劉發(fā)勇 田祥貴 何 林
(貴州盤(pán)江煤電集團(tuán)技術(shù)研究院有限公司,貴州 貴陽(yáng) 550081)
老屋基礦是三線建設(shè)時(shí)期的礦井,礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境資料通常是用平面圖、鉆孔柱狀圖、剖面圖、巖性煤層編錄表等來(lái)反映,對(duì)生產(chǎn)技術(shù)人員的專(zhuān)業(yè)知識(shí)要求較高,不能實(shí)現(xiàn)直觀地展示礦區(qū)生產(chǎn)現(xiàn)狀,更不能滿足現(xiàn)在數(shù)字化礦山、信息化礦山、智能化礦山的需求。
3DMine礦業(yè)軟件已在礦山測(cè)量、露天深孔臺(tái)階爆破、資源儲(chǔ)量估算、露天礦境界優(yōu)化、三維地質(zhì)建模等方面取得較好的應(yīng)用[1-6]。本文以三線建設(shè)時(shí)期礦井老屋基礦為研究區(qū),通過(guò)對(duì)鉆孔數(shù)據(jù)處理、三維地質(zhì)建模、巷道建模等,實(shí)現(xiàn)老礦區(qū)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的數(shù)字化、可視化應(yīng)用,以期助力提升礦井生產(chǎn)安全,逐步實(shí)現(xiàn)數(shù)字礦山應(yīng)用,并為智能礦山、智慧礦山奠定基礎(chǔ)。
礦區(qū)地處云貴高原東側(cè)斜坡地帶,盤(pán)關(guān)向斜北西翼北段,由于受北盤(pán)江及支流的強(qiáng)烈切割,地勢(shì)起伏變化較大,整體地形地貌屬高原山地類(lèi)型。礦區(qū)面積16.614 5 km2,開(kāi)采深度+1100~+1800 m標(biāo)高。出露的地層由老至新有:二疊系中統(tǒng)茅口組(P2m)、上統(tǒng)峨眉山玄武巖(P3β)及上統(tǒng)龍?zhí)督M(P3l)、三疊系下統(tǒng)飛仙關(guān)組(T1f)、下統(tǒng)永寧鎮(zhèn)組(T1yn)及第四系(Q)。礦區(qū)含煤地層龍?zhí)督M(P3l),按地層巖性特征分為上中下三段。上段(P3l3):龍?zhí)督M頂部~12號(hào)煤層頂板,含可采煤層3層(3、4、10號(hào)煤層),可采煤層平均厚度分別為1.18 m、1.18 m、1.34 m;中段(P3l2):12號(hào)煤層頂板~22號(hào)煤層頂板,含可采煤層7層(12、14、15、16、17、18、20號(hào)煤層),可采煤層平均厚度分別為3.19 m、1.54 m、1.70 m、1.37 m、1.45 m、2.07 m、1.52 m;下段(P3l1):22號(hào)煤層頂板~龍?zhí)督M底部,含可采煤層2層,即22、24號(hào)煤層,可采煤層平均厚度分別為1.34 m、1.43 m。
地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù)是礦山信息化中三維地質(zhì)建模的基礎(chǔ)和前提,也是礦山進(jìn)行開(kāi)采設(shè)計(jì)和資源評(píng)估及儲(chǔ)量計(jì)算的數(shù)據(jù)基礎(chǔ),礦山三維地質(zhì)建模工作中最重要的環(huán)節(jié)就是對(duì)鉆井時(shí)獲得的鉆孔數(shù)據(jù)信息的采集及分析處理[7]。由于礦區(qū)生產(chǎn)歷史長(zhǎng)遠(yuǎn),部分資料缺乏有效管理,許多鉆孔數(shù)據(jù)是50—60年代的工程圖紙數(shù)據(jù),因此在3DMine軟件中建立鉆孔數(shù)據(jù)庫(kù)之前,需要對(duì)礦區(qū)鉆孔數(shù)據(jù)及圖紙進(jìn)行數(shù)字化。鉆孔數(shù)據(jù)庫(kù)包括定位表、測(cè)斜表、巖性表、品位表四個(gè)基本表格。定位表記錄鉆孔在三維空間中的位置,測(cè)斜表記錄鉆孔下鉆過(guò)程中的傾角、方位角、測(cè)斜深度等數(shù)據(jù),巖性表用于存儲(chǔ)地層巖性、描述等信息,品位表存儲(chǔ)鉆孔樣品的分析結(jié)果。
在礦井生產(chǎn)掘進(jìn)過(guò)程中,大部分測(cè)量工作是在井下進(jìn)行的,由于井下測(cè)量工作的條件限制,地面上的許多先進(jìn)快捷的測(cè)量?jī)x器還不能用來(lái)進(jìn)行井下測(cè)量。全站儀、水準(zhǔn)儀進(jìn)行導(dǎo)線法測(cè)量巷道是現(xiàn)今礦山井下測(cè)量主要方法,通常在巷道掘進(jìn)的過(guò)程中對(duì)巷道轉(zhuǎn)折點(diǎn)、巷道交叉點(diǎn)、巷道高程變化點(diǎn)等位置進(jìn)行中心線測(cè)量,通過(guò)導(dǎo)線角度、邊長(zhǎng)及高程的測(cè)量來(lái)完成巷道待測(cè)點(diǎn)的測(cè)量及導(dǎo)線網(wǎng)的布設(shè)。巷道高程及平面坐標(biāo)的測(cè)量通常采用一井定向傳遞,從巷道主井進(jìn)行測(cè)量導(dǎo)線的傳遞,從而與地面建筑建立統(tǒng)一的坐標(biāo)控制網(wǎng)。在3DMine軟件中通過(guò)井下巷道測(cè)量數(shù)據(jù)的編輯,得到巷道中心線的三維數(shù)據(jù)。鉆孔數(shù)據(jù)與巷道測(cè)量數(shù)據(jù)疊加效果圖如圖1。
