一种综采工作面煤层精细化三维模型的构建方法与流程

本发明涉及一种综采工作面煤层精细化三维模型的构建方法，属于煤矿无人化开采技术领域。

背景技术：

煤矿无人化开采是国际煤炭开采领域共同追求的前沿技术，是减少人员伤亡、保障安全生产的重要手段也是我国煤矿实现安全、高效、绿色开采的有效途径。目前，制约煤矿井下无人化开采的主要技术瓶颈是煤岩界面识别，从上世纪六十年代，世界主要产煤国(英国、美国、澳大利亚、中国、前苏联等)先后提出了γ射线法、放射性同位素法、雷达探测法、应力截齿分析法、红外热成像法、超声波法、高压水射流法、多传感器融合法等二十多种不同的煤岩识别方法，然而由于煤岩界面的复杂性以及综采工作面恶劣环境等原因使得现有煤岩识别技术均未在综放工作面获得应用。

目前，在地质条件相对简单的综采工作面可以采用记忆截割和人工远程干预相结合方式来调整采煤机滚筒高度，实现自动化割煤，但我国大部分综采工作面的地质条件非常复杂(如煤层起伏变化大，存在断层、褶皱等危险地质构造)，导致基于记忆截割的采煤机自动调高控制方法类似于“盲人摸象”，仅记忆了上一刀割煤轨迹，而下一刀煤层信息未知，不能适应煤层结构复杂的综采工作面。因此，迫切需要研究可为采煤机提供准确煤层信息的煤层精细化三维建模方法，实现采煤机与煤层三维模型的交互感知，是综采工作面无人化开采的关键技术。

技术实现要素：

技术问题：本发明的目的是要克服现有技术中的不足之处，提供一种能适应煤层结构复杂的综采工作面、快速获得高精度的煤层信息、为综采工作面无人化开采提供精确的煤层数据的综采工作面煤层精细化三维模型的构建方法。

技术方案：为了实现上述目的，本发明的综采工作面煤层精细化三维模型的构建方法，综合利用煤层震波探测数据、巷道激光扫描数据、井下钻孔取样数据和煤矿建井数据，构建综采工作面煤层精细化三维模型，具体步骤包括：

(1)获取待开采的综采工作面地质数据，并对综采工作面地质数据进行优化处理；所述地质数据包括：煤层震波探测数据、巷道激光扫描数据、井下钻孔取样数据、煤矿建井数据，煤矿建井数据包括底板等高线数据和断层/褶皱数据；

(2)构建综采工作面的煤层精细化三角网、断层/褶皱精细化三角网和回采巷道精细化三角网；

(3)计算构建的煤层三角网、断层/褶皱三角网和巷道三角网之间的拓扑关系，利用网格索引法依次将断层/褶皱、巷道三角网嵌入到煤层三角网中，使断层/褶皱三角网和巷道三角网成为煤层三角网中一个局部约束区域，并对局部约束区域采用约束多边形嵌入算法进行优化和改进，实现煤层精细化三角网、断层/褶皱精细化三角网和回采巷道精细化三角网之间的无缝融合；

(4)校验融合后的煤层、断层/褶皱和回采巷道的精细化三角网，对不满足融合精度的重新进行三角网构建，满足融合精度的，继续对三角网进行平滑过渡处理，完成综采工作面煤层精细化三维模型的构建。

所述步骤1中的优化处理的包括：采用弦高差方法去除噪声点、均值滤波方法进行平滑滤波、三次样条插值进行数据修补。

所述步骤2中的构建煤层精细化三角网的步骤包括：

①先读取煤层震波探测数据，根据探测的煤层边界约束信息再结合底板高线数据，利用规则格网和不规则三角网相结合的方法实现煤层顶底板的三角网格划分；

②引入规则虚拟钻孔数据对煤层顶底板空间的三角网节点按空间统计分析法和克里金法进行插值，对未被三角化的区域重复利用克里金法进行三角化插值；

③嵌入三角网模板上的顶点和三角边，构建出综采工作面煤层精细化三角网。

所述步骤2中的构建断层/褶皱精细化三角网的步骤包括：

①先读取断层/褶皱数据、煤层震波探测数据、井下钻孔取样数据和底板高线数据，再按顺序从底板等高线图上取得断层/褶皱上盘交面线和下盘交面线，并投影到三角网格模板上；

②把断层/褶皱与地层的上盘交面线和下盘交面线作为约束条件嵌入到三角网格模板中，经约束三角剖分算法形成不带高程信息的含部分断层/褶皱面的煤层面三角网；

③以煤层面三角网边界线和断层/褶皱线为边界，对煤层进行分区；

④对煤层/褶皱面三角网每个分区上的顶点按一定规则和算法进行高程插值；

⑤对断层/褶皱面上未三角化的区域按克里金法进行三角化，再嵌入三角网模板上的顶点和三角边，进一步细化断层/褶皱面三角网，对断层/褶皱面三角网内部的顶点进行高程插值，构建出综采工作面断层/褶皱精细化三角网。

所述的步骤2中，构建巷道精细化三角网的步骤包括：

①先读取激光扫描巷道三维点云数据，计算点云数据的重心坐标及点云数据密度；

②采用四叉树算法对点云数据进行格网处理，构建第一条基边，以点云数据的任意一点为起点，设定距离阈值和搜索范围，搜索最近点构建第二条基边；

③构建第一个三角形，根据三角形的法向量和重心点与三角形某顶点的向量的夹角来判断三角形法向量的指向，以90°为阈值，如果夹角小于90°，则指向外面，符合要求。否则指向里面，不符合要求，重新搜索；

