煤与煤层气协调开发三维仿真设计研究
时间：2023-08-28 来源：中国煤炭杂志官网 分享：★ 科技引领 ★
煤与煤层气协调开发三维仿真设计研究
目前，我国煤矿区煤层气抽采量主要以井下抽采为主，受矿井建设、井下掘进和采煤工程的制约，55%以上煤矿区具有煤与瓦斯突出危险性，制约了煤矿安全生产，因此，实现煤与煤层气协调开发具有重要战略意义。“十三五”期间，选择和优化合理的协调开发模式以及采用和设计最优的开发技术与工艺是实现煤与煤层气协调开发模式推广应用的关键。但是，煤与煤层气协调开发是一项复杂的系统工程。目前，在煤与煤层气协调开发模式优化决策方面还没有较为成熟实用的软件和设计系统，实现三维动态模拟与辅助设计技术软件有待进一步开发，此外煤层气开发利用的效果评价模型需要进一步完善，为实现煤与煤层气协调开发模式的推广应用奠定基础[1-2]。
“十二五”课题完成了3个典型煤矿区煤与煤层气协调开发模式的可视化动画展示，初步实现了通过视频动画来演示和综合展现协调开发模式。 “十三五”在“十二五”已经形成三维可视化视频展示的基础上，重点解决了如何对协调开发相关技术与工艺进行快速动态的三维构建问题，解决了如何利用三维可视化技术对协调开发技术体系进行实时动态模拟的问题，建立起全国煤矿区煤层气开发辅助设计的技术基础，形成了一套适用于煤矿区的交互式、直观化的协调开发模式智能设计系统，可用于指导全国各个矿区对煤与煤层气协调开发进行规划设计与预评价，实现煤与煤层气资源的规范化共采。
1 煤与煤层气协调开发典型模式
近年来，煤与煤层气协调开发的理念已成为行业共识，结合我国煤层地质条件和煤炭开采的特点，煤矿企业以产学研用的方式在煤矿区煤与煤层气协调开发方面开展了大量研究工作，开发了地面井上开发、井下抽采以及井上下联合抽采等煤层气开发关键技术与装备，缓解了采煤采气的时空约束，为煤与煤层气协调开发奠定了重要基础，形成了以典型地质条件下的煤与煤层气协调开发模式与技术体系。其中，以晋城矿区为代表的“四区”联动井上下立体煤层气抽采模式，将煤矿区划分为“四区”(规划区、准备区、生产区、采空区)，针对各区采煤和采气特点进行科技攻关，并实践煤层气高效抽采关键技术，较好地协调了采煤与采气的时空关系，形成了独具特色的煤与煤层气协调开发模式与技术体系；两淮矿区形成了煤层群条件下井上下立体抽采的煤与煤层气协调开发模式，缓解了突出煤层煤炭开采的采掘接替压力，提高了煤矿安全生产保障水平；松藻矿区形成了“三区”(开拓区、准备区、回采区)配套三超前的井下煤层气综合抽采的煤与煤层气协调开发模式，克服了复杂地貌条件下不宜采用煤层气地面开发的限制[3-6]。
以晋能控股装备制造集团有限公司寺河煤矿为代表，研发创立的煤矿区全矿区、全层位、全时段煤与煤层气共采“四区”联动井上下联合抽采模式和系列技术体系，通过规划区和准备区采前抽、生产区采中抽、采空区采后抽的“四区”联动抽采，在有效保证煤矿采掘进度的同时，显著降低了瓦斯治理费用，取得了较好的安全效益和经济效益[7-9]。
2 煤与煤层气协调开发三维仿真设计研究思路
根据三维矿井基础要素(地质要素、井巷要素、设备要素等)以及协调开发模式的时空因素、协调开采技术工艺的参数要求等，确定数据库内容，制定数据库表结构，建立协调开发数据库；以协调开发优化决策模型为依据，通过研究井上下一体化矿井自动构建技术，构建统一的三维矿山数字底图，研发针对协调开发技术体系的辅助设计系统，实现所见即所得的在线动态编辑，研发能对在线设计结果进行动画演示的算法，对协调开发技术体系进行实时预演；最后，针对典型矿区的地质条件以及煤与煤层气协调开发模式特点，选择合理的优化决策模型和决策指标体系，确定合理的煤与煤层气协调开发技术体系，开发出交互式、直观化的煤与煤层气协调开发三维仿真设计软件平台[11]。煤与煤层气协调开发三维仿真设计总体技术路线如图1所示。
