李文鑫 劉建康 楊鑫祥 鐘 陽(yáng)

（1.山東科技大學(xué)礦山災(zāi)害預(yù)防控制-省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，山東省青島市，266590；2.山東科技大學(xué)礦業(yè)與安全工程學(xué)院，山東省青島市，266590）

隨著煤礦生產(chǎn)管理現(xiàn)代化進(jìn)程的發(fā)展，三維立體圖無論是在領(lǐng)導(dǎo)層生產(chǎn)指揮方面，還是在生產(chǎn)服務(wù)方面以及優(yōu)化設(shè)計(jì)方面，都能起到一些二維平面圖無法比擬的作用，因此三維立體圖的作用顯得越來越突出。SolidWorks具有操作方便、靈活的草圖繪制和檢查功能、可妥善解決多重關(guān)聯(lián)性和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換便捷等特點(diǎn)，可以對(duì)采區(qū)內(nèi)煤層賦存形態(tài)、地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育情況、工作面巷道布置進(jìn)行精確地三維建模，進(jìn)而有效指導(dǎo)生產(chǎn)調(diào)整，增加經(jīng)濟(jì)效益。

目前國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)SolidWorks在礦山行業(yè)中的應(yīng)用進(jìn)行了理論研究，并且做了一些相關(guān)的仿真模型，但只是處于模擬研究階段，沒有通過實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)條件下的應(yīng)用來驗(yàn)證三維建模對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的指導(dǎo)作用。本文采用可視化編程語言Microsoft Visual C++，結(jié)合Access 數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、ODBC 數(shù)據(jù)引擎，以SolidWorks2010為平臺(tái)，針對(duì)棗礦集團(tuán)田陳煤礦7110工作面復(fù)雜的煤層賦存狀態(tài)和地質(zhì)構(gòu)造條件進(jìn)行了真實(shí)比例下的三維建模，以指導(dǎo)煤礦的采掘工作。進(jìn)而驗(yàn)證SolidWorks三維建模在煤礦生產(chǎn)中的應(yīng)用效果。

1 方案的理論分析

SolidWorks是一套基于Windows 的CAD／CAE／CAM／PDM 桌面集成系統(tǒng)，由美國(guó)Solid-Works公司在總結(jié)和繼承大型機(jī)械CAD 軟件的基礎(chǔ)上，在Windows環(huán)境下實(shí)現(xiàn)的第一個(gè)機(jī)械三維CAD 軟件。具有直接繪制3D 草圖的功能，可以直接便捷地繪制三維巷道；可以通過拉伸、剪切、放樣、曲面等功能繪制復(fù)雜的采煤工作面；運(yùn)用標(biāo)注功能可以將各種參數(shù)詳細(xì)地標(biāo)注在任何位置；設(shè)計(jì)者通過操作對(duì)象的屬性、對(duì)象的方法建立自己開發(fā)的應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)二次開發(fā)。

SolidWorks是基于OLE 技術(shù)、通過應(yīng)用程序編程接口API將SolidWorks的許多功能封裝在SolidWorks對(duì)象函數(shù)里面，編程的時(shí)候可以提供給編程者調(diào)用。1個(gè)對(duì)象包含對(duì)象的類型、對(duì)象的屬性和對(duì)象的方法3個(gè)方面。設(shè)計(jì)者通過操作對(duì)象的屬性、對(duì)象的方法建立自己開發(fā)的應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)二次開發(fā)。SolidWorks開發(fā)系統(tǒng)為：VisualC++編程語言→OLE Atomation技術(shù)→SliderWorks工作環(huán)境。

對(duì)于工作面地質(zhì)構(gòu)造和巷道布置的三維建模過程可以分為兩部分，一是根據(jù)Access數(shù)據(jù)庫(kù)中原有的探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)的基礎(chǔ)巷道建模；二是隨著工作面的推進(jìn)，對(duì)于新探測(cè)出的地質(zhì)構(gòu)造和新掘出的巷道進(jìn)行人工接續(xù)建模。

2 數(shù)據(jù)庫(kù)的建立

地層巖石和礦產(chǎn)形成過程以及形成以后，在動(dòng)力地質(zhì)作用下會(huì)發(fā)生變形 （如傾斜、褶皺），甚至發(fā)生斷裂 （如出現(xiàn)節(jié)理、裂隙、斷層）等現(xiàn)象，致使地層巖石及礦產(chǎn)的原始形態(tài)發(fā)生改變，巖層間的關(guān)系變得異常復(fù)雜。

