王新苗，韓保山，宋 燾，沈 凱，岳 輝，雷曉宇

(1.煤炭科學(xué)研究總院，北京 100013；2.中煤科工集團(tuán)西安研究院有公司，陜西 西安 710077；3.陜西陜煤黃陵礦業(yè)有限公司，陜西 黃陵 727307)

煤炭是我國(guó)的主體能源，預(yù)計(jì)未來(lái)幾十年內(nèi)，煤炭在能源生產(chǎn)和消費(fèi)中仍占據(jù)主導(dǎo)地位[1-4]。煤炭智能化開(kāi)采是煤炭高質(zhì)量發(fā)展的核心技術(shù)支撐，是我國(guó)當(dāng)前煤炭開(kāi)采的重要研究方向。自2014年陜西黃陵礦一號(hào)煤礦1001工作面率先實(shí)現(xiàn)“有人巡視、無(wú)人跟機(jī)”的智能化開(kāi)采模式以來(lái)，全國(guó)各地煤礦都在加速推進(jìn)工作面智能化的建設(shè)[5-6]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前全國(guó)已建成超過(guò)300個(gè)智能化工作面[7]。

目前現(xiàn)有的智能化開(kāi)采技術(shù)主要依靠采煤機(jī)記憶截割、工作面自動(dòng)找直、遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控等技術(shù)裝備，在地質(zhì)條件簡(jiǎn)單的礦井實(shí)現(xiàn)了實(shí)踐應(yīng)用。但記憶割煤還存在諸多問(wèn)題，其根本問(wèn)題在于采煤機(jī)不能適應(yīng)工作面煤層地質(zhì)條件的變化，導(dǎo)致智能化開(kāi)采整體水平較低。提前查明開(kāi)采前方工作面的地質(zhì)信息并融入智能開(kāi)采系統(tǒng)中，對(duì)進(jìn)一步推動(dòng)智能開(kāi)采的發(fā)展具有重要意義。為此，袁亮[8]提出煤炭精準(zhǔn)開(kāi)采科學(xué)構(gòu)想，王國(guó)法等[9]提出建立基于北斗系統(tǒng)的精準(zhǔn)地質(zhì)信息系統(tǒng)，王存飛等[10]提出透明工作面的概念，董書(shū)寧[11]提出打造智能化開(kāi)采地質(zhì)保障升級(jí)版，毛善君等[12]提出透明化礦山的概念，以上學(xué)者均指出要構(gòu)建回采工作面高精度的三維地質(zhì)模型，回采工作面地質(zhì)信息透明化的實(shí)現(xiàn)是智能化開(kāi)采的地質(zhì)保障技術(shù)重要工作。

澳大利亞的工作面自動(dòng)化LASC系統(tǒng)利用鉆孔、巷道掘進(jìn)和回采揭露數(shù)據(jù)建立三維地質(zhì)模型來(lái)指導(dǎo)采煤機(jī)開(kāi)采，精度可以達(dá)到50 cm[13-14]。國(guó)內(nèi)學(xué)者最早也指出通過(guò)建立高精度三維地質(zhì)模型來(lái)避開(kāi)采煤機(jī)煤巖識(shí)別的技術(shù)難題，以指導(dǎo)采煤機(jī)進(jìn)行規(guī)劃截割[15-17]。眾多學(xué)者也均指出采用鉆探、物探、采掘等揭露的地質(zhì)信息構(gòu)建工作面開(kāi)采化模型，以實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)滾筒調(diào)高軌跡的規(guī)劃和控制[18-21]。程建遠(yuǎn)等[22-23]系統(tǒng)地提出了構(gòu)建工作面三維地質(zhì)模型的總體思路：按照不同的地質(zhì)、采掘階段，將回采工作面地質(zhì)模型分為4個(gè)層級(jí)，即黑箱模型、灰箱模型、白箱模型和透明模型，對(duì)不同的模型精度做出了預(yù)測(cè)，并以XY-S智能化工作面為例分析了4種模型的實(shí)證誤差。在傳統(tǒng)地質(zhì)建模方面，關(guān)于體建模[24]、多源數(shù)據(jù)融合[25-26]、地層面擬合[27]、斷層建模[28]、三維聯(lián)動(dòng)編輯[29]、平剖面對(duì)應(yīng)動(dòng)態(tài)建模[30]等技術(shù)的研究取得了很大進(jìn)展，三維地質(zhì)建模技術(shù)日趨成熟?？傮w來(lái)看，當(dāng)前成熟的三維地質(zhì)建模技術(shù)為智能開(kāi)采地質(zhì)模型建立提供了可靠的技術(shù)支撐，但關(guān)于智能開(kāi)采模型構(gòu)建的實(shí)例和模型誤差分析的研究并不多，基于地質(zhì)模型的智能開(kāi)采實(shí)踐更少。因此，當(dāng)前智能開(kāi)采三維地質(zhì)模型構(gòu)建技術(shù)尚處于初級(jí)階段。

