摘要：地下巷道作為采礦工程的重要組成要素，在煤礦開采中發(fā)揮著重要的作用，基于虛擬技術(shù)的三維巷道模型可為采礦工程安全施工提供直觀的數(shù)據(jù)依據(jù)和決策支持，本文將借助 AutoCAD、Surpac 軟件 , 以五陽煤礦巷道數(shù)據(jù)資料為依據(jù)，對采礦工程三維巷道建模的思路及過程進(jìn)行細(xì)致分析，并實(shí)現(xiàn)五陽煤礦三維巷道實(shí)體模型的構(gòu)建，為采礦工程設(shè)計(jì)與生產(chǎn)管理打下良好的基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞：三維 巷道 建模
三維建模是實(shí)現(xiàn)礦山數(shù)字化與信息化的關(guān)鍵，其中三維巷道建模是以礦山實(shí)際數(shù)據(jù)為依據(jù)，利用相關(guān)制圖軟件來構(gòu)建三維實(shí)體巷道模型，相較于二維模型，三維實(shí)體模型更加直觀形象，解決了反饋速度慢、線路查看復(fù)雜的問題，實(shí)現(xiàn)了井下巷道及其空間關(guān)系的立體描述。巷道三維建模的研究對于工程設(shè)計(jì)與井下安全生產(chǎn)具有十分重要的意義。
1、三維巷道建模的思路及過程
1.1、巷道建模的數(shù)據(jù)源
巷道的空間區(qū)域相對較小，其是由長、寬、高組成的一個(gè)體域，高度與寬度都有一定的限制，而長度會(huì)隨著巷道的開掘而加長。在井下每一條巷道都布置有導(dǎo)線點(diǎn)，這些導(dǎo)線點(diǎn)就是建立三維巷道模型的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，巷道內(nèi)導(dǎo)線點(diǎn)的坐標(biāo)為三維坐標(biāo)，假設(shè)將巷道看作一條線，那么如何將導(dǎo)線點(diǎn)逼近到這條線上就成為了一道難題。事實(shí)上僅用導(dǎo)線點(diǎn)來描述巷道是不合理的，巷道是一個(gè)由多個(gè)單一巷道所組成的復(fù)雜多面巷道體，不同用途的巷道其斷面的形狀、寬度、高度也會(huì)不同，而巷道的斷面形式又決定著巷道的空間形態(tài)，所以說巷道的斷面數(shù)據(jù)也是構(gòu)建三維巷道模型的數(shù)據(jù)源之一[1]。
1.2、巷道中線構(gòu)建
如果將巷道看作是一條線，這條線就是巷道中線。由于巷道的空間區(qū)域相對較小，一些測量儀器很難在井下進(jìn)行配置，于是井下測量以導(dǎo)線測量為主，巷道內(nèi)的導(dǎo)線點(diǎn)并不能直接作為巷道中線來使用，需要利用巷道中線逼近的方法對其進(jìn)行處理，將導(dǎo)線點(diǎn)換算為巷道中線點(diǎn)，然后將這些點(diǎn)連接起來就成為了巷道中線，將所有的巷道中線連接起來就構(gòu)成了整個(gè)巷道的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
1.3、巷道斷面構(gòu)建
巷道斷面作為三維巷道模型的數(shù)據(jù)源之一，其可分為矩形、半圓形、圓弧拱、直壁拱等多種形狀，其中直壁拱形斷面采用半徑 r、高度 h、地面寬度 w三個(gè)參數(shù)進(jìn)行描述，以 ZOY 為參考面，將拱形圓弧部分細(xì)化成 n 段，n 越大，巷道拱頂?shù)那�部分就越逼真，細(xì)化點(diǎn)以1,2,3，，n+2以此排列[2]（圖1）。
圖 1 直壁拱形巷道斷面
2、采礦工程三維巷道模型的構(gòu)建與實(shí)現(xiàn)
2.1、工程概況
五陽礦區(qū)位于海河流域漳河水系，面積約為78.3649km2，主采煤層為 3#、15# 煤層，年生產(chǎn)量在 200 萬 t 以上。礦區(qū)斷裂構(gòu)造較發(fā)育，井田多為黃土覆蓋，地質(zhì)構(gòu)造以奧陶系、石炭系、二疊系和第四系地層為主，形成了低級、低序次的構(gòu)造，地層總體傾向南西，傾角為 10?，地下 3# 煤層附近呈帶狀分布，且存在陷落柱。
7605 工作面位于襄垣國營農(nóng)場以南，7605 切眼開口位置距 7605 運(yùn)輸巷停掘位置 55m，與 7605運(yùn)輸巷成 91? 夾角。7605 切眼開口后平掘見底，見底后沿底板掘進(jìn)至距 7603 運(yùn)輸巷 25m 時(shí)走 15? 上坡腰線與 7603 運(yùn)輸巷貫通。工作面坡度為 ，不存在斷層和陷落柱，運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷沿煤層走向布置，兩巷有波狀起伏，局部地段凹陷；巷道掘進(jìn)過程中砂巖含水層中的水會(huì)經(jīng)有效裂縫滲入到工作面，巷道的正常涌水量為 0.2，最大時(shí)可達(dá)到 1 。巷道圍巖的完整性較差，巖體強(qiáng)度較弱，巖石的均質(zhì)性程度很差。局部巷道分布圖見圖 2。