图1 煤与煤层气协调开发三维仿真设计总体技术路线
3 煤与煤层气协调开发三维仿真设计关键技术
3.1 井上下三维场景快速建模技术
井上下三维场景快速建模技术是对煤矿地面矿区、井下地质构造、井巷工程和煤层分布进行数字化、可视化表达，通过将地质勘探数据、测量数据和工程资料等各种信息整合起来，形成一个真实、准确、立体的矿井地质模型，为煤与煤层气协调开发设计应用提供统一的三维数字模型底座。井上下三维矿井三维快速建模流程如图2所示。
图2 井上下三维矿井三维快速建模流程
井上下三维场景快速建模数据多源异构，一方面通过卫星遥感或无人机等技术获取矿区及周边地区的地形、地貌、植被等遥感数据信息，以及煤矿上下游的道路、河流等基础设施信息，这些信息可以作为建立三维场景的基础数据；另一方面包括钻孔数据、测量数据、地质调查数据等实测数据，通过对这些实测数据的处理和分析，可以获得巷道、采掘工作面，以及地下煤层的地质结构、岩性、厚度等信息。
针对地表、岩层、煤层、断层、采空区、井巷、钻孔等各种空间数据，分析整理他们的数据逻辑结构特点，研究工业广场、地层、地质构造、钻孔、井巷工程的快速建模方法，按照三维建模规范采集现场照片，根据矿区工业广场平面图，结合三维建模工具快速建立矿井地面三维模型，通过C++语言和三维引擎平台进行算法编码，根据采掘工程平面图、煤层底板等高线图、单孔柱状图、矿井煤系地层综合柱状图、矿井煤岩层对比图及导线点成果台账测量数据等快速生成精细化地质体三维模型，基于带有高程信息的采掘工程平面图，由巷道导线测量数据和巷道断面设计数据自动构建三维井巷模型，由钻场数据自动构建三维钻场。
3.2 煤与煤层气协调开发模拟推演技术
3.2.1 三维规划动态编辑技术
依据煤与煤层气协调开发场景的展示功能要求，以图形化方式定制和编排页面内容的布局、组件、动效等，通过简单的鼠标点击/拖拽即可完成展示布局、样式及图层交互，无需编程就可帮助研究人员快速搭建可视化应用。界面效果实时动态化呈现，编排过程中可随时预览，查看、调试设计效果。基于三维数字矿山平台(MineSystem)，研发了井上下一体化三维场景模型动态编辑设计软件，功能主要包括三维巷道模型动态编辑、三维钻孔模型动态编辑、三维设备模型动态编辑，此外还包括时间设置、动态改变各类三维物体的颜色和透明度等展示效果的方法，并进行动态信息标注，实现了煤与煤层气协调开发设备的空间布局、流程工艺的时间衔接及协调开发利用工艺展示动画效果的可视化编辑，直观形象地展示煤矿井上下地质、瓦斯、工程等信息，辅助煤与煤层气协调开发设计工作。三维规划动态编辑效果如图3所示。
图3 三维规划动态编辑效果
3.2.2 分镜头动态推演技术
基于已有的协调开发设计决策结果，梳理协调开发设计中的各种动画展示效果，利用三维建模工具进行三维动画建模设计和动画输出，形成一套协调开发设计的三维模型和动画基础库，编排协调开发设计决策结果三维场景中的动画脚本，最终整理出一套根据协调开发设计结果自动编排动画的算法，完成协调开发设计决策结果的三维动画输出，实现以协调开发时间排序和空间划分为基准，将整个抽采技术工艺流程进行三维直观展示，并对关键工序进行重点三维展示说明与实时动画预演。除抽采设备建模和动画是在第三方软件中完成外，整个场景搭建、摄像机参数设定、路径运动、灯光效果、特技效果、交互和漫游功能的实现均在辅助设计软件中完成，配合程序脚本来执行动画推演并实现人机流畅交互。分镜头动态推演效果如图4所示。
