矿井灾害的地质及巷道集成三维模型研究

孙淑华，汪秋菊，司海燕，赵建民

（黑龙江工程学院，黑龙江 哈尔滨150050）

煤矿井工开采存在水、火、瓦斯、矿尘、冒顶五大严重灾害，这些事故中大多与地质构造有关，如瓦斯事故与煤系地层、复杂多变的地质构造（褶皱、断裂），以及复杂的巷道通风系统紧密相关。传统的矿井模型大多基于地质和巷道独立建模，这种方式不利于事故原因的综合分析与预测预警，而建立较为精确的三维地质模型和三维巷道模型的集成模型即三维井巷系统模型，并结合三维可视化技术，为救援决策提供可视化的决策技术支持，这在矿井的事故处理中具有重要的作用。在此基础上利用基于三维空间的启发式搜索A＊算法智能决策逃生和抢险最优路线。因此，建立三维可视化的地质模型和巷道集成模型系统，有利于对矿井灾害进行准确预测和针对事故制定合理的救援方案。

1 三维地质模型

矿井地质构造是影响煤炭生产和安全最重要的地质条件[1]。在褶皱构造的同一褶曲中，由于褶曲转折端的向斜轴部的残存应力比背斜轴部大，导致应力集中引发煤（岩）与瓦斯突出；断层构造中断层破碎带是瓦斯的良好通道，常于此聚集更多的瓦斯，当掘进工作面通过断层时，易于发生瓦斯灾害。因此，建立复杂地质体的三维地质模型并进行三维可视化的展示，对瓦斯灾害的预测及定位事故发生点具有重要的指导意义。

三维地质建模作为瓦斯灾害救援系统的底层支撑部分，它要求模型尽可能准确。在数据体方面涉及多源数据的整合、地层离散数据插值拟合、复杂地质体模型及模型实时动态修正等关键技术。

1.1 地质建模关键技术

1）多源数据的整合。由于地质体数据的不确定性和难于精确获取，系统可结合多种数据源进行三维模型的构建。数据包括钻孔数据、三维地震解析数据、顶底板等高线数据，需要对这些数据进行综合运用及有效融合以使地质模型尽可能精确构建。

2）地层数据插值。空间插值分为几何方法、统计方法、空间统计方法、函数方法和随机模拟法等，其中空间统计方法以空间统计学作为坚实的理论基础，可以克服内插中误差难以分析的问题，空间统计方法以Kriging为代表。本系统拟采用Kriging，在各地层中以底板已知DEM数据通过Kriging方法内插顶板的DEM表面数值。

3）复杂地质体模型。三维地质模型由于地层空间分布的不连续性、复杂性及不确定性，如何准确表达数字化地质体是建模的关键技术。地质模型构建方法主要有单一3D构模、混合3D构模和集成3D构模3种模式。混合建模法采用两种或两种以上的表面或体元模型，同时对同一3D空间对象进行几何描述和3D建模[2]。系统采用混合3D构模，即运用TIN与TEN进行模型构建，从而兼顾了TIN模型的简单和TEN模型的拓扑关系有效表达的各自优点。利用R2Delauny和R3Delauny可以完成TIN和TEN的有效剖分。

复杂地质构造三维建模即断层、褶皱地质模型构建。

断层作为最常见的地质构造现象，它破坏了地层的连续性，改变了地层数据的原始分布格局。其难点在于断层建模数据获取的困难性以及断层空间形态的复杂性。目前处理断层的方法有：切割－位移法、断层两侧地层局部法、平面拟合断层面等方法。图1所示为三维地质模型中的断层。

1.2 三维多层地质模型步骤

表面模型可以反映三维地质中地层结构分布情况。表面构模技术是基于表面模型，采用实际采样点构造TIN，来反映三维地层结构分布情况的一种技术。TIN方法则是将无重复点的散乱数据点集按某种规则（如Delaunay规则）进行三角剖分，使这些散乱点形成连续但不重叠的不规则三角面片网，并以此来描述3D物体的表面[2]。这种方法的建模过程主要包括以下几个方面：

1）确定地层的划分。依据钻孔资料或对钻孔遇到的岩层分解点进行综合分析，相同的岩性并且垂直方向位置相似的看作同一层[1]。此外，更为直接的方法是从已有的二维平面图直接获取地层的分布信息。

2）不规则三角网（TIN）的建立，根据Delaunay的 “圆规则”和形状最优规则，对每个地层的离散数据进行三角化，并搜索出层的边界（凸包）。离散数据主要包括钻孔的三维点，当数据点不足，可以从CAD平面图上采集其他等值线上的关键点给予补充。如图1（a）所示，地层TIN模型，利用断层两侧地层局部法构建断层。

3）地层间轮廓线边界重构，由2）中构建的每个地层的Delaunay三角网的边界，进行层间轮廓线的三维形体重构。采用最短对角线算法实现层间边界轮廓线的三角形化[3]，结果如图1（b）所示，图1（c）是三维地质可视化的效果图。

