贾庆仁;车德福;朱继文
【摘 要】井巷工程三维建模研究及应用对完善数字矿山工程、加快矿井信息化建设具有十分重要的意义.目前煤矿井巷的可视化及设计大多是基于二维平面进行,无法直观表达井巷及其相关实体之间的空间关系.文中对矿山井巷工程数据的特征进行了分析,抽象出井巷工程二三维数据结构及建模方法,从巷道测量数据建立三维巷道模型.最后,开发了原型系统,以开滦集团钱家营矿区为例,建立了巷道三维模型并实现可视化,验证本文研究成果的实用性和有效性. 【期刊名称】《矿山测量》
【年(卷),期】2018(046)004
【总页数】5页(P1-4,28)
【关键词】数字矿山;井巷工程;巷道双边线;三维巷道建模
【作 者】助产学贾庆仁;车德福;朱继文
【作者单位】东北大学 资源与土木工程学院,辽宁 沈阳 110000;东北大学 资源与土木工程学院,辽宁 沈阳 110000;黑龙江工程学院,黑龙江 哈尔滨 150050
【正文语种】中 文
【中图分类】数字助听器TD672
巷道是煤矿矿井运行、通行、通风和保证安全的通道，井巷工程的设计是实现矿井高产高效和安全生产的基本条件[1]。传统的矿山井巷工程设计一般是在纸质图上进行或用其它软件辅助设计，通常需要用二维图形来表示复杂的井巷分布和相关地质现象，只有经验丰富的设计人员才能完成。井巷设计如何能突破二维限制，在三维平台下完成可视化及设计是一个值得深入研究的问题。
国内外众学者也对井巷工程以及巷道建模以及三维真实表达做了大量研究。国内汪云甲、伏永明研究了由二维巷道到三维巷道的自动建模方法[2]；侯运炳等提出了采矿工作平面的辅助设计系统，但缺乏三维模型的支持，无法分析巷道与周边复杂三维地质条件的空间关系[3-4]；魏连江等致力于可视化技术的巷道计算机辅助设计[5]。此外，国内外地质矿山领
域出现了一些商业化软件，如Surpac[6]、Datamine[7]等，都有不错的交互作图能力。但大部分软件主要针对矿业工程、地质工程、安全培训等方面进行研究，专门针对井巷工程的研究很少，而且软件费用十分昂贵。
本文针对三维井巷工程建模，研究了从导线数据生成巷道双边线、再到建立巷道三维模型的方法，并在此基础上开发一套二三维环境下井巷工程交互设计与信息管理系统。该系统能够管理矿山巷道的基本测量数据并对矿山巷道的空间分布进行三维可视化，不仅能准确地记录井巷工程的变迁、直观地显示巷道的三维视觉模型、方便地查询巷道的有关信息、更好地进行地质采矿问题的分析，而且可使人们从传统的大量数据及繁重的手工劳动中解脱出来，提高矿山的管理水平及工作效率，为设计决策提供可视化支持。
1 巷道三维建模方法
巷道三维建模方法主要包括以下三个步骤：
(1)巷道中心线获取。巷道中心线是建立巷道模型的基础数据，可根据实测导线自动计算也可依据井下记录资料手动绘制。巷道中心线数据主要包括中心线空间位置坐标、巷道高、巷道墙高、边线数据索引等。聚偏氟乙烯
(2)巷道双边线计算。其中巷道双边线可根据巷道中心自动计算，边线数据主要包括边线空间位置坐标。
(3)巷道三维建模与可视化。真实巷道其断面类型可分为三心拱、半圆拱、支架支护和锚网支护等，针对不同类型断面设计断面图，配合二维“三线”数据(中心线、左边线及右边线)，建立三维巷道模型。
由上可知，本文巷道三维建模的核心思想是将巷道三维建模分为由一维巷道中心线到二维平面图、由二维平面图再到三维模型两个过程，其中由一维到二维的过程主要是处理巷道中心线连接关系、变断面巷道边线计算与多巷道相交边线计算等，由二维到三维过程计算巷道顶、底、侧面三角形。流程图如图1所示。
2 巷道双边线计算
