唐 凝，趙 琛

(陜西能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 咸陽 712000)

我國雖然有著十分豐富的煤炭資源儲量，但勘查程度較低，普查儲量約占41%，詳查程度約為26%，可供建井的精查儲量只占尚未利用資源量的12%。據(jù)2019年末調(diào)查統(tǒng)計(jì)，我國現(xiàn)有2 994.8億t精確儲量尚未得到利用，約占煤炭總儲量的53%。雖然我國在地質(zhì)勘測領(lǐng)域已經(jīng)有了長足的進(jìn)步，但勘察水平低、地質(zhì)勘察技術(shù)儲備不足的問題在國內(nèi)仍然普遍存在，一定程度上制約了我國工業(yè)化發(fā)展的進(jìn)程。在5.57萬億t已探明的煤炭資源中，有2.95萬億t埋深在1 000 m以下，進(jìn)一步加大了煤炭資源的開發(fā)難度。在我國煤炭資源儲量豐富的中西部地區(qū)，由于地質(zhì)環(huán)境十分復(fù)雜，開采深度不斷增加，致使淺部煤炭資源占比越來越低，許多礦區(qū)的開采深度已經(jīng)達(dá)到800～1 500 m。隨著我國工業(yè)化建設(shè)的不斷發(fā)展，各行各業(yè)對于煤炭的需求量逐年增加，煤炭生產(chǎn)規(guī)模也隨之?dāng)U大，如何做好相關(guān)的生產(chǎn)管理工作已經(jīng)成為采礦企業(yè)十分重要的研究課題之一。因此，新形勢下的采礦行業(yè)應(yīng)當(dāng)加快信息化建設(shè)步伐，合理運(yùn)用GIS技術(shù)，建立智慧礦山管理系統(tǒng)，推動落實(shí)全過程項(xiàng)目管理，建設(shè)精細(xì)化智慧礦山管理體系，降低煤炭開采成本，提高煤炭開采效率[1-3]。

1 GIS技術(shù)概述

GIS全稱Geographic Information System，為地理信息系統(tǒng)，指的是利用計(jì)算機(jī)硬件和軟件程序?qū)Φ乩頂?shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲、分析與建模的信息技術(shù)。GIS技術(shù)的最大特點(diǎn)在于能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)資源的可視化，同時將地理分析功能與可視化功能結(jié)合起來，并通過常規(guī)的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)編輯操作。將GIS技術(shù)應(yīng)用于智慧礦山的建設(shè)中，有助于進(jìn)一步提高礦山地理數(shù)據(jù)的使用效率，深入挖掘潛在信息，擴(kuò)展計(jì)算機(jī)技術(shù)在礦山生產(chǎn)管理中的應(yīng)用場景[4-6]。

2 建模前技術(shù)準(zhǔn)備

2.1 礦山實(shí)地情況

研究針對位于陜西省榆林市瑤鎮(zhèn)鄉(xiāng)的某礦山進(jìn)行GIS模型實(shí)驗(yàn)分析。該礦山井田長約12.5 km，寬約10 km，面積約125.97 km2，各類煤炭資源儲量約3 028.74 Mt，具有建設(shè)特大型礦井的資質(zhì)。在信息化基礎(chǔ)設(shè)施方面，該礦井附帶設(shè)有Ethemet/IP工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，采用以太網(wǎng)SCADA模式，可用于建設(shè)三維可視化的GIS基礎(chǔ)服務(wù)平臺。

2.2 數(shù)據(jù)采集與分析

研究通過三維激光掃描技術(shù)獲取礦山地理信息數(shù)據(jù)，該技術(shù)能夠直接采集礦山三維信息，并根據(jù)所獲取的礦山表面坐標(biāo)信息建立可視化三維模型。三維激光掃描技術(shù)還能夠自動輸出礦山表面的密集點(diǎn)云，對點(diǎn)云數(shù)據(jù)實(shí)施補(bǔ)洞和去噪處理，進(jìn)而獲取有效點(diǎn)云數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上運(yùn)用標(biāo)靶控制點(diǎn)完成點(diǎn)云配準(zhǔn)操作并獲取明顯的位置坐標(biāo)信息，再將基于點(diǎn)云所建立的網(wǎng)絡(luò)模型表面實(shí)施修補(bǔ)處理既可輸出礦山的三維模型[7-9]。

