一种回采工作面煤层透明化三维地质模型构建方法及装置与流程

本发明涉及煤矿智能开采技术领域，具体涉及一种回采工作面煤层透明化三维地质模型构建方法及装置。

背景技术：

2016年，国家发改委、国家能源局发布了《能源技术革命和创新行动计划(2016—2030年)》，明确提出“我国2030年实现智能化开采，重点煤矿区基本实现工作面无人化、巷道集中控制”。2020年3月2日，国家八部委(国家发展改革委、国家能源局、应急部、国家煤矿安监局、工业和信息化部、财政部、科技部、教育部)联合发布了《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》(发改能源[2020]283号)的通知，加快了智能化煤矿建设的步伐。

智能化煤矿建设的重点之一就是回采工作面采煤的智能化。目前，回采工作面智能化采煤的技术进展是记忆割煤，截割线是人工交互式完成的，采煤机的采煤过程空间姿态的调整与煤层地质体的关联性弱，没有基于三维地质模型煤层空间形态的变化自动生成预想截割线，以完成少人或无人的智能化采煤。所以，现有的记忆割煤实用性受到限制，发展也出现了瓶颈，基于地质模型的割煤方法开始得到国内外科技和产业界的高度重视。

回采工作面高精度透明化三维动态地质模型必须满足智能开采对地质条件的时空需求，一方面要确保回采工作面前方未采区域一定范围内煤层地质条件的“透明化”，为生成相对精准的预想截割线提供数据支持，另一方面要在采煤机完成一定回采距离或在检修班时，根据最新实测和分析数据快速完成回采工作面煤层高精度三维地质模型的动态修正，以反应煤层在三维空间的最新变化，为生产班的自主割煤服务。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明提供了一种回采工作面煤层透明化三维地质模型构建方法及装置，以克服了现有技术的不足。

第一方面，本发明实施例提供了一种回采工作面煤层高精度透明化三维动态地质模型构建方法，包括以下步骤：

步骤1：创建基于回采工作面边界的外扩多边形，采集所述外扩多边形内煤层和构造控制数据；

步骤2：根据所述煤层和构造控制数据，以所述外扩多边形为边界生成满足地质规律的高密度煤层底板等高线和煤厚等值线；

步骤3：采集所述回采工作面的煤层底板等高线控制点，利用所述煤厚等值线给采集的所述等高线控制点赋值煤厚，得到具有煤厚属性的等高线控制点；

步骤4：根据所述具有煤厚属性的等高线控制点生成回采工作面煤层高精度透明化三维地质模型；

步骤5：获取生产过程中新的煤层和构造及分析结果数据，重复步骤2至步骤4，动态修正所述回采工作面煤层高精度透明化三维地质模型。

可选地，创建基于回采工作面边界的外扩多边形，包括：

以当前回采工作面边界为基础，向外扩预设距离，绘制一个能包含当前回采工作面和相邻回采工作面，以及包含当前回采工作面周边多个煤层控制数据的规则或不规则的多边形。

可选地，采集所述外扩多边形内煤层和构造控制数据，包括：

采集矿井所能提供的所述外扩多边形范围内所有能控制煤层三维形态的相关数据，所述相关数据至少包括：煤层底板数据、煤厚数据和构造数据。

可选地，以所述外扩多边形为边界生成满足地质规律的高密度煤层底板等高线，包括：

以当前回采工作面外扩多边形为约束边界，结合所述煤层底板数据和所述构造数据，生成煤层底板等高线图。

可选地，以所述外扩多边形为边界生成满足地质规律的高密度煤厚等值线，包括：

以当前回采工作面外扩多边形为约束边界，结合所述煤厚数据，生成煤层厚度等值线图。

可选地，采集回采工作面煤层底板等高线控制点，包括：

以当前回采工作面边界为约束边界，按预设密度，采集所述煤层底板等高线上落在当前回采工作面设计边界内的等高线控制点。

可选地，利用所述煤厚等值线给采集的所述等高线控制点赋值煤厚，得到具有煤厚属性的等高线控制点，包括：

将所述等高线控制点与所述煤厚等值线进行叠加，利用插值算法，计算出每个等高线控制点所在位置的煤层厚度，并将煤厚属性赋值给所述等高线控制点，得到具有煤厚属性的等高线控制点。

