CN104809266B - 一种基于样条曲线的工作面煤层赋存情况精确预测方法 - Google Patents
一种基于样条曲线的工作面煤层赋存情况精确预测方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于样条曲线的工作面煤层赋存情况精确预测方法，它是以现场工程数据的收集为基础，结合相应的地测勘探数据，建立采煤工作面的三维地质信息数据库；基于三维地质信息数据库作出地质勘探剖面图；结合三维地质信息数据库、地质勘探剖面和顶底板等高线勘探数据，并运用SolidWorks软件的拉伸、切除、放样等功能模块建立工作面三维模型；在采煤工作面三维模型中建立预测剖切辅助面，并对采煤工作面三维模型进行剖切，并对剖切面进行煤层、断层地质数据精确测量及标注；根据预测剖面进行采煤工作面煤层断层等地质构造发育规律进行分析，用于指导实际生产，并对生产设计调整与灾害预防提供依据。
Description
技术领域
本发明属于地质测绘领域，尤其涉及工作面煤层赋存情况精确预测方法。
背景技术
近年来，三维地质建模已引起地质、采矿和岩土工程等领域的广泛关注。所谓三维地质建模，就是利用合适的勘探数据产生具有地质特征的数字模型。三维模型与传统二维数据图形相比能够更加直观、准确的表达各种地质现象。目前它正受到越来越多的专家学者甚至是一线生产、工作人员的重视，对煤矿生产设计具有现实意义。在三维地质建模方面国内外已有很多的研究和探索，国内外学者们提出了各种方法构建三维地质模型，对地质体三维建模进行了大量研究与探索，三维地质建模技术取得了突破性进展，取得了大量的研究成果。但是，根据理论分析和煤矿工作面生产实践的需要，目前面向具体某个采煤工作面三维地质建模方法，还存在以下几点关键问题需要解决：
(1)复杂地质构造的工作面建模方法的简便性；(2)整合各类勘探数据和生产中实测的数据进行建模，确保建立的三维地质模型的精确性；(3)实现工作面三维地质模型的后期修改，进行动态建模；(4)工作面复杂地质构造的预测工具的实用性；(5)满足科室及区队一线生产人员对建模及测量软件实用性的要求。
目前还没有一种方法能够同时解决以上几点关键问题。
发明内容
本发明达到用一种方法能够同时解决以上几点关键问题的目的，本发明提供一种基于样条曲线的工作面煤层赋存情况精确预测方法。
本发明的解决方案是：
一种基于样条曲线的工作面煤层赋存情况精确预测方法，包括如下步骤：
第一步，建立采煤工作面的三维地质信息数据库。
三维地质信息数据库包括：
(1)、采煤工作面回风平巷、运输平巷及开切眼的地测勘探三维数据；
(2)、采煤工作面回风平巷、运输平巷及开切眼开拓掘进时观测到的巷帮面上的煤层、夹矸的厚度、岩性及倾角；
(3)、顶板等高线勘探数据；
(4)、各导线点的三维坐标数据。
第二步，根据采煤工作面三维地质信息数据库的数据，作出若干地质勘探剖面CAD图、顶板等高线CAD图和巷道素描CAD图；
所述地质勘探剖面CAD图应包括：
(1)、回风平巷、运输平巷的位置三维坐标信息，其中水平方向的x、y坐标以文字说明形式标注在图中，而竖直方向则按z坐标真实数值以绘图比例画在图中；
(2)、煤层、夹矸的厚度、岩性及倾角，其中厚度、倾角情况用线条按真实数值以绘图比例画在图中，并用文字进行标注，岩性情况不需要进行图案填充，只需要用文字进行标注；3、各巷道内导线点的三维坐标信息，其中水平方向的x、y坐标以文字说明形式标注在图中，而竖直方向则按z坐标真实数值以绘图比例画在图中。