筆者在分析智能開(kāi)采地質(zhì)建模方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合黃陵一號(hào)礦某智能工作面，收集整理工作面所有地質(zhì)探測(cè)工程的施工資料，采用TIM-3D軟件，分別構(gòu)建工作面煤層的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)三維地質(zhì)模型，并搭載透明工作面數(shù)字孿生系統(tǒng)對(duì)智能開(kāi)采地質(zhì)模型進(jìn)行展示。結(jié)合回采所揭露的真實(shí)地質(zhì)數(shù)據(jù)，對(duì)模型的精度進(jìn)行分析，以期為智能開(kāi)采工作面地質(zhì)建模及地質(zhì)信息透明化的發(fā)展提供借鑒。

1 建模方法

1994年，加拿大學(xué)者S.W.Houlding[31]最先提出三維地質(zhì)建模的概念，他指出三維地質(zhì)建模就是用三維數(shù)據(jù)模型對(duì)地質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行描述。三維地質(zhì)建模能夠最大程度地集成多種地質(zhì)探測(cè)手段獲得的地質(zhì)資料信息，進(jìn)而減少儲(chǔ)層預(yù)測(cè)的不確定性。

1.1 智能開(kāi)采地質(zhì)模型的選取

三維空間數(shù)據(jù)模型是三維地質(zhì)建模的基礎(chǔ)。常見(jiàn)的三維空間數(shù)據(jù)模型總體上可分為面元模型、體元模型和混合模型3種類型[32-33]。面元模型有邊界表示模型、線框模型、斷面模型、多層DEM模型等；體元模型有結(jié)構(gòu)實(shí)體幾何模型、四面體網(wǎng)格(TEN)模型、三棱柱(TP)模型等；混合模型有不規(guī)則三角網(wǎng)–結(jié)構(gòu)實(shí)體混合(TIN-CSG)模型、八叉樹(shù)–四面體格網(wǎng)混合(Octree-TEN)模型、不規(guī)則三角網(wǎng)–八叉樹(shù)混合(TIN-Octree)模型等[33]。

在進(jìn)行面模型生成的過(guò)程中使用最多的是三角網(wǎng)TIN模型和四邊形網(wǎng)格Grid模型。TIN模型可以更好地表達(dá)空間曲面的起伏，但不利于計(jì)算；Grid模型可以使模型變得更為規(guī)則，方便計(jì)算，但不能準(zhǔn)確地表達(dá)不光滑面。

智能開(kāi)采對(duì)地質(zhì)模型建立的要求比較高，因此，建立層面模型時(shí)采用三角網(wǎng)TIN模型，通過(guò)不規(guī)則分布的數(shù)據(jù)點(diǎn)生成的連續(xù)三角網(wǎng)來(lái)建立煤層頂?shù)椎谋砻婺Ｐ?，從而更精確、合理地表達(dá)煤層的表面形態(tài)。