图1 三维地质模型

2 三维巷道模型

矿井模型在整个系统中占有重要的地位，它是后续的瓦斯灾害救援决策的信息载体。对巷道的模型构建，需要满足能直接体现各个巷道所处地层和地质构造的情况。此外，巷道的一些关键附属设施如局扇、主扇、风门、断电器、压风机也必须给以可视表达，它们在救灾处理事故中也起着致关重要的作用。此外，在三维空间系统中必须针对巷道系统建立完善的拓扑空间关系，为三维空间分析提供基础并为井下实施有效的安全救援提供重要的技术保障。

2.1 三维几何模型

在巷道的三维建模过程中，将巷道体分解为点、弧段、巷道断面、局部巷道4个组成部分。局部巷道则由巷道中心线弧段和巷道断面来表达。巷道断面是巷道三维建模中的重要参数，主要有梯形和直壁拱形等形态[4]。巷道及断面如图2所示，断面的基本形状可由拱形半径R、宽度W 及高度H3个参数来控制，在此基础上结合巷道的掘进方向及长度即可构建三维模型。由基本参数生成巷道的各个面，面再剖分成三角形格网，以实现三维可视化的展示，如图2（d）所示。但为便于后续空间分析的路线搜索还需存储巷道中心线，它是构建巷道网络的拓扑关系及空间分析的关键。此外，每个局部巷道中心线是处理巷道网络中交点的关键。在巷道网络内部多条巷道相交时必须在相交处断开，以保证在三维系统中巷道的连通性和真实表达巷道内部的空间形态，同时也利于实现巷道的漫游功能。

图2 巷道及断面

巷道交叉处（节点）三维建模和算法实现，图3所示为巷道交叉节点，图3（a）为平面投影，虚线为巷道中心线。局部巷道的中心线可由基本参数得出，巷道AD、BE、CF交与点O，根据每条巷道中心线分别向两侧作平行线，对这些平行线相对于点O按顺（逆）时针排序，依序两两求交，即可分别求出交点g至l，这样，各个局部巷道则在相交处附近断开，然后再根据巷道的掘进方向计算Z值，则完成三维模型的构建，如图3（b）所示。

2.2 集成模型的三维空间拓扑关系

巷道拓扑关系主要反映巷道网络中各局部巷道与网络节点（多条巷道的交汇点）的关联以及巷道与三维地质地层岩性的关系。节点弧是巷道交点处理后形成的，如图3（a）所示，其中Power表示此段分割弧的权值，供路径搜索使用。图4（b）表达了1条独立巷道BE（见图2）在网络节点O断开后的分段情况，以及此巷道与地质地层岩性的拓扑关系。图中BE巷道被网络节点O分割成BO和OE段，BE整个巷道穿越3个地层（岩性），BG、GH、HE分别对应地质体的3种岩性。为获取各独立巷道所穿越地层，需要将巷道模型与地质模型进行三维求交，以判定各独立巷道穿越哪些地层，并按层位进行巷道的再一次分割，每个分割体配置其所属的地层纹理，以可视表达其与地质构造的关系。网络节点有效地表达了巷道被分割后的起点和终点这样一条有向图，在决策救援路线中起着关键性的作用。

图3 巷道交叉节点的处理

3 A＊救援决策路线搜索

基于以上的三维地质模型及巷道模型，并结合三维可视化技术，辅助定位矿井瓦斯事故发生地点，并根据巷道网络模型确立幸存人员的撤离路线及井上救护队如何快速到达井下事故现场的最优救护路线。

为实现上述功能，利用巷道网络节点弧的数据结构，如图4所示，结合A＊启发搜索算法，对救援线路进行最优选择。A＊算法中评估函数f＊（n）＝g＊（n）＋h＊（n），f＊（n）表示实际最小搜索费用，g＊（n）为起点到当前点的实际最小费用，h＊（n）为n到目标点的实际最小费用估计。

图4 巷道拓扑关系

h＊（nj）＝α（ni，nj）＋γ｛Distance（Source，Destination）Distance（ni，nj）｝，其中，ni是当前结点，nj是当前结点的后继子结点之一。α（ni，nj）表示（ni，nj）与起始结点和目标结点之间的夹角。Distance（ni，nj）为ni与nj的距离，Distance（Source，Destination）为起始结点与目标结点之间的距离，γ为加权系数[5]。其实现过程如下：

1）建立Open和Close两个线性表，把起点加入Open表。

2）新展开节点若已在Close表中存在，则比较其大小，选取最小的替代原先的节点。

3）按h＊（nj）的启发信息选取新展开的节点并加入Open表。

4）按f＊（n）＝g＊（n）＋h＊（n）公式计算综合代价值，选取最小费用值并加入Close表。

5）转到1）直至目标点。

4 结 论

1）针对矿井地质灾害事故的应急处理，建立一个集三维地质模型和三维巷道模型系统平台并应用三维可视化技术，为事故决策处理提供了有力的技术支持。

2）三维地质模型通过对多源数据的整合，进行复杂地质构造断层的模型构造，但对褶皱、陷落柱、地层倒转的地质现象未涉及，需在今后的工作中进行研究。

3）三维巷道模型解决了巷道与地层岩性、网络节点分割技术的拓扑构建技术，使之更为有效地实现空间分析。

4）在救援处理中，利用A＊启发搜索算法，结合节点弧的数据结构实现了三维空间的最优路径搜索。

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