基于地质体建模的采煤工作面煤层三维展示方法及其应用技术

本发明专利技术提出了基于地质体建模的采煤工作面煤层三维展示方法及其应用，解决特厚煤层工作面自动化开采过程中不能直观实时有效的获知三维煤层空间赋存参数变化的问题；AutoCAD软件对采煤工作面上下顺槽不同位置处的钻孔柱状图进行处理，建立煤层顶板高程线和煤层底板高程线并提取其上高程控制点的相对坐标，利用地质建模SUFER软件对高程控制点进行插值均匀化处理，通过ANSYS软件生成煤层工作面三维地质几何体，通过CDEM软件进行三维展示。本发明专利技术能够快速准确的生成综放工作面的特厚煤层三维数值模型，便捷地展示特厚煤岩层三维结构，实时获取工作面任一推进位置处的煤层赋存数据，为动态调整特厚煤层自动化放煤控制参数提供实时准确的地质参考数据。

3D display method of coal seam in coal face based on geological body modeling and its application

【技术实现步骤摘要】
基于地质体建模的采煤工作面煤层三维展示方法及其应用
本专利技术涉及煤层数值建模的
，尤其涉及一种基于地质体建模的采煤工作面煤层三维展示方法及其应用，实现工作面煤层三维结构建模和展示以及求解煤层厚度和倾角。
技术介绍
特厚煤层综采放顶煤工作面的安全高效生产，很大程度上取决于特厚煤层工作面的地质赋存条件，特厚煤层的顶煤赋存状况对整个矿井的开采方法和生产效益将产生重大影响。煤层厚度影响放顶煤的设计方法，比如采放比设定影响液压支架在支护高度方面的设计选型；顶煤厚度影响开采方式的选择，比如不同厚度的顶煤决定开采方式是选用一次采全高开采方法、放顶煤开采方法或者分层放顶煤开采方法。煤层夹矸赋存特征影响顶煤的冒放特性和放出顶煤的含矸率；不同厚度的顶煤影响顶煤破碎的块度、支架放煤的时间以及支架的工作阻力等；煤层的底板起伏的高程变化影响巷道采掘的层位。而且煤层上方的各煤岩层结构特征影响煤岩层的破断过程、地表的沉降、顶煤破碎的程度和支架的工作阻力显现特征。尤其是当前采煤工作面自动化采煤和顶煤自动化放出是今后煤炭行业发展的主流趋势，实时动态获取自动化开采煤层的厚度、倾角和夹矸分布对于确定和动态调整自动化开采设备的控制参数有重要的指导意义。因此通过工程现场地质分析进行工作面三维煤岩层建模，实时获取三维煤岩层的三维空间信息来研究特厚煤层综放工作面的顶煤赋存状况及上覆岩层的赋存特征，可以为研究特厚煤层工作面顶煤放出规律和自动化放煤工艺提供较为直观合理的地质分析和建模依据。直观详尽的获知工作面煤层的地质赋存状况将能更好指导矿井采放煤方法的选择确定，适时调整采煤工艺，对矿井的安全高效生产产生重要影响。申请号为201610643584.3的一种基于地质数据的工作面煤层三维建模方法的中国专利申请，通过插值方法对采煤工作面煤地层顶板地质数据进行处理生成了采煤工作面煤层结构的上表面，为调整采煤机滚筒高度提供煤层地质数据。然而该专利仅生成了煤层结构的上表面，不能考虑特厚煤层的底板高程起伏和特厚煤层内部的夹矸赋存状况，不能有效得到特厚煤层的煤层厚度，也不能较为合理地获得采煤工作面某一液压支架位置的煤层走向倾角和倾向倾角等地质赋存参数，因此不能很好地为特厚煤层采煤工作面进行特厚顶煤自动化放出提供有效可靠的煤层地质数据。采煤工作面自动化采煤和顶煤自动化放出是煤炭行业发展的主流趋势，特厚煤层自动化开采的自动化控制参数的确定至关重要。
技术实现思路