1.2 智能開(kāi)采工作面地質(zhì)建模路線

煤礦開(kāi)采是一個(gè)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，建立的智能開(kāi)采地質(zhì)模型也應(yīng)該動(dòng)態(tài)更新。工作面回采前地質(zhì)建模的主要數(shù)據(jù)來(lái)源于鉆探、物探、地質(zhì)寫(xiě)實(shí)等。隨著開(kāi)采的進(jìn)行，控制煤層的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)越來(lái)越多，融入回采揭露的煤層地質(zhì)信息，可對(duì)地質(zhì)模型進(jìn)行更新。智能開(kāi)采三維地質(zhì)模型構(gòu)建的技術(shù)路線如圖1所示。

建模過(guò)程如下。

1) 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

統(tǒng)一模型的坐標(biāo)系和零點(diǎn)。結(jié)合工作面所有地質(zhì)探測(cè)工程的成果資料，劃分出煤層頂部坐標(biāo)、底部坐標(biāo)、斷層范圍等，將這些頂?shù)鬃鴺?biāo)及構(gòu)造范圍變換到統(tǒng)一的坐標(biāo)系和零點(diǎn)中。

2) 地質(zhì)模型建立

結(jié)合采樣點(diǎn)坐標(biāo)及構(gòu)造范圍，通過(guò)導(dǎo)入建模數(shù)據(jù)，確定模型邊界，建立斷層網(wǎng)格、煤層層面、線框模型，劃分地層網(wǎng)格等步驟建立工作面三維地質(zhì)靜態(tài)模型。將礦井生產(chǎn)揭露的最新地質(zhì)數(shù)據(jù)導(dǎo)入原先模型數(shù)據(jù)庫(kù)中，重復(fù)建模步驟生成新的模型，再根據(jù)克里金插值方法插值出智能開(kāi)采要求的均勻網(wǎng)格，建立回采工作面三維地質(zhì)動(dòng)態(tài)模型。最后將地質(zhì)模型導(dǎo)入可視化平臺(tái)進(jìn)行展示，結(jié)合當(dāng)前開(kāi)采位置切割出智能開(kāi)采煤層頂?shù)装迩€。

2 工作面三維地質(zhì)建模方法應(yīng)用

上述建模方法的實(shí)現(xiàn)是基于中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司新開(kāi)發(fā)的TIM-3D礦井地質(zhì)建模系統(tǒng)和透明工作面數(shù)字孿生系統(tǒng)。現(xiàn)結(jié)合黃陵一號(hào)礦某智能開(kāi)采工作面，論述地質(zhì)模型構(gòu)建及應(yīng)用情況。

2.1 工作面地質(zhì)條件

本次智能開(kāi)采試驗(yàn)工作面開(kāi)采煤層為侏羅系延安組(J2y)2號(hào)煤層，煤層埋深在275.56～308.17 m，煤層厚度為1.35～3.43 m，平均厚度2.71 m，煤層傾角0°～8°。工作面進(jìn)風(fēng)巷長(zhǎng)度為1 352.54 m，回風(fēng)巷長(zhǎng)度為1 079.25 m，開(kāi)切眼長(zhǎng)度261 m。工作面在進(jìn)風(fēng)巷靠近切眼的位置存在砂巖沖刷導(dǎo)致煤層變薄的現(xiàn)象(圖2)。工作面進(jìn)回風(fēng)巷每間隔60 m左右設(shè)立了瓦斯抽采鉆場(chǎng)，進(jìn)風(fēng)巷有18個(gè)，回風(fēng)巷有15個(gè)，每個(gè)鉆場(chǎng)相繼施工了十多個(gè)瓦斯抽采鉆孔。