④构建完第一个三角形后，开始搜索第三个点，第三个点与最近的边构成新的三角形，计算前一个三角形与新三角形的法向量夹角，如果小于90°，则符合要求，最后采用最大夹角法来选取最佳点，如果大于90°，则舍弃，继续搜索；

⑤对构建的三角网进行优化，完成巷道精细化三角网的构建。

有益效果：本发明能适应煤层结构复杂的综采工作面、快速获得高精度的煤层信息、为综采工作面无人化开采提供精确的煤层数据。与现有技术相比具有如下优点：

(1)本发明使用建模数据的获取方法简单且所获取的实测数据准确，这些数据包括：煤层震波探测数据、巷道激光扫描数据、井下钻孔取样数据、煤矿建井数据(底板等高线数据和断层褶皱数据)。

(2)本发明提供的建模方法能快速有效的建立综采工作面煤层精细化三维模型，且能有效保证所建立模型的准确性和可靠性，同时，可以规避煤岩识别难题，另辟蹊径解决采煤机准确割煤问题，为综采工作面无人化开采提供精确的煤层数据。

附图说明

图1是本发明的综采工作面煤层精细化三维模型的构建流程图。

图2是本发明所建立的综采工作面煤层精细化三维模型。

具体实施方式

下面结合附图中的实施例对本发明作进一步的描述：

如图1所示，本发明的综采工作面煤层精细化三维模型的构建方法，综合利用煤矿建井资料、煤层震波ct检测、激光扫描巷道模型、巷探钻孔等数据，构建综采工作面煤层精细化三维模型，具体步骤包括：

(1)获取待开采综采工作面的地质数据，并对地质数据进行优化处理，所述的地质数据包括：煤层震波探测数据、巷道激光扫描数据、井下钻孔取样数据、煤矿建井数据，煤矿建井数据包括底板等高线数据和断层褶皱数据；

所述优化处理包括：采用弦高差方法去除噪声点、均值滤波方法进行平滑滤波、三次样条插值进行数据修补；

(2)构建综采工作面的煤层精细化三角网、断层/褶皱精细化三角网和回采巷道精细化三角网；

所述构建综采工作面煤层精细化三角网的步骤包括：

①先读取煤层震波探测数据，根据探测的煤层边界约束信息再结合底板等高线数据，利用规则格网和不规则三角网相结合的方法实现煤层顶底板的三角网格划分；

②引入规则虚拟钻孔数据对煤层顶底板空间的三角网节点按空间统计分析法和克里金法进行插值，对未被三角化的区域重复利用克里金法进行三角化插值；

③嵌入三角网模板上的顶点和三角边，构建出综采工作面煤层精细化三角网。

所述构建断层/褶皱精细化三角网的步骤包括：

①先读取断层/褶皱数据、煤层震波探测数据、井下钻孔取样数据和底板等高线数据，再按顺序从底板等高线图上取得断层/褶皱上盘交面线和下盘交面线，并投影到三角网格模板上；

②把断层/褶皱与地层的上盘交面线和下盘交面线作为约束条件嵌入到三角网格模板中，经约束三角剖分算法形成不带高程信息的含部分断层/褶皱面的煤层面三角网；

③以煤层面三角网边界线和断层/褶皱线为边界，对煤层进行分区；

④对煤层/褶皱面三角网每个分区上的顶点按一定规则和算法进行高程插值；

⑤对断层/褶皱面上未三角化的区域按克里金法进行三角化，再嵌入三角网模板上的顶点和三角边，进一步细化断层/褶皱面三角网，对断层/褶皱面三角网内部的顶点进行高程插值，构建出综采工作面断层/褶皱精细化三角网。

所述构建巷道精细化三角网的步骤包括：

②读取激光扫描巷道三维点云数据，计算点云数据的重心坐标及点云数据密度；

②采用四叉树算法对点云数据进行格网处理，构建第一条基边，以点云数据的任意一点为起点，设定距离阈值和搜索范围，搜索最近点构建第二条基边；

③构建第一个三角形，根据三角形的法向量和重心点与三角形某顶点的向量的夹角来判断三角形法向量的指向，以90°为阈值，如果夹角小于90°，则指向外面，符合要求。否则指向里面，不符合要求，重新搜索；

④构建完第一个三角形后，开始搜索第三个点，第三个点与最近的边构成新的三角形，计算前一个三角形与新三角形的法向量夹角，如果小于90°，则符合要求，最后采用最大夹角法来选取最佳点，如果大于90°，则舍弃，继续搜索；

⑤对构建的三角网进行优化，完成巷道精细化三角网的构建。

(3)计算构建的煤层三角网、断层/褶皱三角网和巷道三角网之间的拓扑关系，利用网格索引法依次将断层/褶皱、巷道三角网嵌入到煤层三角网中，使断层/褶皱三角网和巷道三角网成为煤层三角网中一个局部约束区域，并对其利用约束多边形嵌入算法进行优化和改进，实现煤层三角网、断层/褶皱三角网、巷道三角网之间的无缝融合；

(4)校验融合后的精细化三角网，对不满足融合精度的重新进行三角构建，满足融合精度的，继续对三角网进行平滑过渡处理，最后建立综采工作面煤层精细化三维模型如图2所示。