针对现有方法不能直观实时有效的获知特厚煤层工作面的煤层底板高程变化，煤层厚度变化，煤层走向倾角变化，煤层倾向倾角变化和煤层夹矸赋存等地质赋存状况，不能有效地为特厚煤层自动化开采的控制参数的确定提供实时的煤层地质赋存数据的技术问题，本专利技术提出一种工作面特厚煤层三维建模以及三维模型动态展示方法，以及计算特厚煤层工作面任一推进位置煤层厚度和煤层倾角的计算方法，能够正确指导矿井采放煤，适时调整采煤工艺，实时动态获取自动化开采煤层的厚度、倾角和夹矸分布，对于确定和动态调整自动化开采设备的控制参数有重要的指导意义，提高了矿井的安全高效生产。为了达到上述目的，本专利技术的技术方案是这样实现的：一种基于地质体建模的采煤工作面煤层三维展示方法，其步骤如下：步骤一：通过在采煤工作面运输顺槽和回风顺槽的不同位置处向煤层顶部和底部进行钻孔取芯，根据不同位置处所取的煤层芯样厚度和顺槽高度得到采煤工作面上下顺槽不同位置处的钻孔柱状图；步骤二：根据获得的采煤工作面上下顺槽不同位置处的钻孔柱状图，在AutoCAD软件中连接煤层顶板层位上的高程控制点生成煤层顶板高程线、连接煤层底板层位上的高程控制点生成煤层底板高程线，提取煤层顶板高程线和煤层底板高程线上高程控制点的相对坐标；步骤三：利用地质建模SUFER软件分别对煤层顶板高程线和煤层底板高程线上的高程控制点在工作面推进方向和工作面布置方向进行插值均匀化处理生成多个控制点；步骤四：将由SUFER软件插值均匀处理后获得煤层顶板上的高程控制点及在工作面推进方向和工作面布置方向生成的多个控制点组成三维煤层的上表面；将由SUFER软件插值均匀处理后获得煤层底板上的控制点，在顺槽方向和工作面布置方向生成的多个控制点组成三维煤层的下表面；步骤五：基于SUFER软件插值均匀处理后获得的三维煤层的上表面和下表面的高程控制点数据，在ANSYS软件分别生成煤层上几何表面和下几何表面，以上几何表面和下几何表面的边界为准建立侧面生成闭合的空间表面，由闭合的空间表面生成工作面三维地质几何体；步骤六：将工作面三维地质几何体在ANSYS软件中以包含空间信息的计算单元体为基本数据单位划分成小的有限元单元网格，划分后的工作面三维地质几何体采用CDEM软件进行模型截面及工作面三维地质几何体三维展示。所述步骤三中地质建模SUFER软件进行插值均匀化处理的实现方法是克里金插值法；克里金插值法是以区域化变量理论为基础，以变差函数为主要工具，在保证估计值满足无偏性条件和最小方差条件的前提下求得估计值。所述克里金插值法的实现方法为：设区域化变量f(x)满足二阶平稳假设或本征假设，则待插点P的估计值为其中，fi是n个已知点的函数值，wi是n个已知点的全系数且再根据估计的方差最小的条件：求出待插点P的估计值，其中，μ为拉格朗日算子，γ(xj-xi)为已知点xi与xi之间的变差函数值，γ(xp-xi)为已知点xi与待插点xp之间的变差函数值，i＝1,2,……,n。所述步骤四中多个控制点组成三维煤层的上表面或下表面的方法为：利用曲线连接相邻的控制点依次生成多条线段，由多条线段依次生成多个小的面域，所有小面域最后上表面或下表面；所述生成闭合的空间表面的方法为：基于上表面和下表面的空间边界条件，依次生成三维煤层结构的侧表面，由三维煤层结构的上表面、下表面和四周侧表面生成三维煤层的闭合的空间表面。一种基于地质体建模的采煤工作面煤层三维展示方法的应用，计算煤层厚度和倾角：在CDEM软件中动态获取工作面三维地质几何体中任意位置的空间坐标，在工作面任一推进位置处，结合超前工作面一定距离、滞后工作面一定距离、靠近工作面上顺槽一定距离和靠近工作面下顺槽一定距离的煤层不同层位的控制点空间坐标，计算在工作面任一推进位置处煤层的厚度以及走向平均倾角和倾向平均倾角的煤层地址赋存参数。