2.2 建模數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

程建遠(yuǎn)等[22]系統(tǒng)提出了基于多源探測(cè)數(shù)據(jù)構(gòu)建多層級(jí)、遞進(jìn)式、高精度三維地質(zhì)模型的思路(表1)。筆者按照此思路，利用相應(yīng)地質(zhì)探測(cè)工程的成果資料作為建模數(shù)據(jù)來(lái)源，以構(gòu)建工作面初始靜態(tài)地質(zhì)模型和回采工作面動(dòng)態(tài)地質(zhì)模型。

該工作面在設(shè)計(jì)、掘進(jìn)、采前和回采階段，先后進(jìn)行了地面鉆探、巷道20 m左右間隔的精細(xì)化定位寫(xiě)實(shí)、槽波地震勘探、瓦斯抽采孔測(cè)井和回采工作面定位與寫(xiě)實(shí)等地質(zhì)探測(cè)工程，通過(guò)逐級(jí)探測(cè)的方式，獲得了大量的地質(zhì)信息。

表1 工作面不同階段探測(cè)手段及模型精度[22]Table 1 Detection methods at different stages of working face and the model accuracy[22]

建立模型之前要統(tǒng)一坐標(biāo)系和零點(diǎn)，一方面要統(tǒng)一地質(zhì)數(shù)據(jù)，使其融入到統(tǒng)一的模型當(dāng)中，隨著工作面的回采，要在模型中快速獲得推采距離信息；另一方面也要將智能開(kāi)采設(shè)備融入到模型當(dāng)中。因此，采用空間直角坐標(biāo)系，以工作面進(jìn)風(fēng)巷與開(kāi)切眼交點(diǎn)處煤層的底部為零點(diǎn)(M點(diǎn))，以進(jìn)風(fēng)巷與水平面所在的直線為X軸，以開(kāi)切眼與水平面的交線為Y軸，以與水平面垂直向上的方向?yàn)閦軸，建立坐標(biāo)系(圖3)。將原先建模數(shù)據(jù)所在全站儀坐標(biāo)系下的坐標(biāo)全部變換到新的坐標(biāo)系下，坐標(biāo)變換如式(1)所示。

式中：n、p、q為全站儀測(cè)得的M點(diǎn)坐標(biāo)，M(n,p,q)；θ為兩個(gè)坐標(biāo)系的夾角，以順時(shí)針為正；(X0,Y0,Z0)為XYZ坐標(biāo)系的坐標(biāo)，x、y、z為新坐標(biāo)系的坐標(biāo)。

圖3 坐標(biāo)變換Fig.3 Schematic diagram of coordinate transformation

將地面鉆孔數(shù)據(jù)、巷道精細(xì)化定位寫(xiě)實(shí)數(shù)據(jù)、鉆孔測(cè)量數(shù)據(jù)按煤層頂部和底部的穿層點(diǎn)進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見(jiàn)表2。

整個(gè)工作面累計(jì)獲得152個(gè)煤層頂部穿層點(diǎn)和141個(gè)底部穿層點(diǎn)，對(duì)293個(gè)穿層點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)變換，投影到圖3b新坐標(biāo)系下。

表2 地質(zhì)探測(cè)手段穿層點(diǎn)統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistics of penetration points of geological exploration methods

2.3 地質(zhì)模型構(gòu)建

采用TIM-3D建模系統(tǒng)構(gòu)建模型。TIM-3D是一種針對(duì)礦井地質(zhì)建模的專業(yè)軟件，以點(diǎn)、線、面的形式導(dǎo)入地震剖面、鉆孔、地質(zhì)剖面等各種地質(zhì)數(shù)據(jù)，可以對(duì)點(diǎn)、線和面進(jìn)行相關(guān)的編輯和造作。TIM-3D采用三角網(wǎng)TIN模型、DSI插值擬合計(jì)算生成層面模型，對(duì)建立的模型可進(jìn)行任意方向的剖切。