2.3 GIS模型數(shù)據(jù)的可視化

研究通過3DMine來實(shí)現(xiàn)GIS模型數(shù)據(jù)的可視化，在該軟件中的工具欄中單擊“工具”按鈕進(jìn)入“線賦高程”，在該界面中選中“搜索參考點(diǎn)賦高程”完成模型賦值操作，進(jìn)而計(jì)算出離等高線較遠(yuǎn)的標(biāo)高與等高線之間的距離，在此基礎(chǔ)上適當(dāng)?shù)卣{(diào)整參考范圍，能夠進(jìn)一步提高等高線的準(zhǔn)確度。礦山等高線地形圖在經(jīng)過調(diào)和賦值處理后，往往會受到計(jì)算機(jī)擬合曲線、圖紙繪制精度的影響而出現(xiàn)相交線、釘子角、冗余對象和冗余點(diǎn)等方面的問題，需要通過人工處理來進(jìn)行修正，對相交線、釘子角、冗余對象和冗余點(diǎn)進(jìn)行逐一修改并建立三角網(wǎng)，最終輸出的模型如圖1所示。

圖1 輸出的模型

在完成針對礦山地形模型的修正處理后，還需要進(jìn)一步測量對象信息。本次研究測得瑤鎮(zhèn)鄉(xiāng)礦山的地表面積為63 258.844 m2，共生成23 208個模型三角片，該數(shù)據(jù)可以通過3DMine來模擬礦山表面地形，處理結(jié)果如圖2所示。

圖2 通過3DMine輸出的礦山表面地形

3 GIS模型的創(chuàng)建與應(yīng)用

3.1 創(chuàng)建GIS模型

礦山地質(zhì)數(shù)據(jù)通常取自于物探、槽探、坑探、鉆探所采集的數(shù)據(jù)，各礦區(qū)均記錄有取樣位置、工程名稱、巖性以及分析品位等信息。以創(chuàng)建鉆孔空間模型為例，在通過3DMine進(jìn)行建模之前，需要事先創(chuàng)建一個礦山鉆孔信息數(shù)據(jù)庫。該數(shù)據(jù)庫由煤質(zhì)信息表、巖性表、測斜表和定位表4張表格所組成。首先在3DMine界面菜單中點(diǎn)擊“鉆孔”按鈕，在彈出的選項(xiàng)欄中點(diǎn)擊“新建數(shù)據(jù)庫”。測斜表和定位表是新建數(shù)據(jù)庫的默認(rèn)表格。因此，需要額外創(chuàng)建煤質(zhì)信息表和巖性表的Excel表格[10]。操作者可直接將礦山地理信息數(shù)據(jù)以Excel表格的形式直接導(dǎo)入至3DMine中，完成數(shù)據(jù)庫創(chuàng)建操作。在完成數(shù)據(jù)庫的創(chuàng)建操作后，3DMine會基于GIS平臺數(shù)據(jù)建立可視化鉆孔模型，用戶可以直接通過PC瀏覽器獲取模型圖像信息，建模結(jié)果如圖3所示。3DMine能夠?qū)崿F(xiàn)鉆孔模型的精確顯示，進(jìn)而以鉆孔數(shù)據(jù)+三維鉆孔模型的形式來建立地質(zhì)數(shù)據(jù)庫，可視效果良好并且便于數(shù)據(jù)查詢。用戶只需要在三維鉆孔上單擊鼠標(biāo)左鍵，就可以在操作界面上彈出煤質(zhì)、巖性柱狀分層狀況、測斜、位置等信息。

圖3 鉆孔空間模型

3.2 GIS模型的應(yīng)用

(1)煤礦巷道GIS模型相關(guān)分析。在巷道生成之后連接各交叉口，可以創(chuàng)建一個宏觀巷道模型，煤礦企業(yè)可以根據(jù)該模型制定采掘計(jì)劃。操作者還可以在3DMine系統(tǒng)界面中設(shè)置掘進(jìn)參數(shù)和施工開始日期并對掘進(jìn)模型進(jìn)行定義，掘進(jìn)參數(shù)設(shè)置設(shè)置方案見表1，在此基礎(chǔ)上輸出采掘計(jì)劃甘特圖。在施工過程中，技術(shù)人員只需要針對甘特圖實(shí)施二次排布調(diào)整，就可以用來指導(dǎo)相關(guān)的流水作業(yè)。初始甘特圖與經(jīng)過二次高速的甘特圖如圖4所示。

表1 掘進(jìn)參數(shù)設(shè)置界面

圖4 初始甘特圖與經(jīng)過二次高速的甘特圖

礦山項(xiàng)目技術(shù)人員在經(jīng)過二次調(diào)整的甘特圖的數(shù)據(jù)支持下，可以對工程項(xiàng)目的實(shí)施進(jìn)度加以指導(dǎo)，并動態(tài)模擬采掘計(jì)劃。技術(shù)人員也可以重新編排甘特圖，以適應(yīng)自身的看圖習(xí)慣。具體形式如圖5所示。