所述顶板等高线CAD图是删除地测科室提供的工作面采掘平面CAD图内除等高线、等高线高程标注文字及某一作为标记的导线点以外的所有线条及文字而得到的等高线CAD图。
所述巷道素描CAD图应包括：
(1)、回风平巷、运输平巷、开切眼巷道的位置三维坐标信息，其中水平方向的x、y坐标以文字说明形式标注在图中，而竖直方向则按z坐标真实数值以绘图比例画在图中；
(2)、煤层、夹矸的厚度和倾角以及夹矸的岩性，其中厚度、倾角情况用线条按真实数值以绘图比例画在图中，并用文字进行标注，岩性情况不需要进行图案填充，只需要用文字进行标注；
(3)、各巷道内导线点的三维坐标信息，其中水平方向的x、y坐标以文字说明形式标注在图中，而竖直方向则按z坐标真实数值以绘图比例画在图中。
第三步，根据上述若干地质勘探剖面图和顶板等高线图，运用SolidWorks软件的拉伸、切除、放样功能，建立采煤工作面三维模型。
所述采煤工作面三维模型应包括：
(1)、工作面回风平巷三维模型；
(2)、运输平巷三维模型；
(3)、开切眼三维模型；
(4)、巷道间煤层、夹矸层三维模型；所述巷道间煤层、夹矸层三维模型是基于回风平巷、运输平巷的巷中导线点连接成的样条曲线放样而得到的三维模型，并且对该三维模型赋予材质贴图。
建立上述工作面回风平巷三维模型、运输平巷三维模型、开切眼三维模型、巷道间煤层、夹矸层三维模型的具体步骤包括：
(1)在CAD绘图软件中将地测科室提供的工作面采掘平面图中除上述各巷道和导线点以外的线条及文字删除仅保留上述各巷道线条；
(2)确定坐标系，以系统O1(0,0,0)点为原点建立坐标系；
(3)在SolidWorks软件中打开上述处理好的各巷道线条图，选中各全部线条做成块并复制，再将复制的线条块粘贴到以系统O1(0,0,0)点为原点建立的水平基准面草图中，运用约束命令将某一导线点定位约束到系统O1点，同时约束各巷道的水平位置；
(4)在SolidWorks软件中运用拉伸命令以上述建立好的草图外轮廓为封闭图形沿竖直向下方向拉伸，拉伸深度大于各巷道的最大深度，得到一棱柱体；
(5)在SolidWorks软件中运用拉伸、放样命令以建立的三维棱柱体的侧面为基准面，将各巷道素描图沿每两个相邻导线点截取并做成块，再将各巷道素描图截取块复制到相应的基准面，利用软件的约束命令约束导线点的水平位置处于步骤(3)各巷道线条图中的相应导线点位置的正下方，从而确定了导线点的x、y坐标，然后利用标注约束命令来约束导线点的z坐标来定位巷道导线点的竖直位置，最后通过拉伸得到沿三维棱柱体外围的采煤工作面各巷道三维模型；
(6)运用SolidWorks软件的切除命令将棱柱体切除得到采煤工作面各巷道三维模型，切除方法不限；
(7)导线点与地质勘探预测剖面图的拟合。在建立的三维巷道模型中以对应于地质勘探预测剖面图中的两个导线点建立基准面，将地质勘探预测剖面图做成块复制粘贴到建立的基准面上，并进行位置约束，从而完成导线点与地质勘探预测剖面图的拟合；
(8)运用SolidWorks软件的3D草图绘制命令用样条曲线分别连接运输、回风平巷里导点得到两条样条曲线；
(9)基于样条曲线的巷道间煤层、断层等地质体三维放样建模。以开切眼内壁为基准面，运用SolidWorks软件的放样命令，以勘探预测剖面为轮廓，以样条曲线及顶板等高线为引导线进行放样建模，得到工作面煤层及夹矸层的三维地质体模型；
(10)对采煤工作面进行地质信息标注及添加材质，最终得到采煤工作面三维地质模型。
第四步，在采煤工作面三维模型中建立预测剖切辅助面，依据辅助面对采煤工作面三维模型进行剖切，并对剖切面进行煤层、断层地质数据精确测量及标注；