該工作面沒(méi)有斷層，不考慮斷層建模。將上述建模數(shù)據(jù)導(dǎo)入到TIM-3D軟件中，通過(guò)確定模型邊界、建立煤層層面、模型裁剪等步驟建立煤層的上表面和下表面。再結(jié)合槽波地震勘探預(yù)測(cè)的構(gòu)造范圍建立砂巖沖刷帶線框模型以構(gòu)建初始工作面靜態(tài)模型(圖4)，圖中藍(lán)色部分表示槽波地震勘探預(yù)測(cè)的砂巖沖刷帶范圍。

圖4 初始工作面靜態(tài)模型Fig.4 Static model of the initial working face

初始靜態(tài)模型的精度是有限的，僅在巷道附近區(qū)域及工作面內(nèi)部鉆孔穿層處附近區(qū)域精度較高。理論和實(shí)踐表明：在原有煤層厚度的基礎(chǔ)上，通過(guò)不斷融入回采揭露的煤層厚度，可進(jìn)一步提高工作面前方煤厚的預(yù)測(cè)精度[34]。筆者對(duì)工作面進(jìn)行精細(xì)化定位與寫(xiě)實(shí)工作，記錄采樣點(diǎn)的位置(液壓支架編號(hào))、煤層傾角、采高、構(gòu)造等信息，換算成煤層的頂部和底部坐標(biāo)，重復(fù)上述建模步驟建立高精度的回采工作面動(dòng)態(tài)模型。

2.4 地質(zhì)模型切割與可視化展示

采用數(shù)字孿生系統(tǒng)對(duì)地質(zhì)模型進(jìn)行切割與可視化展示。數(shù)字孿生系統(tǒng)能夠根據(jù)克里金插值法將地質(zhì)模型切割出智能開(kāi)采要求的均勻網(wǎng)格并進(jìn)行展示。數(shù)字孿生系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前智能開(kāi)采位置，可切割出當(dāng)前十刀的截割曲線。此外，數(shù)字孿生系統(tǒng)還融入了智能開(kāi)采的設(shè)備姿態(tài)等關(guān)鍵信息。

將該工作面地質(zhì)模型導(dǎo)入到數(shù)字孿生系統(tǒng)中進(jìn)行展示，根據(jù)該工作面智能開(kāi)采要求，將該模型切割出0.05 m(傾向)×0.1 m(走向)的均勻網(wǎng)格，結(jié)合當(dāng)前回采位置，切割出當(dāng)前十刀的截割曲線，將截割曲線下發(fā)至采煤機(jī)，為采煤機(jī)滾筒自動(dòng)調(diào)高提供地質(zhì)依據(jù)。數(shù)字孿生系統(tǒng)融入采煤機(jī)位置、運(yùn)行參數(shù)、姿態(tài)等關(guān)鍵開(kāi)采信息，根據(jù)數(shù)字孿生同步映射技術(shù)可實(shí)現(xiàn)井下開(kāi)采場(chǎng)景的地面真實(shí)還原。圖5為數(shù)字孿生系統(tǒng)主界面。

3 誤差分析

工作面三維地質(zhì)模型構(gòu)建的目的是為智能開(kāi)采提供精準(zhǔn)的地質(zhì)導(dǎo)向，因此必須有較高的精度和實(shí)用價(jià)值。該工作面地質(zhì)模型融合了工作面所有地質(zhì)探測(cè)工程的施工資料，對(duì)其進(jìn)行精度評(píng)價(jià)具有代表性。煤層厚度預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性是模型精度的重要指標(biāo)，為此，結(jié)合回采過(guò)程中實(shí)際揭露的煤層厚度與地質(zhì)模型預(yù)測(cè)厚度進(jìn)行對(duì)比分析，開(kāi)展三維地質(zhì)模型的誤差分析。地質(zhì)模型的精度要考慮整個(gè)工作面內(nèi)的煤厚精度，以平均絕對(duì)誤差、均方根誤差、最大誤差、最小誤差、誤差區(qū)間頻數(shù)來(lái)綜合衡量模型的誤差。