在建立的工作面三维煤层模型的基础上，获得工作面推进到特定的位置处的工作面布置方向任一点处的平面坐标，通过此位置的平面坐标获得此位置处煤层顶面和煤层底面的高程点坐标，进一步获得当工作面推进到特定的平面位置处的工作面布置方向任一点处的煤层厚度；具体实现方法为：(1)当采煤工作面沿煤层走向推进到特定的位置X1处，采煤工作面布置方向，距离工作面顺槽Y1距离处的工作面位置的平面坐标为(X1，Y1)；(2)在三维煤层模型的空间坐标点数据库中(X1，Y1)平面坐标对应的空间竖向坐标的最大坐标值即为任一位置(X1，Y1)处对应的煤层顶面上一点坐标，获取工作面煤层顶面任一位置(X1，Y1)处的三维空间坐标：Z1；本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于地质体建模的采煤工作面煤层三维展示方法，其特征在于，其步骤如下：/n步骤一：通过在采煤工作面运输顺槽和回风顺槽的不同位置处向煤层顶部和底部进行钻孔取芯，根据不同位置处所取的煤层芯样厚度和顺槽高度得到采煤工作面上下顺槽不同位置处的钻孔柱状图；/n步骤二：根据获得的采煤工作面上下顺槽不同位置处的钻孔柱状图，在AutoCAD软件中连接煤层顶板层位上的高程控制点生成煤层顶板高程线、连接煤层底板层位上的高程控制点生成煤层底板高程线，提取煤层顶板高程线和煤层底板高程线上高程控制点的相对坐标；/n步骤三：利用地质建模SUFER软件分别对煤层顶板高程线和煤层底板高程线上的高程控制点在工作面推进方向和工作面布置方向进行插值均匀化处理生成多个控制点；/n步骤四：将由SUFER软件插值均匀处理后获得煤层顶板上的高程控制点及在工作面推进方向和工作面布置方向生成的多个控制点组成三维煤层的上表面；将由SUFER软件插值均匀处理后获得煤层底板上的控制点，在顺槽方向和工作面布置方向生成的多个控制点组成三维煤层的下表面；/n步骤五：基于SUFER软件插值均匀处理后获得的三维煤层的上表面和下表面的高程控制点数据，在ANSYS软件分别生成煤层上几何表面和下几何表面，以上几何表面和下几何表面的边界为准建立侧面生成闭合的空间表面，由闭合的空间表面生成工作面三维地质几何体；/n步骤六：将工作面三维地质几何体在ANSYS软件中以包含空间信息的计算单元体为基本数据单位划分成小的有限元单元网格，划分后的工作面三维地质几何体采用CDEM软件进行模型截面及工作面三维地质几何体三维展示。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于地质体建模的采煤工作面煤层三维展示方法，其特征在于，其步骤如下：
步骤一：通过在采煤工作面运输顺槽和回风顺槽的不同位置处向煤层顶部和底部进行钻孔取芯，根据不同位置处所取的煤层芯样厚度和顺槽高度得到采煤工作面上下顺槽不同位置处的钻孔柱状图；
步骤二：根据获得的采煤工作面上下顺槽不同位置处的钻孔柱状图，在AutoCAD软件中连接煤层顶板层位上的高程控制点生成煤层顶板高程线、连接煤层底板层位上的高程控制点生成煤层底板高程线，提取煤层顶板高程线和煤层底板高程线上高程控制点的相对坐标；
步骤三：利用地质建模SUFER软件分别对煤层顶板高程线和煤层底板高程线上的高程控制点在工作面推进方向和工作面布置方向进行插值均匀化处理生成多个控制点；
步骤四：将由SUFER软件插值均匀处理后获得煤层顶板上的高程控制点及在工作面推进方向和工作面布置方向生成的多个控制点组成三维煤层的上表面；将由SUFER软件插值均匀处理后获得煤层底板上的控制点，在顺槽方向和工作面布置方向生成的多个控制点组成三维煤层的下表面；
步骤五：基于SUFER软件插值均匀处理后获得的三维煤层的上表面和下表面的高程控制点数据，在ANSYS软件分别生成煤层上几何表面和下几何表面，以上几何表面和下几何表面的边界为准建立侧面生成闭合的空间表面，由闭合的空间表面生成工作面三维地质几何体；
步骤六：将工作面三维地质几何体在ANSYS软件中以包含空间信息的计算单元体为基本数据单位划分成小的有限元单元网格，划分后的工作面三维地质几何体采用CDEM软件进行模型截面及工作面三维地质几何体三维展示。