图4 分镜头动态推演效果
4 煤与煤层气协调开发三维仿真平台设计
4.1 总体设计
煤与煤层气协调开发三维仿真平台主要由导演编辑系统、场景编辑器、网络服务器和三维动画推演系统组成。煤与煤层气协调开发三维仿真平台总体架构如图5所示。
图5 煤与煤层气协调开发三维仿真平台总体架构
(1)导演编辑系统。导演编辑系统主要由资源列表、场景管理以及属性框等组件构成。导演编辑系统通过对角色、事件、条件、任务、资源等各要素进行编辑，形成动画预演脚本并发布上传到服务器端，用户打开三维场景后即可选择启动动画预案脚本进行推演模拟。
(2)场景编辑器。场景编辑器是整个动画推演的核心，所有元素挂接到状态树上，通过状态改变完成工作流的跳转。导演编辑系统从服务器拉取需要编辑的场景，按照动画推演流程进行场景布置、设置事件、条件、动作等元素，完成脚本编辑，用户登录后即可以选择相应的动画脚本进行动态仿真模拟。
(3)网络服务器。网络服务器主要有用户管理模块、脚本库管理、场景库管理等模块组成，用户管理主要负责用户的注册、注销、用户信息等功能；脚本库主要管理导演系统上传的动画预演脚本；场景库是将三维场景数据发布到服务器，导演编辑系统和动画推演系统通过http服务进行访问，提供地图服务功能。
(4)三维动画推演系统。三维动画推演用于管理复杂的三维动画场景，通过脚本语言来定义和控制动画中的消息、场景、声音和动画元素，实现丰富的交互和动画逻辑。通过消息管理，用户能够定义事件和指令，并触发相应的动画效果；场景管理功能允许用户描述和控制场景的各个元素，包括对象的属性、位置和关系等；声音管理功能支持声音资源的导入和控制，增强动画场景的真实感；动画管理功能允许用户导入、编辑和管理各种动画片段，并通过脚本控制动画的播放、暂停和过渡。系统可为用户提供精确控制动画场景的能力，帮助创造出逼真而交互性强的三维动画推演场景。
4.2 流程设计
煤与煤层气协调开发三维仿真平台采用可编辑三维态势技术，动态模拟和辅助设计煤与煤层气协调开发模式，针对煤矿“四区”场景进行可配置的三维构建，实现时间驱动和事件驱动，其执行基本流程包含以下5个方面。
(1)系统启动自动加载可编辑的小品模型(采煤车、钻孔机、钻塔、水平定向长钻孔机器等)至模型面板区域，支持骨骼动画和帧动画。导入矿区地表模型、地质体模型和巷道模型文件。基于矿区地表模型划分生产规划区、开拓准备区、煤炭生产区，用外包围盒和文字标识，且可高亮闪烁提示。将开拓准备区和煤炭生产区进行挖方分析，实现煤层、巷道、油梁式抽油机、垂直井等三维可视化。
(2)规划区场景设计。首先，设置井间距(默认300 m×400 m)，根据井田范围计算井网并自动绘制井网；其次，在井网交叉点处任意部署钻塔或油梁式抽油机模型，设置三维动画；再次，在地形平整开拓的区域部署地面垂直井模型，根据实际地形和煤层调整垂直井深度，并设置垂直井水力压裂工艺动画；而后，在地形条件较差的区域部署地面定向水平井模型，设置桥塞射孔分段压裂工艺动画；最后，模拟垂直井和水平井瓦斯抽采的气体流动仿真效果，预抽一段时间后显示瓦斯浓度达标后转为开拓准备区。