3.1 初始靜態(tài)地質(zhì)模型誤差分析

依據(jù)地面鉆孔、巷道精細(xì)化測(cè)量與寫(xiě)實(shí)、鉆孔測(cè)量、槽波地震勘探建立的初始靜態(tài)地質(zhì)模型預(yù)測(cè)了整個(gè)工作面的煤厚信息。根據(jù)靜態(tài)地質(zhì)模型切割剖面換算出推采方向切眼前方200、300、400和500 m工作面的煤厚預(yù)測(cè)值，再結(jié)合實(shí)際開(kāi)采揭露的煤厚測(cè)量值分析初始靜態(tài)地質(zhì)模型的精度。依據(jù)煤厚預(yù)測(cè)值與實(shí)際測(cè)量值繪制出切眼前方不同距離處工作面的煤厚對(duì)比曲線(圖6)。

由圖6可知，初始靜態(tài)模型預(yù)測(cè)的煤厚值基本都是線性的，而實(shí)際揭露的煤厚值是在小范圍內(nèi)波動(dòng)的。這是由于工作面內(nèi)部的煤層穿層點(diǎn)相比巷道實(shí)際測(cè)量點(diǎn)少，而且工作面內(nèi)部鉆孔穿層點(diǎn)離兩側(cè)巷道都較近?？梢?jiàn)亟需開(kāi)發(fā)孔中物探、地質(zhì)探測(cè)雷達(dá)等智能探測(cè)設(shè)備，以提高工作面內(nèi)部的整體探測(cè)精度。此外，工作面兩側(cè)煤厚的預(yù)測(cè)差值也在20 cm左右，因此巷道兩側(cè)20 m左右的標(biāo)志點(diǎn)間隔應(yīng)進(jìn)一步縮小，但依據(jù)目前的定位與測(cè)量水平需要很大的工作量。巷道定位測(cè)量機(jī)器人與工作面掘進(jìn)自動(dòng)化寫(xiě)實(shí)都是今后發(fā)展方向。

統(tǒng)計(jì)煤厚真實(shí)值與測(cè)量值間的絕對(duì)值誤差與區(qū)間頻數(shù)(表3)，可見(jiàn)靜態(tài)地質(zhì)模型的最大絕對(duì)誤差為0.51 m，達(dá)到了“白箱模型”預(yù)測(cè)的米級(jí)—亞米級(jí)精度。不同距離對(duì)應(yīng)的各誤差區(qū)間頻數(shù)相差不大，且均有20%左右的采樣點(diǎn)預(yù)測(cè)誤差超過(guò)30 cm，加上該工作面采煤機(jī)15 cm左右的采高控制誤差，對(duì)于平均煤厚2.71 m的中厚煤層來(lái)說(shuō)，尚不能滿足智能開(kāi)采的精度要求。切眼前方不同距離的相關(guān)誤差不大(圖7)，可見(jiàn)靜態(tài)模型預(yù)測(cè)煤厚誤差在整個(gè)工作面整體分布較均勻，每個(gè)剖面周圍的采樣點(diǎn)數(shù)量相差不大。

圖5 數(shù)字孿生系統(tǒng)主界面Fig.5 The main interface of the TIOE-DT

圖6 切眼前方不同距離工作面煤厚預(yù)測(cè)對(duì)比曲線Fig.6 Comparison curve of coal thickness prediction at different distances in front of the cut

表3 靜態(tài)模型切眼前方不同距離工作面煤厚預(yù)測(cè)誤差統(tǒng)計(jì)Table 3 Statistics of coal thickness prediction errors at different distances in front of the cut in the static model