三維地質(zhì)數(shù)據(jù)是指描述三維地質(zhì)體的數(shù)量、質(zhì)量、分布、聯(lián)系等規(guī)律的數(shù)字、文字、圖象和圖形等的總稱。反映地質(zhì)體特征的地質(zhì)數(shù)據(jù)具有空間數(shù)據(jù)的基本特征，即空間位置特征、屬性特征、空間關(guān)系特征和時(shí)間特征。主要包括煤層底板等高線、煤層等厚線、巷道地質(zhì)填圖數(shù)據(jù)、鉆孔資料和勘探剖面。

通過三維地質(zhì)數(shù)據(jù)得到進(jìn)行三維建模所需要資料包括巷道編號(hào)、起始坐標(biāo)、終點(diǎn)坐標(biāo)、軸線類型、圓心坐標(biāo)等參數(shù)；煤層走向、煤矸厚度、傾角等參數(shù)；斷層走向、傾角、斷距等參數(shù)。然后通過Microsoft Office Access 2010軟件將上述參數(shù)全部錄入到數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)。

3 7110工作面三維地質(zhì)模型的建立

由于采煤工作面的多樣性，進(jìn)行真實(shí)比例的建模比較復(fù)雜，為此先進(jìn)行7110工作面礦體主要部分的建模，再進(jìn)行局部的修改，使其更符合礦體實(shí)際。操作流程可分3步。

（1）礦體三維建模。通過AutoCAD 將7110工作面地質(zhì)數(shù)據(jù)中的平剖面圖等加工成二維圖形，制作成塊，進(jìn)而導(dǎo)入到SolidWorks中，保證礦體模型的準(zhǔn)確度，再通過拉伸、放樣、掃描等命令生成三維地質(zhì)圖形元件，構(gòu)建出7110工作面礦體三維模型的雛形。

（2）巷道三維建模。Visual C++ 通過ODBC數(shù)據(jù)引擎連接Access數(shù)據(jù)庫(kù)，讀取7110工作面數(shù)據(jù)庫(kù)中的信息，然后將包含7110運(yùn)輸巷、7110軌道巷、7110工作面開切眼、聯(lián)絡(luò)巷等巷道信息的巷道導(dǎo)線點(diǎn)信息表、巷道信息表互相關(guān)聯(lián)，進(jìn)而生成工作面周圍整體巷道，隨著7110工作面的推進(jìn)，地質(zhì)數(shù)據(jù)也不斷更新，經(jīng)常需要對(duì)一些數(shù)據(jù)和圖樣做修改，SolidWorks軟件可以在任意位置、任意角度對(duì)7110工作面的巷道或者斷層等地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行增加或刪除，同時(shí)可以根據(jù)礦上需要，從不同的位置、不同的角度對(duì)工作面三維模型進(jìn)行觀察、剖切，更加深入了解模型內(nèi)部構(gòu)造。

圖1 添加材質(zhì)的地質(zhì)效果圖

（3）添加標(biāo)注和材質(zhì)。7110 工作面礦體和巷道的三維模型建好之后，為了準(zhǔn)確地了解各點(diǎn)的地質(zhì)構(gòu)造和巷道參數(shù)，通過SolidWorks里的標(biāo)注功能標(biāo)注不同坐標(biāo)點(diǎn)的煤厚、矸石厚度、巷道長(zhǎng)度、巷道角度以及對(duì)已經(jīng)建好的巷道和井筒進(jìn)行標(biāo)注，注明其名稱和作用。為了更加直觀地觀察7110工作面礦體中的地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，需要為礦體中不同的地質(zhì)構(gòu)造添加不同的材質(zhì)，如圖1所示，黑色粉狀面積代表煤層，沿白色標(biāo)記線走向的純黑色代表斷層，其它淺色部分代表無煤區(qū)域，G5-G8同樣是巷道的導(dǎo)線點(diǎn)。

4 7110工作面三維地質(zhì)模型在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用

圖2 7110工作面三維地質(zhì)模型圖

經(jīng)過對(duì)地質(zhì)資料的反復(fù)測(cè)定、修改，7110 工作面三維地質(zhì)模型如圖2 所示。以斷層F18 的建模為例，在巷道掘進(jìn)至斷層F18 附近時(shí)，通過打眼鉆孔獲得一系列關(guān)于斷層F18 的地質(zhì)數(shù)據(jù)，然后對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，進(jìn)而得到斷層F18 位置的地質(zhì)剖面圖，如圖3所示，并將斷層地質(zhì)剖面圖加工成塊，再將斷層F18 的長(zhǎng)度、斷距、傾角、導(dǎo)線點(diǎn)等參數(shù)連同處理好的塊一同導(dǎo)入到總的Access數(shù)據(jù)庫(kù)，通過Visual C++ 經(jīng)ODBC 數(shù)據(jù)引擎連接Access數(shù)據(jù)庫(kù)，用SolidWorks軟件讀取數(shù)據(jù)庫(kù)中斷層F18的信息，進(jìn)而在之前建好的基礎(chǔ)模型上建立了斷層F18 的三維模型，然后對(duì)由于斷層作用導(dǎo)致的煤體缺失的地方用巖石材質(zhì)進(jìn)行填充，使其更加逼真，反映出煤巖層賦存形態(tài)及地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育規(guī)律，建好的斷層F18的三維剖面圖如圖4所示。