(3)准备区场景设计。首先，在煤层中绘制开拓巷，并设置巷道开拓推进的动画模拟效果；其次，配置区域内地面垂直井压裂模型位置和大小，并设置压裂动画模拟效果 (红黑颜色交替闪烁显示)；再次，在巷道内添加钻孔机，模拟水平长钻孔打钻转动的实施动画，沿着综采工作面方面铺设水平长钻孔模型；最后，铺设“L”型地面抽采井，模拟垂直井压裂与井下长钻孔联合抽采的气体流动仿真效果，预抽一段时间后显示瓦斯浓度达标后转为煤炭生产区。
(4)生产区场景设计。首先，在煤层底板岩层布置梳状长钻孔(数量、长度、颜色和位置可编辑)，动态模拟采前强化预抽气流动画；其次，在运输大巷中布置采煤机模型，模拟采煤巷道掘进动画效果；在回风大巷提前布置长钻孔模型，长钻孔长度覆盖临近下一工作面两侧巷道条带(高亮显示)，动态模拟区域递进式推进长钻孔和瓦斯预抽气流动画；接着，在综采工作面布置液压支架和采煤机，模拟大采高综采工作面回采动画，采空区岩石塌陷动画效果。
(5)采空区场景设计。三维可视化展示矿区采空区空间分布情况，以及煤层气地面采空井、井下采空区钻孔、插(埋)管等布置场景，以三维动画形式动态模拟采空区煤层气抽采工艺。
(6)“四区”联动整体抽采。基于时间轴脚本编辑和相机定位编辑、物体显示驱动、模型动画显示，配合解说文件和背景音乐，整体展示“四区”联动井上下联合抽采模式和系列技术体系。
5 成果示范工程应用
通过与晋能控股集团煤与煤层气共采国家重点实验室合作交流，项目成果目前已在晋城矿区进行了示范应用，通过分析晋城矿区全矿区、全层位、全时段煤与煤层气共采“四区”联动井上下联合抽采模式及系列技术，基于已经建立的煤与煤层气协调开发优化决策模型，利用井上下三维场景快速建模技术，完成了“晋城模式”煤与煤层气协调开发规划区开采技术、开拓区开采技术和生产区开采技术体系三维模型和动画库建设，通过应用三维可视化动态编辑技术、分镜头三维动画模拟推演技术，实现了晋城矿区煤与煤层气协调开发技术方案的可视化动态模拟，为促进“晋城模式”煤与煤层气协调开发技术体系的应用及推广提供了数字化技术支撑。晋城矿区“四区”联动抽采模式可视化动态模拟如图6所示。
图6 晋城矿区“四区”联动抽采模式可视化动态模拟
6 结论
(1)矿区建模数据多源异构，涵盖了地质体数据、井巷数据、钻孔数据、断层数据、煤层数据、采空区数据、抽采设备数据、地形DEM数据，以及煤与煤层气协调开发优化决策模型数据等，基于统一的平面坐标系统和高程坐标系统，研究出一套井上下三维场景快速建模技术，实现矿区地表地形、工业广场、地质体、井巷、设备等对象在统一时空框架下的三维可视化表达和集成管理，为协调开发设计应用提供了井上下一体化三维底图。
(2)根据煤与煤层气协调开发优化决策结果，将优化设计方案的文字信息转换为不同技术、设备及工程模块组合，结合优化参数结果动态设计生成三维立体模型，研究了一套煤与煤层气协调开发三维动态编辑技术，实现了煤与煤层气协调开发设备的空间布局、流程工艺的时间衔接及协调开发利用工艺展示动画效果的可视化动态编辑，所见即所得，为协调开发设计提供直观的三维可视化操作手段。
(3)根据已有的协调开发设计决策结果，梳理协调开发设计中的各种动画展示效果；建立了一套协调开发规划、准备和生产3个阶段相关设备的三维模型库，研究了一套基于时间和空间的分镜头动态推演技术，通过编排设计协调开发优化决策结果三维场景中的动画脚本，基于三维数字矿山平台(MineSystem)编码实现分镜头动画展示算法，实现以协调开发时间排序和空间划分为基准，将整个抽采技术工艺流程进行三维直观展示，并对关键工序进行重点三维展示说明与实时动画推演。
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