二维双线巷道建模就是在巷道中心线的基础上，根据巷道断面信息，生成双线巷道的过程。井下巷道错综复杂，巷道与巷道之间纵横交错，为了保证双线巷道的连续性，不能直接根据巷道中心线和宽度偏移获得中心线两侧边线。本文提出根据巷道中心线计算双线巷道的方法，该方法包括以下3个步骤： 图1 三维巷道建方法模流程图
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针对巷道中心线结点而言，每一结点处巷道中心线的数目不尽相同。如图2所示，实心黑点代表所要描述巷道中心线结点，点划线表示双线巷道，图2a可代表硐室末端结点，其只与一段巷道中心线段相连，图2c可代表三岔口处结点，其有三段巷道中心线段，图2d可以表示交叉巷道处结点，其连接着四段巷道中心线段，而绝大部分结点(如图2b所示)连接着两段巷道中心线段，当然不排除有连接更多巷道中心线段的可能。要求出的双线巷道连接点处的坐标，首先要根据每一个结点处所有连接的巷道中心线段按照其方位角大小进行排序。
图2 巷道中心线交点情况
(2)求双线巷道结点坐标
双线巷道节点坐标计算需要分两种情况讨论，一种是巷道中心线结点处只连接一段巷道中心线段，另一种是连接多个的情况。
对只连接一段巷道中心线段的结点(图2a)，只需求出该巷道中心线垂直的直线的方位角，根据该结点处巷道宽度即可求出双线巷道该结点处坐标；对有多于一个连接巷道的结点(图2b、2c)，需要求取相邻两段巷道中心线所构成的角的角平分线，即图中射线OA、OB、OE、OF、OG。之后求该角平分线的方位角，加以从巷道断面信息得到的巷道宽度，即可求出双线巷道该结点处的坐标(具体计算方法与导线生成中心线最后求中心线点坐标类似)。对于其他多于一个接巷道中心线段的结点，都可采用这种方法求出双线巷道对应结点的坐标。
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(3)双线巷道模型的实现
巷道中心线根据导线测量坐标直接连接而成，而双线巷道则需要在中心线基础上，加入巷道边距进行计算。如果将巷道中心线的属性赋给双线巷道，对计算机内存来说是一种浪费，因此双线巷道与巷道中心线仅通过巷道中心线标识来联系，在进行属性查询时，仅需通过标识来传递即可。把求出的双线巷道的结点坐标按一定方式存储起来，二维双线巷道模型就已经建立起来。如图3所示，为双线巷道效果图，(a)中的为巷道中心线为折线的情况，(b)中的巷道中心线为三岔口的情况。
山东建工学院图3 双线巷道效果图
3 巷道三维建模及可视化
双线巷道可作为三维井巷模型的底边多边形，再根据巷道断面的拱高、墙高等信息及其巷道中心线间的拓扑关系，按一定的规则进行井巷模型基本单元自动的装配，进行必要的三角化，最终完成巷道三维模型构建。
(1)巷道断面信息的计算
巷道断面数据主要是计算能够准确描述构成断面的特征点的坐标。巷道断面类型主要有：三心拱、半圆拱、描杆支护、支架支护等等，下面以拱形断面为例(如图4所示)，根据双线巷道及巷道断面其他信息，来模拟巷道断面的形状。图中O点为巷道中心线点，假设其坐标值为(x,y,z)，A、B两点为中心线对应双线巷道的结点，坐标值已经通过二维双线巷道建模的过程中求出，设其坐标值分为为(x1,y1,z1)和(x2,y2,z2)，设巷道断面墙高为h，拱高为g，那么C、D、H点的坐标可以分别求出，只是利用A、B、O三点坐标的Z值做简单的加法运算。如果要粗略的表达巷道模型，拱顶三个点就足够；若要更精确的表达，可以根据需求求出拱上的点的坐标，这里不再详细阐述。
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