圖5 經(jīng)過重新編排的甘特圖

在3DMine軟件界面中，技術(shù)人員還可以將完整的施工過程以報告文件的形式加以輸出，并根據(jù)報告來統(tǒng)計(jì)支護(hù)表面積、總費(fèi)用、總掘進(jìn)體積、掘進(jìn)數(shù)、工期等核心數(shù)據(jù)。報告文件具體形式如圖6所示。

圖6 施工計(jì)劃報告文件

(2)煤礦巷道GIS模型地下測量分析。用于煤礦巷道GIS建模的巷道截面數(shù)據(jù)見表2。

表2 用于煤礦巷道GIS建模的巷道截面數(shù)據(jù)

為了進(jìn)一步細(xì)化巷道模型，還需要在該模型的基礎(chǔ)上實(shí)施巷道地下測量分析，使巷道截面更加精細(xì)，最大限度還原空間布置。此次研究通過導(dǎo)線點(diǎn)步距法來對煤礦巷道進(jìn)行測量分析。首先通過測量確定巷道的2個導(dǎo)線點(diǎn)，根據(jù)事先設(shè)定好的步距在2個導(dǎo)線點(diǎn)之間測量高度、右寬和左寬。

在導(dǎo)線步距法測量對話框中復(fù)制表中數(shù)據(jù)，彈出的巷道實(shí)體圖像如圖7所示。

圖7 巷道實(shí)體圖像

在建立平面巷道模型之后，還需要對巷道高程進(jìn)行修改，以導(dǎo)線點(diǎn)作腰線為模型賦予高程，導(dǎo)入腰線文件后，再于圖形區(qū)一次性導(dǎo)入其他測量好的導(dǎo)線。操作結(jié)果如圖8所示。

圖8 腰線及導(dǎo)線模型

(3)煤礦巷道GIS模型地下通風(fēng)設(shè)計(jì)。在整個煤礦井下設(shè)計(jì)工作中，通風(fēng)設(shè)計(jì)是一項(xiàng)十分重要的工作環(huán)節(jié)。在礦井通風(fēng)系統(tǒng)中，主要的設(shè)計(jì)對象包括出風(fēng)巷道、風(fēng)門、節(jié)點(diǎn)、分支、回路、進(jìn)風(fēng)巷道、測風(fēng)點(diǎn)等，完成連接以上基本元素即可形成相應(yīng)的通風(fēng)系統(tǒng)。在3DMine通風(fēng)版本中，需要完成初始化參數(shù)設(shè)置，初始化參數(shù)設(shè)置方案：①通風(fēng)解算參數(shù)。節(jié)點(diǎn)間捕捉距離為0.1，解算最大迭代次數(shù)為10 000，網(wǎng)孔迭代計(jì)算精度為0.001。②顯示參數(shù)。節(jié)點(diǎn)顯示半徑為0.5，箭頭顯示大小為2.5，圖像顯示比例為1。③電機(jī)參數(shù)。電動機(jī)容量備用系數(shù)為1.2，電動機(jī)效率為0.95。在此基礎(chǔ)上，將如圖9所示的巷道通風(fēng)系統(tǒng)模型導(dǎo)入至3DMine平臺，完成導(dǎo)入操作后即可編輯巷道參數(shù)，參數(shù)設(shè)置見表3。

圖9 巷道通風(fēng)系統(tǒng)模型

表3 通風(fēng)對象參數(shù)設(shè)置方案

在完成參數(shù)設(shè)置操作后，還需要通過“檢查網(wǎng)絡(luò)指令”來檢測通風(fēng)系統(tǒng)。檢測結(jié)果界面如圖10所示。

圖10 通風(fēng)檢查結(jié)果

4 結(jié)語

研究基于礦山地區(qū)的GIS系統(tǒng)數(shù)據(jù)對礦井模型的具體思路進(jìn)行了詳細(xì)介紹，提出了用于礦山GIS建模的數(shù)據(jù)采集方法和GIS模型可視化方法。在具體的建模工作中，利用3DMine軟件建立該礦山的地表DTM模型，并根據(jù)煤礦巷道GIS參數(shù)建立了礦山巷道模型，并將該模型應(yīng)用于巷道通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。該通風(fēng)系統(tǒng)帶有11個通風(fēng)網(wǎng)孔、6個固定出風(fēng)點(diǎn)和1臺通風(fēng)機(jī)，經(jīng)3DMine通風(fēng)版中的“檢查網(wǎng)絡(luò)指令”來檢測通風(fēng)系統(tǒng)，未發(fā)現(xiàn)錯誤，代表該通風(fēng)方案可用于礦山的實(shí)際建設(shè)。