圖7 靜態(tài)模型相關(guān)誤差曲線Fig.7 The orrelation error curve of static model

3.2 動(dòng)態(tài)模型誤差分析

靜態(tài)地質(zhì)模型不能達(dá)到智能開(kāi)采的精度要求，必須結(jié)合工作面回采最新揭露的地質(zhì)資料對(duì)靜態(tài)模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)精細(xì)修正，以實(shí)現(xiàn)工作面前方的有限透明。理論和實(shí)踐表明，回采工作面遞進(jìn)式煤厚動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)方法，可以顯著提高煤厚的預(yù)測(cè)精度[34]。將工作面最新揭露的煤厚、傾角等地質(zhì)信息融入到原先的動(dòng)態(tài)地質(zhì)模型中，進(jìn)行模型的進(jìn)一步優(yōu)化。當(dāng)工作面推采至中部540 m時(shí)，融入最新的地質(zhì)信息，進(jìn)行模型的更新，在此之前，已經(jīng)對(duì)模型進(jìn)行了多次更新。此次更新后，最新的地質(zhì)模型預(yù)測(cè)了工作面前方1、3、5、8、10和15 m的煤厚值，在回采過(guò)程中，對(duì)工作面的煤厚值進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，以驗(yàn)證更新后地質(zhì)模型的精度。其推采方向工作面前方不同距離處煤厚對(duì)比曲線如圖8所示。

圖8 動(dòng)態(tài)模型前方煤厚對(duì)比曲線Fig.8 Coal thickness comparison curve in front of the dynamic model

由圖8可知，更新后的地質(zhì)模型預(yù)測(cè)前方煤厚是波浪狀起伏的，且15 m范圍內(nèi)的起伏形態(tài)與真實(shí)揭露形態(tài)較一致。預(yù)測(cè)前10 m范圍內(nèi)工作面兩端的預(yù)測(cè)誤差較小，因此，控制巷道標(biāo)志點(diǎn)的間隔應(yīng)不大于10 m。統(tǒng)計(jì)了動(dòng)態(tài)更新后推采方向模型前方不同距離的相關(guān)絕對(duì)誤差和絕對(duì)誤差區(qū)間的頻數(shù)(表4)，可見(jiàn)動(dòng)態(tài)地質(zhì)模型預(yù)測(cè)煤厚誤差明顯小于靜態(tài)地質(zhì)模型，但隨著距離的增大，其絕對(duì)誤差也在線性增大(圖9)。15 m范圍內(nèi)煤厚平均誤差小于15 cm，基本達(dá)到“透明模型”亞米級(jí)的精度。從誤差絕對(duì)值區(qū)間頻數(shù)統(tǒng)計(jì)來(lái)看，8 m范圍內(nèi)煤厚預(yù)測(cè)誤差基本在15 cm以內(nèi)，15 m范圍內(nèi)煤厚預(yù)測(cè)誤差基本都在30 cm以內(nèi)?？梢?jiàn)對(duì)于黃陵礦區(qū)中厚煤層智能開(kāi)采而言，工作面地質(zhì)模型動(dòng)態(tài)更新的推采距離不應(yīng)該大于15 m。以采煤機(jī)5 m/min的運(yùn)行速度計(jì)算，切眼長(zhǎng)度為261 m的工作面基本可以保證兩個(gè)班的智能開(kāi)采精度。在檢修班作業(yè)時(shí)，將測(cè)得的工作面地質(zhì)信息再次用于模型的更新優(yōu)化。

3.3 誤差來(lái)源分析

模型的誤差是采樣點(diǎn)測(cè)量誤差、采樣數(shù)據(jù)量及其分布、插值算法選取共同造成的。

采樣點(diǎn)測(cè)量誤差是儀器誤差、人工操作誤差、探測(cè)技術(shù)裝備受限共同造成的。受儀器精度的限制，采高、煤厚、傾角等測(cè)量數(shù)據(jù)會(huì)存在誤差。人工測(cè)量時(shí)沒(méi)有規(guī)范使用測(cè)量?jī)x器，劃分煤巖界面不準(zhǔn)確等因素會(huì)導(dǎo)致測(cè)量誤差。受探測(cè)技術(shù)裝備的影響，無(wú)法準(zhǔn)確探測(cè)到工作面內(nèi)頂煤和底煤的厚度，在煤層頂?shù)撞槐┞兜那闆r下，煤層底部受浮煤影響不能準(zhǔn)確識(shí)別，煤層頂部受綜采裝備空間限制不能準(zhǔn)確識(shí)別，僅能測(cè)得當(dāng)前的采高值近似代表煤厚值，進(jìn)而造成煤厚測(cè)量誤差。

