矿井通风系统三维模型的构建与应用

高重阳

内蒙古仲泰能源有限公司宏景塔分公司 内蒙古鄂尔多斯 017000

现有的巷道三维模型建模算法复杂，且以巷道两端端点坐标直接确定巷道的走势，不能较好地体现巷道的起伏[1]。针对问题，以煤矿工程平面图为基础数据，利用巷道间的拓扑关系进行定位点采集，采用中心线加载断面的算法构建了矿井三维巷道模型。基于矿井三维巷道模型，将通风设施模型同步到三维系统中，生成了矿井通风系统三维模型及相应数据库，生成的立体图能清晰地展示矿井巷道的整体走势，结合数据库信息管理可对矿井模型进行添加、修改等智能操作。

1 三维巷道模型构建

1.1 构建流程

首先在煤矿工程平面图上进行导线点数据采集和巷道断面及参数的选择；然后由导线点逼近中心线处理，在巷道底板中心线上加载巷道断面图元，利用巷道间的拓扑关系确定定位点坐标，生成三维巷道模型；最后进行图形的连通性判断。

1.2 基础数据来源

煤矿工程平面图是煤矿生产实体在图纸上的真实反映，涵盖了煤矿的基本信息，包括井下巷道、工作面参数、工作面状况等。三维巷道模型的构建主要通过巷道断面形状和巷道物理位置来体现，通过采集巷道底板中心线点的三维坐标，然后沿中心线轨迹所形成的断面进行加厚处理即形成矿井巷道模型，而这些数据都可以从煤矿工程平面图上获取[2]。所以，以煤矿工程平面图作为基础数据的来源绘制三维通风系统图是可靠的。

1.3 巷道网络结构模型

定位点约定。为了更加清晰地展示巷道三维模型，巷道数据模型中的点需要进行分类处理。在空间中，三维建模的基础就是以（x，y，z）为坐标的三维定位点，定位点的精度高，才能反映巷道整体的形态，采集对应的定位点的坐标保存到定位点数据表。定位点的分类如图1所示。

图1 定位点分类

定位点：为了确定巷道模型的参考位置和巷道方位等设置的点，可分为基准点和巷道点。

基准点：为了更换图纸时图形不改变方位，以方便采集设置的点，一般以不轻易发生移动和改变的井口作为参考点，以指北针作为方位点。

巷道点：巷道点分为端点和伪点，端点为巷道的起点和终点，伪点为标高差距较大、断面改变和通风设施存在的地方，包括变坡点、变形点和设施点。

定位点采集原理。在Auto CAD软件中，利用煤矿工程平面图进行交互式采集，识别巷道底板中线点三维坐标，根据定位点的设置及巷道的拓扑关系采集巷道线上的定位点。巷道元素的拓扑关系如图2所示。

图2

在图2中，1、2、3表示巷道线，D1，D2，D3，D5，D6，D7分别为巷道1、2、3的端点，其中D2，D5也是巷道1的伪点，表示巷道的交点。D4，D8，D9为巷道中的伪点，可表示巷道的变坡点和变形点等。图元根据巷道形状选择拱形或者是梯形，采集巷道实际尺寸与之相匹配，与此同时生成三维立体巷道模型，并能在三维立体图形上展示井巷参数信息。

1.4 中心线加载断面算法的实现

巷道三维建模算法为中心线加载断面算法，巷道断面沿着中心线移动，然后进行加厚处理生成三维巷道模型。矿井巷道形态多样，主要体现在巷道的物理位置关系上。把巷道抽象成一条线，即为巷道中线。由于导线点相连接时会形成一条折线，这样生成的三维立体图形会有弯曲现象。为了避免这种现象，利用现有的导线点的坐标、巷道宽度、左边距、高程校正量等数据，采用导线点逼近中心线的方法用巷道底板中线代替导线。

2 矿井通风系统三维模型的构建

矿井通风系统三维模型的构建主要包括三维巷道模型和通风设施模型的构建。在三维巷道模型的基础上，采集通风机和风门等参数数据，构建通风设施模型，生成完整的矿井通风系统三维模型及矿井资源数据库。①基于三维巷道模型，分析通风网络的拓扑结构，在煤矿工程平面图上采集通风机、风门等参数数据，建立与通风系统密切相关的风速、风流、风压、风阻等参数数据表。②二维平面图中布置的通风构筑物可基于巷道建模原理，采用巷道绘制类似的方法，利用四边形来构造实体模型，通过二三维一体化功能，同步到三维系统中，生成对应的三维模型。然后将矿井通风系统图抽象为有向网络图，为确定定位点之间的通风网络连通性，在进行通路判断时遍寻每一个定位点。风门模型：建模时将风门的三维空间位置、所处巷道、类型及开关状态等数据存储到风门属性表中。

总之，该通风系统三维模型的构建方法大大提高了建模效率，可更加真实地展示煤矿巷道信息及工作面状况，且巷道资源数据库提供了井巷模型的属性数据，可结合建立的资源数据库对矿井巷道信息进行添加、修改和删除等操作，为下一步研究通风网络解算和灾变模拟提供了优良的平台。