在确定预测剖切辅助面位置时，取位于实际生产工作面前方未采区域的预测点处的位置；
上述的预测剖切辅助面也可以前后移动，进行不定点任意角度的剖切。
第五步，根据预测剖面的上述标注数据，进行采煤工作面煤层、断层等地质构造发育规律的分析，用于指导实际生产。
该方法以采煤工作面运输、回风、开切眼巷道开拓勘探实测数据、钻孔、顶板等高线勘探数据为基础，结合可靠的地质勘探剖面，运用简单易用的SolidWorks建模软件，采用基于导线点的样条曲线插值方法对采煤工作面地质体进行放样三维建模，一方面使得煤层等地质体的三维模型更接近于自然形态，提高了地质体建模的精确度，另一方面，运用简单易学的SolidWorks软件对采煤工作面地质体的建模，可以实现在采煤工作面地质体任意位置、任意方面的剖切与精确测量，结合实际生产中监测数据对模型进一步修正，实现动态建模，不仅能够满足科研学者的研究需求，还可以使得采煤工作面人员能够更加直观、准确的了解工作面煤层、断层等地质构造的赋存情况，指导实际生产，并对生产设计调整与灾害预防提供依据。
附图说明
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步说明：
图1-1、1-2为基于样条曲线的巷道间煤层、断层等地质体三维放样建模原理对比示意图。
图2为本发明一种实施方式的流程示意图。
图3-1为采煤工作面某一地质勘探剖面CAD图。
图3-2为采煤工作面顶板等高线CAD图。
图3-3为采煤工作面开切眼巷道素描CAD图。
图4为采煤工作面三维模型的坐标系统示意图。
图5为采煤工作面各巷道三维模型示意图。
图6为基于导线点的样条曲线绘制示意图。
图7为建立的采煤工作面三维地质模型图。
图8为采煤工作面预测剖切示意图。
图9为采煤工作面预测剖切测量标定示意图。
具体实施方式
下面将结合某矿工作面实例对本发明实施作进一步地详细描述。
根据附图1-1首先说明实施例的建模原理：
如图1-1所示，基于样条曲线的煤层、断层等地质体三维放样建模时，样条曲线Ⅰ由导线点a、b、c、d连接绘制而成，样条曲线Ⅱ由导线点e、f、g、h连接绘制而成，运用放样命令，以勘探预测剖面1、2、3、4为轮廓，以样条曲线Ⅰ、Ⅱ为引导线,并结合顶板等高线Ⅲ进行放样建模，即可产生煤层三维模型M和断层F。图1-2是运用简单拉伸命令生产的煤层和断层三维模型。图1-1与图1-2相比，基于样条曲线地质体三维放样建立的煤层、断层等地质体赋存状态更接近自然形态，从而提高了地质预测的准确性。
本发明的基于样条曲线的工作面煤层赋存情况精确预测方法，其较佳的具体实施方式，流程如图2所示，包括以下步骤：
第一步，建立采煤工作面的三维地质信息数据库
三维地质信息数据库包括：1、采煤工作面回风平巷、运输平巷及开切眼的地测勘探三维数据，结合某矿情况，三维数据如表一所示；2、采煤工作面回风平巷、运输平巷及开切眼开拓掘进时观测到的巷帮面上的煤层、夹矸的厚度、岩性及倾角；3、顶板等高线勘探数据；4、各导线点的三维坐标数据；
第二步，根据采煤工作面三维地质信息数据库的数据，作出若干地质勘探剖面CAD图、顶板等高线CAD图和巷道素描CAD图，如图3-1、3-2、3-3所示；
所述地质勘探剖面CAD图应包括：1、回风平巷、运输平巷的位置三维坐标信息，其中水平方向的x、y坐标以文字说明形式标注在图中，而竖直方向则按z坐标真实数值以绘图比例画在图中；2、煤层、夹矸的厚度和倾角以及夹矸的岩性，其中厚度、倾角情况用线条按真实数值以绘图比例画在图中，并用文字进行标注，岩性情况不需要进行图案填充，只需要用文字进行标注；3、各巷道内导线点的三维坐标信息，其中水平方向的x、y坐标以文字说明形式标注在图中，而竖直方向则按z坐标真实数值以绘图比例画在图中。
