摘要：地下巷道作为采矿工程的重要组成要素，在煤矿开采中发挥着重要的作用，基于虚拟技术的三维巷道模型可为采矿工程安全施工提供直观的数据依据和决策支持，本文将借助 AutoCAD、Surpac 软件 , 以五阳煤矿巷道数据资料为依据，对采矿工程三维巷道建模的思路及过程进行细致分析，并实现五阳煤矿三维巷道实体模型的构建，为采矿工程设计与生产管理打下良好的基础。
关键词：三维 巷道 建模
三维建模是实现矿山数字化与信息化的关键，其中三维巷道建模是以矿山实际数据为依据，利用相关制图软件来构建三维实体巷道模型，相较于二维模型，三维实体模型更加直观形象，解决了反馈速度慢、线路查看复杂的问题，实现了井下巷道及其空间关系的立体描述。巷道三维建模的研究对于工程设计与井下安全生产具有十分重要的意义。
1、三维巷道建模的思路及过程
1.1、巷道建模的数据源
巷道的空间区域相对较小，其是由长、宽、高组成的一个体域，高度与宽度都有一定的限制，而长度会随着巷道的开掘而加长。在井下每一条巷道都布置有导线点，这些导线点就是建立三维巷道模型的基础数据，巷道内导线点的坐标为三维坐标，假设将巷道看作一条线，那么如何将导线点逼近到这条线上就成为了一道难题。事实上仅用导线点来描述巷道是不合理的，巷道是一个由多个单一巷道所组成的复杂多面巷道体，不同用途的巷道其断面的形状、宽度、高度也会不同，而巷道的断面形式又决定着巷道的空间形态，所以说巷道的断面数据也是构建三维巷道模型的数据源之一[1]。
1.2、巷道中线构建
如果将巷道看作是一条线，这条线就是巷道中线。由于巷道的空间区域相对较小，一些测量仪器很难在井下进行配置，于是井下测量以导线测量为主，巷道内的导线点并不能直接作为巷道中线来使用，需要利用巷道中线逼近的方法对其进行处理，将导线点换算为巷道中线点，然后将这些点连接起来就成为了巷道中线，将所有的巷道中线连接起来就构成了整个巷道的网络拓扑结构。
1.3、巷道断面构建
巷道断面作为三维巷道模型的数据源之一，其可分为矩形、半圆形、圆弧拱、直壁拱等多种形状，其中直壁拱形断面采用半径 r、高度 h、地面宽度 w三个参数进行描述，以 ZOY 为参考面，将拱形圆弧部分细化成 n 段，n 越大，巷道拱顶的曲线部分就越逼真，细化点以1,2,3，，n+2以此排列[2]（图1）。
图 1 直壁拱形巷道断面
2、采矿工程三维巷道模型的构建与实现
2.1、工程概况
五阳矿区位于海河流域漳河水系，面积约为78.3649km2，主采煤层为 3#、15# 煤层，年生产量在 200 万 t 以上。矿区断裂构造较发育，井田多为黄土覆盖，地质构造以奥陶系、石炭系、二叠系和第四系地层为主，形成了低级、低序次的构造，地层总体倾向南西，倾角为 10?，地下 3# 煤层附近呈带状分布，且存在陷落柱。
7605 工作面位于襄垣国营农场以南，7605 切眼开口位置距 7605 运输巷停掘位置 55m，与 7605运输巷成 91? 夹角。7605 切眼开口后平掘见底，见底后沿底板掘进至距 7603 运输巷 25m 时走 15? 上坡腰线与 7603 运输巷贯通。工作面坡度为 ，不存在断层和陷落柱，运输巷和回风巷沿煤层走向布置，两巷有波状起伏，局部地段凹陷；巷道掘进过程中砂岩含水层中的水会经有效裂缝渗入到工作面，巷道的正常涌水量为 0.2，最大时可达到 1 。巷道围岩的完整性较差，岩体强度较弱，岩石的均质性程度很差。局部巷道分布图见图 2。
图 2 五阳煤矿某开采中段局部巷道分布图
借助 Auto CAD、Surpac 软件进行建模，五阳煤矿主采煤层为 3#、15# 煤层两个煤层，各煤层又分为高度不同的 5 个中段，各中段水平巷道的三维模型根据平面图来建立，一些斜坡道、提升井等其他类型的巷道根据巷道中线及巷道断面数据来构建三维巷道模型[3]。
2.2、三维实体巷道模型的实现
首先用 Auto CAD 软件绘制出井下巷道的二维图来，根据各中段的标高及巷道数量进行巷道断面的划分，表 1 为某中段巷道断面尺寸情况。
表 1 某中段巷道断面尺寸
借助 Auto CAD 软件对不同中段井下巷道内的导线点采用巷道中线逼近的方法进行处理，将导线点换算成巷道中线点，将换算得到的巷道中线点连接起来得到巷道中线，将巷道中线组合在一起得到该中段井下巷道的网络拓扑结构，图 3 为某中段井下巷道的网络拓扑结构图，从图中可看出网络拓扑结构的节点处巷道的延伸方向较模糊，为此利用Auto CAD 对其进行处理，用节点、结点、巷道线来描述网络拓扑结构，图 4 为经过处理的网络拓扑结构，图中 A、B、C、D 等表示结点或节点，1、2、3、4 表示巷道线，由此网络拓扑结构中各节点处巷道的延伸方向得以明确。将得到的巷道网络拓扑结构与巷道断面保存为 dxf 格式的文件[4]，至此，巷道网络拓扑结构和巷道断面的Auto CAD处理完成。
图 3 某中段局部巷道网络拓扑结构
将 dxf 格式的文件导入到 Surpac 软件中，并保存为 str 格式的文件，利用 Surpac 软件中的坐标转换功能将巷道中线的局部坐标转换为符合实际标准的世界坐标[5]，由得到的巷道中线与断面组成巷道实体，将不同类型的巷道实体保存为 dtm 格式文件，将各个 dtm 格式文件组合起来，构建出整个巷道的三维实体模型，并在软件中展现巷道实体模型与岩体模型的空间位置关系（图 5）。
图 4 某中段巷道网络示意图
图 5 三维巷道模型与岩体模型的空间位置关系
3、结语
开采工程三维巷道模型的构建利用了 AutoCAD、Surpac 软件进行建模，对于不同地质情况、不同煤层的巷道，其三维模型的构造也会不同，在实际建模过程中，应结合实际情况，选择合适的方法来构建巷道的三维模型，以便为煤矿开采、工程设计施工提供更直观、形象的参考依据，提高巷道管理工作的效率，保障井下巷道内开采作业的安全性。
【参考文献】
［1］ 荆永滨 . 基于三维模型的采矿工程可视化教学研究 [J]. 中国电力教育 ,2014,(8):138-139,159.
［2］ 高永刚 . 基于 AutoCAD 的 FLAC3D 模型快速建模方法研究 [D]. 西安科技大学 ,2012.
［3］ 侯建光 , 朱月霞 , 宋震等 . 矿山巷道三维建模数据组织与算法研究 [J]. 国土资源信息化 ,2014,(5):29-33,28.
［4］ 张志华 , 侯恩科 , 罗晓霞等 . 一种新的三维巷道建模数据模型研究 [J]. 金属矿山 ,2011,(11):128-131,137.
［5］ 李凯 . 三维巷道建模方法研究与实现 [D]. 中南大学 ,2012.