從2013年9月以來，工作面已推采完成，共揭露斷層18條，斷層角度為35°～70°、斷層高度3～15m，達(dá)到了預(yù)期效果。

7110工作面軌道巷和運(yùn)輸巷均由開切眼開始施工，掘進(jìn)85m 處可見斷層角為70°、高度為3m正斷層后，預(yù)示巷道已經(jīng)進(jìn)入第一個(gè)斷層異常區(qū)。在隨后的掘進(jìn)范圍內(nèi)，運(yùn)輸巷和軌道巷又依次揭露了17條斷層，受到這些斷層影響，巷道起伏較大，裂隙發(fā)育、頂板破碎，局部煤增厚，最厚達(dá)11m，尤其是7110聯(lián)絡(luò)巷附近位置的異常處，斷層數(shù)量多、走向交錯(cuò)縱橫，煤層分叉嚴(yán)重，工作面難以繼續(xù)推進(jìn)，通過對(duì)7110工作面三維地質(zhì)模型進(jìn)行剖切，實(shí)現(xiàn)了對(duì)工作面內(nèi)煤層、斷層賦存狀態(tài)的精確預(yù)測(cè)，提前對(duì)復(fù)雜區(qū)域采取措施，有效減少了事故突發(fā)的盲目性，為領(lǐng)導(dǎo)決策提供技術(shù)資料，減輕了地質(zhì)工作人員工作量，提高了生產(chǎn)的技術(shù)管理水平。實(shí)踐表明，隨著7110 工作面的推進(jìn)，可以通過7110工作面三維模型對(duì)煤層賦存狀態(tài)、斷層走向變化趨勢(shì)的研究分析，結(jié)合巷探、鉆探、巷道實(shí)際揭露情況等各種手段確定工作面內(nèi)存在落差較大隱伏斷層變化情況，對(duì)工作面斷層分布及落差大小判斷提供了理論依據(jù)。

圖3 斷層F18地測(cè)剖面圖

圖4 斷層F18三維剖面圖

5 結(jié)論

（1）本課題綜合了以往礦山三維地質(zhì)建模的研究成果，運(yùn)用三維可視化相關(guān)理論，準(zhǔn)確地對(duì)研究區(qū)域的煤層賦存形態(tài)、地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育規(guī)律進(jìn)行了預(yù)測(cè)。7110工作面現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明，該方法能有效預(yù)測(cè)區(qū)域煤巖的賦存規(guī)律，及時(shí)了解地質(zhì)構(gòu)造的控制作用。

（2）以現(xiàn)場(chǎng)收集的數(shù)據(jù) （上、下平巷及開切眼）為基礎(chǔ)，結(jié)合相應(yīng)的礦山勘探、地測(cè)圖形文件，建立各地層、構(gòu)造的拓?fù)潢P(guān)系，實(shí)現(xiàn)了研究區(qū)域地質(zhì)信息的數(shù)字化。

（3）以數(shù)字化的地質(zhì)信息數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，科學(xué)地建立研究區(qū)域的三維地質(zhì)信息數(shù)據(jù)庫(kù)，并可及時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)揭露、探測(cè)資料對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行維護(hù)。

（4）創(chuàng)造性地運(yùn)用SolidWorks軟件，以三維地質(zhì)信息數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)，通過AutoCAD 將地質(zhì)數(shù)據(jù)加工成二維圖形，進(jìn)而導(dǎo)入到SolidWorks，生成三維圖形元件，借助導(dǎo)線點(diǎn)進(jìn)行精確標(biāo)注，為煤巖層添加真實(shí)材質(zhì)，建立了區(qū)域三維地質(zhì)模型。

（5）本模型能夠根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)情況，及時(shí)提取地質(zhì)剖面及相關(guān)煤巖層信息，從而優(yōu)化開采設(shè)計(jì)，對(duì)安全隱患采取相應(yīng)的預(yù)防措施。

（6）現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明，本模型對(duì)隱伏的地質(zhì)構(gòu)造，尤其是斷層有很好地預(yù)測(cè)作用，能夠及時(shí)指導(dǎo)生產(chǎn)適當(dāng)調(diào)整。因此，對(duì)該采區(qū)其他工作面的開采設(shè)計(jì)、安全生產(chǎn)有較大的指導(dǎo)意義。

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