所述顶板等高线CAD图是删除地测科室提供的工作面采掘平面CAD图内除等高线、等高线高程标注文字及某一作为标记的导线点以外的所有线条及文字而得到的等高线CAD图。
所述巷道素描CAD图应包括：1、回风平巷、运输平巷、开切眼巷道的位置三维坐标信息，其中水平方向的x、y坐标以文字说明形式标注在图中，而竖直方向则按z坐标真实数值以绘图比例画在图中；2、煤层、夹矸的厚度和倾角以及夹矸的岩性，其中厚度、倾角情况用线条按真实数值以绘图比例画在图中，并用文字进行标注，岩性情况不需要进行图案填充，只需要用文字进行标注；3、各巷道内导线点的三维坐标信息，其中水平方向的x、y坐标以文字说明形式标注在图中，而竖直方向则按z坐标真实数值以绘图比例画在图中。
第三步，根据上述若干地质勘探剖面图和顶板等高线勘探数据，运用SolidWorks软件的拉伸、切除、放样功能，建立采煤工作面三维模型；
采煤工作面三维模型包括：1、工作面回风平巷三维模型；2、运输平巷三维模型；3、开切眼三维模型；4、巷道间煤层、夹矸层三维模型；该三维模型是基于回风平巷、运输平巷的巷中导线点连接成的样条曲线放样而得到的三维模型，并且对该三维模型赋予材质贴图；
结合某矿情况，建立上述工作面回风平巷三维模型、运输平巷三维模型、开切眼三维模型、巷道间煤层、夹矸层三维模型的具体步骤应包括：
(1)在CAD绘图软件中将地测科室提供的工作面采掘平面图中除上述各巷道和导线点以外的线条及文字删除，仅保留上述各巷道线条；
(2)确定坐标系，如图4所示，以系统O1(0,0,0)点为原点建立坐标系，将导线点O2定位到点(0,0,-730.31)，相对坐标为(3872235.12,39511012.71,0)；
(3)在SolidWorks软件中打开上述处理好的各巷道线条图，选中各全部线条做成块并复制，再将复制的线条块粘贴到以系统O1(0,0,0)点为原点建立的水平基准面草图中，运用约束命令将某一导线点定位约束到系统O1点，同时约束各巷道的水平位置；
(4)在SolidWorks软件中运用拉伸命令以上述建立好的草图外轮廓为封闭图形沿竖直向下方向拉伸，拉伸深度大于各巷道的最大深度，得到一棱柱体；
(5)在SolidWorks软件中运用拉伸、放样命令以建立的三维棱柱体的侧面为基准面，将各巷道素描图沿每两个相邻导线点截取并做成块，再将各巷道素描图截取块复制到相应的基准面，利用软件的约束命令约束导线点的水平位置处于步骤(3)各巷道线条图中的相应导线点位置的正下方，从而确定了导线点的x、y坐标，然后利用标注约束命令来约束导线点的z坐标来定位巷道导线点的竖直位置，最后通过拉伸得到沿三维棱柱体外围的采煤工作面各巷道三维模型。
(6)如图5所示，运用SolidWorks软件的切除命令将棱柱体切除得到采煤工作面各巷道三维模型，切除方法不限。
(7)导线点与地质勘探预测剖面图的拟合，如图6所示。在建立的三维巷道模型中以对应于地质勘探预测剖面图中的两个导线点建立基准面，将地质勘探预测剖面图做成块复制粘贴到建立的基准面上，并进行位置约束，从而完成导线点与地质勘探预测剖面图的拟合。
(8)如图6所示，运用SolidWorks软件的3D草图绘制命令用样条曲线分别连接运输、回风平巷里导点得到两条样条曲线7c、7d。