表4 動(dòng)態(tài)模型工作面前方不同距離煤厚相關(guān)誤差統(tǒng)計(jì)Table 4 Statistics of related errors of coal thickness at different distances in front of the working face

圖9 動(dòng)態(tài)模型相關(guān)誤差Fig.9 Relative error of the dynamic model

采樣數(shù)據(jù)量的多少及其分布情況直接影響模型的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和精度。待開(kāi)采點(diǎn)的煤厚預(yù)測(cè)值是采樣點(diǎn)煤厚值通過(guò)插值算法得到的，采樣點(diǎn)的多少會(huì)直接影響到模型的精度。采樣點(diǎn)部分不均勻會(huì)導(dǎo)致采樣集中的地方模型精度高，例如靜態(tài)地質(zhì)模型采樣點(diǎn)大多集中在兩側(cè)巷道，導(dǎo)致切割剖面的煤厚曲線基本是線性的，存在較大的誤差。

建模插值算法選取不合理也會(huì)影響到模型的精度，常用的地質(zhì)建模插值算法有反距離加權(quán)插值、克里金插值、DSI插值等，不同插值算法得出的結(jié)果存在差別。DSI插值與采樣點(diǎn)距離有關(guān)，距離越近，其預(yù)測(cè)值越接近真實(shí)值，所以會(huì)造成動(dòng)態(tài)模型隨著前方距離的增加模型相關(guān)誤差變大的結(jié)果。

4 結(jié)論

a.以黃陵一號(hào)礦某智能工作面為例，建立了初始靜態(tài)地質(zhì)模型和回采動(dòng)態(tài)地質(zhì)模型，搭載數(shù)字孿生系統(tǒng)對(duì)智能開(kāi)采地質(zhì)模型進(jìn)行展示。靜態(tài)模型和動(dòng)態(tài)模型的精度均達(dá)到了“白箱模型”和“透明模型”的精度預(yù)測(cè)范圍。靜態(tài)地質(zhì)模型不能達(dá)到智能開(kāi)采的精度要求，動(dòng)態(tài)地質(zhì)模型地質(zhì)信息是有限透明的，15 m范圍內(nèi)煤厚預(yù)測(cè)誤差基本在30 cm以內(nèi)，能夠滿足智能化開(kāi)采的要求。

b.模型的誤差是采樣點(diǎn)測(cè)量誤差、采樣數(shù)據(jù)量不足及其分布、插值算法選取不可靠等共同造成的。為保證智能開(kāi)采煤層三維地質(zhì)模型的精度，對(duì)于黃陵礦區(qū)的中厚煤層而言，控制巷道標(biāo)志點(diǎn)的間隔應(yīng)不大于10 m，動(dòng)態(tài)模型更新的推采距離應(yīng)不大于15 m。

c.建模數(shù)據(jù)的收集耗費(fèi)了大量的人力物力，今后還需開(kāi)發(fā)巷道測(cè)量機(jī)器人、激光雷達(dá)、煤巖識(shí)別等關(guān)鍵智能化設(shè)備系統(tǒng)，以完成建模數(shù)據(jù)的自動(dòng)搜集與處理，減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度。工作面前方地質(zhì)信息透明化的程度還需進(jìn)一步提高，今后仍需開(kāi)發(fā)隨采地震、孔中地質(zhì)雷達(dá)等高精度地質(zhì)探測(cè)裝備來(lái)進(jìn)一步提高整體模型的精度，為智能化開(kāi)采提供可靠的地質(zhì)保障技術(shù)。