圖 2 五陽煤礦某開采中段局部巷道分布圖
借助 Auto CAD、Surpac 軟件進(jìn)行建模，五陽煤礦主采煤層為 3#、15# 煤層兩個(gè)煤層，各煤層又分為高度不同的 5 個(gè)中段，各中段水平巷道的三維模型根據(jù)平面圖來建立，一些斜坡道、提升井等其他類型的巷道根據(jù)巷道中線及巷道斷面數(shù)據(jù)來構(gòu)建三維巷道模型[3]。
2.2、三維實(shí)體巷道模型的實(shí)現(xiàn)
首先用 Auto CAD 軟件繪制出井下巷道的二維圖來，根據(jù)各中段的標(biāo)高及巷道數(shù)量進(jìn)行巷道斷面的劃分，表 1 為某中段巷道斷面尺寸情況。
表 1 某中段巷道斷面尺寸
借助 Auto CAD 軟件對不同中段井下巷道內(nèi)的導(dǎo)線點(diǎn)采用巷道中線逼近的方法進(jìn)行處理，將導(dǎo)線點(diǎn)換算成巷道中線點(diǎn)，將換算得到的巷道中線點(diǎn)連接起來得到巷道中線，將巷道中線組合在一起得到該中段井下巷道的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，圖 3 為某中段井下巷道的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，從圖中可看出網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)處巷道的延伸方向較模糊，為此利用Auto CAD 對其進(jìn)行處理，用節(jié)點(diǎn)、結(jié)點(diǎn)、巷道線來描述網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，圖 4 為經(jīng)過處理的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，圖中 A、B、C、D 等表示結(jié)點(diǎn)或節(jié)點(diǎn)，1、2、3、4 表示巷道線，由此網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中各節(jié)點(diǎn)處巷道的延伸方向得以明確。將得到的巷道網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與巷道斷面保存為 dxf 格式的文件[4]，至此，巷道網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和巷道斷面的Auto CAD處理完成。
圖 3 某中段局部巷道網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
將 dxf 格式的文件導(dǎo)入到 Surpac 軟件中，并保存為 str 格式的文件，利用 Surpac 軟件中的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換功能將巷道中線的局部坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為符合實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)的世界坐標(biāo)[5]，由得到的巷道中線與斷面組成巷道實(shí)體，將不同類型的巷道實(shí)體保存為 dtm 格式文件，將各個(gè) dtm 格式文件組合起來，構(gòu)建出整個(gè)巷道的三維實(shí)體模型，并在軟件中展現(xiàn)巷道實(shí)體模型與巖體模型的空間位置關(guān)系（圖 5）。
圖 4 某中段巷道網(wǎng)絡(luò)示意圖
圖 5 三維巷道模型與巖體模型的空間位置關(guān)系
3、結(jié)語
開采工程三維巷道模型的構(gòu)建利用了 AutoCAD、Surpac 軟件進(jìn)行建模，對于不同地質(zhì)情況、不同煤層的巷道，其三維模型的構(gòu)造也會(huì)不同，在實(shí)際建模過程中，應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況，選擇合適的方法來構(gòu)建巷道的三維模型，以便為煤礦開采、工程設(shè)計(jì)施工提供更直觀、形象的參考依據(jù)，提高巷道管理工作的效率，保障井下巷道內(nèi)開采作業(yè)的安全性。
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