圖1 鉆孔數(shù)據(jù)與巷道測(cè)量數(shù)據(jù)疊加效果圖
地表模型的精度受地形圖精度的影響,以往的地表模型構(gòu)建主要是通過(guò)礦區(qū)地形圖提取等高線來(lái)構(gòu)建,3DMine軟件可根據(jù)等高線文件構(gòu)建DTM表面,快速生成礦區(qū)地表模型,但礦區(qū)地形圖資料時(shí)效性差且無(wú)DLG數(shù)據(jù)。因此本次采用無(wú)人機(jī)低空航測(cè)法進(jìn)行像片數(shù)據(jù)采集,并通過(guò)地面像控點(diǎn)進(jìn)行空三加密解算,并生成點(diǎn)云數(shù)據(jù),通過(guò)CloudCompare軟件對(duì)房屋、橋梁、樹(shù)木等非地表點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)云濾波處理,得到地面的點(diǎn)云數(shù)據(jù),通過(guò)3DMine導(dǎo)入地面點(diǎn)并生成不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)構(gòu)建地表表面模型,進(jìn)行渲染和顯示等效果處理。老屋基礦地表模型效果圖如圖2。
圖2 老屋基礦地表模型效果圖
三維地質(zhì)模型的構(gòu)建是煤礦數(shù)字化、信息化的又一重要基礎(chǔ),只有實(shí)現(xiàn)了三維地質(zhì)模型的可視化,才能提升煤礦數(shù)字化的應(yīng)用水平。三維地質(zhì)建模包括地層巖體三維模型、礦體三維模型、斷層三維模型、地層頂?shù)装鍎澐峙c構(gòu)建等。在3DMine軟件中,通過(guò)連接鉆孔數(shù)據(jù)庫(kù)采用全地層自動(dòng)建模功能,格網(wǎng)間距設(shè)定為50,鉆孔之間的加密插值方法選用曲面擬合插值法,其插值原理是通過(guò)零散的鉆孔數(shù)據(jù)采用函數(shù)公式進(jìn)行插值擬合,從而得到連續(xù)的曲面構(gòu)建地層模型[8-10]。三維地質(zhì)模型效果圖如圖3。
圖3 三維地質(zhì)模型效果圖
巷道模型構(gòu)建的關(guān)鍵在于巷道交叉口的處理,3DMine軟件對(duì)于巷道交叉口的處理實(shí)現(xiàn)了連續(xù)性,通常巷道的屬性包括巷道的長(zhǎng)、寬、高以及拱頂高四個(gè)參數(shù),其高度和寬度一般在一定范圍內(nèi)是固定的,巷道長(zhǎng)度隨挖掘工作的推進(jìn)而增加。井下巷道測(cè)量得到的是一系列包含XYZ空間坐標(biāo)值的點(diǎn),通過(guò)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)的連接即可得到巷道中心線數(shù)據(jù),以巷道中線作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù),通過(guò)巷道寬度、高度及拱高即可實(shí)現(xiàn)巷道的三維建模。3DMine軟件提供了多種巷道建模的方法,包括手工繪制、中線生成、腰線建模等,本次基于巷道測(cè)量數(shù)據(jù)的巷道中心線文件,選用中線生成方法,巷道模型選用三心拱,首未兩端不封閉建模,從而得到整個(gè)礦區(qū)的巷道三維模型。巷道模型整體與局部模型效果圖如圖4。
圖4 巷道模型整體與局部模型效果圖
地質(zhì)剖面是煤礦開(kāi)采設(shè)計(jì)的重要支持?jǐn)?shù)據(jù),傳統(tǒng)的地質(zhì)勘探線剖面分析只能針對(duì)固定的視角、固定的位置進(jìn)行分析,通過(guò)3DMine軟件可建立動(dòng)態(tài)剖面管理,實(shí)現(xiàn)剖面沿X、Y、Z三軸的可視化動(dòng)態(tài)剖面瀏覽,查看煤層、巷道、工作面等的相互關(guān)系,并可制作任意的角度剖面成果,進(jìn)而為煤礦開(kāi)采工作面的設(shè)計(jì)及實(shí)際生產(chǎn)掘進(jìn)工作的開(kāi)展提供參考依據(jù),實(shí)現(xiàn)煤礦開(kāi)采生命周期的三維數(shù)字化展示。三維地質(zhì)模型剖面分析效果圖如圖5。
圖5 三維地質(zhì)模型剖面分析效果圖
本次利用3DMine軟件進(jìn)行老屋基礦的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)數(shù)字化處理,實(shí)現(xiàn)了三維地表建模、三維地層建模、巷道建模等,可直觀展示出礦區(qū)三維地層、巷道、工作面等分布情況,為老屋基礦的數(shù)字化、信息化轉(zhuǎn)型提供了數(shù)據(jù)支持。通過(guò)對(duì)三維地質(zhì)模型的剖面分析應(yīng)用,可為礦山的設(shè)計(jì)生產(chǎn)、掘進(jìn)、開(kāi)采等工作提供重要依據(jù),奠定了信息化、可視化生產(chǎn)的基礎(chǔ)。但礦山三維可視化應(yīng)用是各大系統(tǒng)的集成,未來(lái)在基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的智能控制還需更深入地研究與應(yīng)用,才能真正實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型。