可选地，根据所述具有煤厚属性的等高线控制点生成透明化回采工作面煤层高精度透明化三维地质模型，包括：

以当前回采工作面边界为约束边界，结合所述具有煤厚属性的等高线控制点，生成回采工作面煤层高精度透明化三维地质模型。

可选地，获取新的煤层数据，重复步骤2至步骤4，动态修正所述回采工作面煤层高精度透明化三维地质模型，包括：

获取当前回采工作面生产活动中不断揭露和分析得到的煤层和构造数据，将新增的数据合并到原有的已知和分析数据中，重复步骤2至步骤4，动态修正所述回采工作面煤层高精度透明化三维地质模型。

第二方面，本发明实施例提供了一种回采工作面煤层高精度透明化三维地质模型动态构建装置，所述装置包括：

原始数据采集模块，用于执行步骤1：创建基于回采工作面边界的外扩多边形，采集所述外扩多边形内煤层和构造控制数据；

等值线生成模块：用于执行步骤2：根据所述煤层和构造控制数据，以所述外扩多边形为边界生成满足地质规律的高密度煤层底板等高线和煤厚等值线；

数据加密和煤厚处理模块，用于执行步骤3：采集所述回采工作面的煤层底板等高线控制点，利用所述煤厚等值线给采集的所述等高线控制点赋值煤厚，得到具有煤厚属性的等高线控制点；

三维模型生成模块，用于执行步骤4：根据所述具有煤厚属性的等高线控制点生成回采工作面煤层高精度透明化三维地质模型；

三维模型动态修正模块，用于获取生产过程中新的煤层和构造及分析成果数据，并使得所述等值线生成模块、所述数据加密和煤厚处理模块以及三维模型生成模块分别重复步骤2至步骤4，动态修正所述回采工作面煤层高精度透明化三维地质模型。

可选地，所述原始数据采集模块，包括：

外扩多边形绘制子模块，用于以当前回采工作面边界为基础，向外扩预设距离，绘制一个能包含当前回采工作面和相邻回采工作面，以及包含当前回采工作面周边多个煤层控制数据的多边形。

可选地，所述原始数据采集模块，还包括：

原始数据采集子模块，用于采集矿井所能提供的所述外扩多边形范围内所有能控制煤层三维形态的相关数据，所述相关数据至少包括：煤层底板数据、煤厚数据和构造数据。

可选地，所述等值线生成模块，包括：

第一生成子模块，用于以当前回采工作面外扩多边形为约束边界，结合所述煤层底板数据和所述构造数据，生成煤层底板等高线图。

可选地，所述等值线生成模块，还包括：

第二生成子模块，用于以当前回采工作面外扩多边形为约束边界，结合所述煤厚数据，生成煤层厚度等值线图。

可选地，所述数据加密和煤厚处理模块，包括：

数据加密子模块，用于以当前回采工作面边界为约束边界，按预设密度，采集所述煤层底板等高线上落在当前回采工作面设计边界内的等高线控制点。

可选地，所述数据加密和煤厚处理模块，还包括：

煤厚处理子模块，用于将所述等高线控制点与所述煤厚等值线进行叠加，利用插值算法，计算出每个等高线控制点所在位置的煤层厚度，并将煤厚属性赋值给所述等高线控制点，得到具有煤厚属性的等高线控制点。

可选地，所述三维模型生成模块，包括：

三维模型生成子模块，用于以当前回采工作面边界为约束边界，结合所述具有煤厚属性的等高线控制点，生成回采工作面煤层高精度透明化三维地质模型。

可选地，所述三维模型修正模块，包括：

三维模型修正子模块，用于获取当前回采工作面生产活动中不断揭露和分析得到的煤层数据和构造数据，将新增的数据合并到原有的已知和分析成果数据中，重复步骤2至步骤4，动态修正所述回采工作面煤层高精度透明化三维地质模型。

本发明在充分考虑矿井智能开采所面临的煤层工作面未开采区域地质信息的不透明性，开采过程缺乏地质体信息指导等困境前提下，设计了一套操作便捷、效率高、精度高的回采工作面煤层高精度透明化三维地质模型构建和动态修正的方法。通过创建基于回采工作面边界的外扩多边形，采集所述外扩多边形内煤层和构造控制数据；根据所述煤层和构造控制数据，以所述外扩多边形为边界生成满足地质规律的高密度煤层底板等高线和煤厚等值线；采集所述回采工作面的煤层底板等高线控制点，利用所述煤厚等值线给采集的所述等高线控制点赋值煤厚，得到具有煤厚属性的等高线控制点；根据所述具有煤厚属性的等高线控制点生成回采工作面煤层高精度透明化三维地质模型；获取生产过程中新的煤层和构造及分析成果数据，重复步骤2至步骤4，动态修正所述回采工作面煤层高精度透明化三维地质模型。本发明设计合理，便于实现，通过工作面边界划分和数据分类处理的方式提高了模型构建和动态修正的自动化程度，在提供高精度数据的同时便于快速动态修正模型，大大提高了矿井智能开采的推进速度，具有良好的推广价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例的描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种回采工作面煤层高精度透明化三维地质模型动态构建方法的步骤流程图；