2.根据权利要求1所述的基于地质体建模的采煤工作面煤层三维展示方法，其特征在于，所述步骤三中地质建模SUFER软件进行插值均匀化处理的实现方法是克里金插值法；克里金插值法是以区域化变量理论为基础，以变差函数为主要工具，在保证估计值满足无偏性条件和最小方差条件的前提下求得估计值。


3.根据权利要求1或2所述的基于地质体建模的采煤工作面煤层三维展示方法，其特征在于，所述克里金插值法的实现方法为：设区域化变量f(x)满足二阶平稳假设或本征假设，则待插点P的估计值为其中，fi是n个已知点的函数值，wi是n个已知点的全系数且再根据估计的方差最小的条件：求出待插点P的估计值，其中，μ为拉格朗日算子，γ(xj-xi)为已知点xi与xi之间的变差函数值，γ(xp-xi)为已知点xi与待插点xp之间的变差函数值，i＝1,2,……,n。


4.根据权利要求3所述的基于地质体建模的采煤工作面煤层三维展示方法，其特征在于，所述步骤四中多个控制点组成三维煤层的上表面或下表面的方法为：利用曲线连接相邻的控制点依次生成多条线段，由多条线段依次生成多个小的面域，所有小面域最后上表面或下表面；所述生成闭合的空间表面的方法为：基于上表面和下表面的空间边界条件，依次生成三维煤层结构的侧表面，由三维煤层结构的上表面、下表面和四周侧表面生成三维煤层的闭合的空间表面。


5.根据权利要求1或4所述的基于地质体建模的采煤工作面煤层三维展示方法的应用，其特征在于，计算煤层厚度和倾角：在CDEM软件中动态获取工作面三维地质几何体中任意位置的空间坐标，在工作面任一推进位置处，结合超前工作面一定距离、滞后工作面一定距离、靠近工作面上顺槽一定距离和靠近工作面下顺槽一定距离的煤层不同层位的控制点空间坐标，计算在工作面任一推进位置处煤层的厚度以及走向平均倾角和倾向平均倾角的煤层地址赋存参数。


6.根据权利要求5所述的基于地质体建模的采煤工作面煤层三维展示方法的应用，其特征在于，在建立的工作面三维煤层模型的基础上，获得工作面推进到特定的位置处的工作面布置方向任一点处的平面坐标，通过此位置的平面坐标获得此位置处煤层顶面和煤层底面的高程点坐标，进一步获得当工作面推进到特定的平面位置处的工作面布置方向任一点处的煤层厚度；具体实现方法为：
(1)当采煤工作面沿煤层走向推进到特定的位置X1处，采煤工作面布置方向，距离工作面顺槽Y1距离处的工作面位置的平面坐标为(X1，Y1)；
(2)在三维煤层模型的空间坐标点数据库中(X1，Y1)平面坐标对应的空间竖向坐标的最大坐标值即为任一位置(X1，Y1)处对应的煤层顶面上一点坐标，获取工作面煤层顶面任一位置(X1，Y1)处的三维空间坐标：Z1；
(3)在三维煤层模型的空间坐标点数据库中(X1，Y1)平面坐标对应的空间竖向坐标的最小坐标值即为任一位置(X1，Y1)处对应的煤层底面上一点坐标，获取工作面煤层底面任一位置(X1，Y1)处的三维空间坐标：Z2；
(4)当工作面推进到特定的平面位置(X1，Y1)处的煤层厚度为(X1，Y1)平面坐标对应的空间竖向坐标的最大坐标值减去(X1，Y1)平面坐标对应的空间竖向坐标的最小坐标值，即：(Z2-Z1)米。


7.根据权利要求6所述的基于地质体建模的采煤工作面煤层三维展示方法的应用，其特征在于，工作面推进到特定的位置处，获得煤层顶部滞后推进位置处、推进当前位置处和超前推进位置处煤层顶板在推进方向的三个空间点坐标，进一步获得煤层底板在此推进位置处的相对煤层倾角，并且依次获得煤层中部和煤层底部在此推进位置处的相对煤层倾角，通过对煤层顶部、煤层中部和煤层底部的相对煤层倾角求平均获得煤层走向方向的任一推进位置处的...

【专利技术属性】
技术研发人员：张群磊，李东印，袁瑞甫，李化敏，张旭和，刘军磊，王文，王伸，
申请(专利权)人：河南理工大学，
类型：发明
国别省市：河南;41