(9)基于样条曲线的巷道间煤层、断层等地质体三维放样建模。以开切眼内壁为基准面，运用SolidWorks软件的放样命令，以勘探预测剖面为轮廓，以样条曲线及顶板等高线为引导线进行放样建模，得到工作面煤层及夹矸层的三维地质体模型；
(10)如图7所示，对采煤工作面进行地质信息标注及添加材质，最终得到采煤工作面三维地质模型。
第四步，如图8所示，在采煤工作面三维模型中建立预测剖切辅助面9a，依据辅助面9a对该采煤工作面三维模型进行剖切，并对剖切面9a进行煤层、断层地质数据精确测量及标注；建立预测剖切辅助面9a时，取位于实际生产工作面前方未采区域的预计点处的位置；
上述的预测剖切辅助面9a也可以前后移动，进行不定点任意角度的剖切。
第五步，如图9所示，根据预测剖面9a的上述标注数据，进行采煤工作面煤层、断层等地质构造发育规律的分析，用于指导实际生产。
表一
Claims (1)
1.一种基于样条曲线的工作面煤层赋存情况精确预测方法，其特征在于，包括如下步骤：
第一步，建立采煤工作面的三维地质信息数据库
三维地质信息数据库包括：
(1)、采煤工作面回风平巷、运输平巷及开切眼的地测勘探三维数据；
(2)、采煤工作面回风平巷、运输平巷及开切眼开拓掘进时观测到的巷帮面上的煤层、夹矸的厚度、岩性及倾角；
(3)、顶板等高线勘探数据；
(4)、各导线点的三维坐标数据；
第二步，根据采煤工作面三维地质信息数据库的数据，作出多个地质勘探剖面CAD图、顶板等高线CAD图和巷道素描CAD图；
所述地质勘探剖面CAD图应包括：
(1)、回风平巷、运输平巷的位置三维坐标信息，其中水平方向的x、y坐标以文字说明形式标注在图中，而竖直方向则按z坐标真实数值以绘图比例画在图中；
(2)、煤层、夹矸的厚度、岩性及倾角，其中厚度、倾角情况用线条按真实数值以绘图比例画在图中，并用文字进行标注，岩性情况不需要进行图案填充，只需要用文字进行标注；
(3)、各巷道内导线点的三维坐标信息，其中水平方向的x、y坐标以文字说明形式标注在图中，而竖直方向则按z坐标真实数值以绘图比例画在图中；
所述顶板等高线CAD图是删除地测科室提供的工作面采掘平面CAD图内除等高线、等高线高程标注文字及某一作为标记的导线点以外的所有线条及文字而得到的等高线CAD图；
所述巷道素描CAD图应包括：
(1)、回风平巷、运输平巷、开切眼巷道的位置三维坐标信息，其中水平方向的x、y坐标以文字说明形式标注在图中，而竖直方向则按z坐标真实数值以绘图比例画在图中；
(2)、煤层、夹矸的厚度和倾角以及夹矸的岩性，其中厚度、倾角情况用线条按真实数值以绘图比例画在图中，并用文字进行标注，岩性情况不需要进行图案填充，只需要用文字进行标注；
(3)、各巷道内导线点的三维坐标信息，其中水平方向的x、y坐标以文字说明形式标注在图中，而竖直方向则按z坐标真实数值以绘图比例画在图中；
第三步，根据上述多个地质勘探剖面CAD图和顶板等高线CAD图，运用SolidWorks软件的拉伸、切除和放样功能，建立采煤工作面三维模型；
所述采煤工作面三维模型应包括：
(1)、工作面回风平巷三维模型；
(2)、运输平巷三维模型；
(3)、开切眼三维模型；
(4)、巷道间煤层、夹矸层三维模型；所述巷道间煤层、夹矸层三维模型是基于回风平巷、运输平巷的巷中导线点连接成的样条曲线放样而得到的三维模型，并且对该三维模型赋予材质贴图；
建立上述工作面回风平巷三维模型、运输平巷三维模型、开切眼三维模型、巷道间煤层、夹矸层三维模型的具体步骤包括：
(1)在CAD绘图软件中将地测科室提供的工作面采掘平面图中除上述各巷道和导线点以外的线条及文字删除仅保留上述各巷道线条；
