通风版本中，需要完成初始化参数设置，初始化参数设置方案：①通风解算参数。节点间捕捉距离为0.1，解算最大迭代次数为10 000，网孔迭代计算精度为0.001。②显示参数。节点显示半径为0.5，箭头显示大小为2.5，图像显示比例为1。③电机参数。电动机容量备用系数为1.2，电动机效率为0.95。在此基础上，将如图9所示的巷道通风系统模型导入至3DMine平台，完成导入操作后即可编辑巷道参数，参数设置见表3。

图9 巷道通风系统模型

表3 通风对象参数设置方案

在完成参数设置操作后，还需要通过“检查网络指令”来检测通风系统。检测结果界面如图10所示。

图10 通风检查结果

4 结语

研究基于矿山地区的GIS系统数据对矿井模型的具体思路进行了详细介绍，提出了用于矿山GIS建模的数据采集方法和GIS模型可视化方法。在具体的建模工作中，利用3DMine软件建立该矿山的地表DTM模型，并根据煤矿巷道GIS参数建立了矿山巷道模型，并将该模型应用于巷道通风系统设计。该通风系统带有11个通风网孔、6个固定出风点和1台通风机，经3DMine通风版中的“检查网络指令”来检测通风系统，未发现错误，代表该通风方案可用于矿山的实际建设。