(2)确定坐标系，以系统O1(0,0,0)点为原点建立坐标系；
(3)在SolidWorks软件中打开上述处理好的各巷道线条，选中各全部线条做成块并复制，再将复制的线条块粘贴到以系统O1(0,0,0)点为原点建立的水平基准面草图中，运用约束命令将某一导线点定位约束到系统O1点，同时约束各巷道的水平位置；
(4)在SolidWorks软件中运用拉伸命令以上述建立好的草图外轮廓为封闭图形沿竖直向下方向拉伸，拉伸深度大于各巷道的最大深度，得到一棱柱体；
(5)在SolidWorks软件中运用拉伸、放样命令以建立的三维棱柱体的侧面为基准面，将各巷道素描图沿每两个相邻导线点截取并做成块，再将各巷道素描图截取块复制到相应的基准面，利用软件的约束命令约束导线点的水平位置处于第三步步骤(3)各巷道线条中的相应导线点位置的正下方，从而确定了导线点的x、y坐标，然后利用标注约束命令来约束导线点的z坐标来定位巷道导线点的竖直位置，最后通过拉伸得到沿三维棱柱体外围的采煤工作面各巷道三维模型；
(6)运用SolidWorks软件的切除命令将棱柱体切除得到采煤工作面各巷道三维模型，切除方法不限；
(7)导线点与地质勘探预测剖面图的拟合； 在建立的三维巷道模型中以对应于地质勘探预测剖面图中的两个导线点建立基准面，将地质勘探预测剖面图做成块复制粘贴到建立的基准面上，并进行位置约束，从而完成导线点与地质勘探预测剖面图的拟合；
(8)运用SolidWorks软件的3D草图绘制命令用样条曲线分别连接运输、回风平巷里导点得到两条样条曲线；
(9)基于样条曲线的巷道间煤层、断层等地质体三维放样建模；以开切眼内壁为基准面，运用SolidWorks软件的放样命令，以勘探预测剖面为轮廓，以样条曲线及顶板等高线为引导线进行放样建模，得到工作面煤层及夹矸层的三维地质体模型；
(10)对采煤工作面进行地质信息标注及添加材质，最终得到采煤工作面三维地质模型；
第四步，在采煤工作面三维模型中建立预测剖切辅助面，依据辅助面对采煤工作面三维模型进行剖切，并对剖切面进行煤层、断层地质数据精确测量及标注；
在确定预测剖切辅助面位置时，取位于实际生产工作面前方未采区域的预测点处的位置；
上述的预测剖切辅助面也可以前后移动，进行不定点任意角度的剖切；
第五步，根据预测剖面的上述标注数据，进行采煤工作面煤层和断层地质构造发育规律的分析，用于指导实际生产。
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| CN102759755A (zh) * | 2011-04-29 | 2012-10-31 | 黄桂芝 | 采用旋转tin网和非剖面法直接制作平、立面图的地质勘查方法 |
| CN104008570A (zh) * | 2014-05-09 | 2014-08-27 | 中国地质大学（北京） | 一种矿山的双三维建模方法 |
-
2015
- 2015-02-11 CN CN201510072380.4A patent/CN104809266B/zh active Active
Patent Citations (4)
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
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| CN104809266A (zh) | 2015-07-29 |
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