图2为本发明实施例提供的一种当前回采工作面外扩多边形示意图；

图3为本发明实施例提供的一种回采工作面煤层高精度透明化三维地质模型在三维虚拟仿真系统中展示采空区与未采区的效果示意图；

图4为本发明实施例提供的一种回采工作面煤层高精度透明化三维地质模型动态构建装置的示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，图1示出了本实施例中的一种回采工作面煤层高精度透明化三维地质模型动态构建方法的步骤流程图，如图1所示，所述方法包括：

步骤s101：创建基于回采工作面边界的外扩多边形，采集所述外扩多边形内煤层和构造控制数据；

在一种可行的实施方式中，创建基于回采工作面边界的外扩多边形，包括：以当前回采工作面边界为基础，向外扩预设距离，绘制一个能包含当前回采工作面和相邻回采工作面，以及包含当前回采工作面周边多个煤层控制数据的多边形。

在本实施方式中，以当前回采工作面设计边界为基础，往外扩展多边形，各点的外扩的距离可以不一样，也可以在外扩多边形中插入新点，并移动到合适位置，外扩多边形是一个能包含当前回采工作面和相邻回采工作面，以及尽量包含当前回采工作面周边较多煤层控制数据的规则或不规则多边形，即可以是矩形，也可以是不规则的多边形，当前回采工作面的外扩多边形如图2所示，包括当前回采工作面以及周围的相邻回采工作面，及一些煤层钻孔数据；创建回采工作面外扩边界的目的是为了包含当前回采工作面周边更多的煤层和构造控制数据，以保证煤层地质形态的趋势性和煤层地质模型的精度。

在一种可行的实施方式中，采集所述外扩多边形内煤层和构造控制数据，包括：

采集矿井所能提供的所述外扩多边形范围内所有能控制煤层三维形态的相关数据，所述相关数据至少包括：煤层底板数据、煤厚数据和构造数据。

在本实施方式中，采集矿井所能提供的外扩多边形范围内所有能控制煤层和构造三维形态的相关数据，如：地面勘探钻孔、井下钻孔、巷道素描图、切眼素描图、勘探线和预想剖面图三维地震、地质雷达等通过钻探或物探手段获取的煤层顶底板数据、煤厚数据和构造数据；在数据采集过程中，尽量高密度采集煤层控制点和煤层特征点(如拐点)数据，以提高工作面煤层三维地质模型的精度，煤层控制点指可以控制煤层高低起伏形态和煤层厚度特征的点；煤层特征点指能够控制煤层形态的特殊点，如起伏时最高点和最低点，若以剖面线表达煤层起伏状态，可将剖面线的拐点称为特征点，如：巷道素描图中以1米或2米为间隔距离提取煤层底板数据和煤厚数据，其中，煤层是有厚度的，煤层顶部称为煤层顶板，煤层底部称为煤层底板，煤层中某一点的煤层底板高程指的是该点的煤层底板的高程(或海拔)，如：煤层上某一点的底板高程为-654.78米；煤层底板数据为(x,y,z；z为煤层底板高程)的点格式；煤厚数据格式为(x,y,h；h为煤层厚度)的点格式。

步骤s102：根据所述煤层和构造控制数据，以所述外扩多边形为边界生成满足地质规律的高密度煤层底板等高线和煤厚等值线。

在一种可行的实施方式中，以所述外扩多边形为边界生成满足地质规律的高密度煤层底板等高线，包括：

以当前回采工作面外扩多边形为约束边界，结合所述煤层底板数据和所述构造数据，生成煤层底板等高线图。

在本实施方式中，以当前回采工作面外扩多边形为约束边界结合步骤s101中采集的煤层底板数据，采用矩形网格法或不规则三角网(tin)模型自动生成煤层底板等高线图，为提高回采工作面煤层高精度透明化三维动态地质模型的精度，相邻等高线的高差间距密度可以设置为0.1米或0.2米等较小的高差间隔；自动生成的煤层底板等高线图如有不满足地质规律的区域可交互式修正。

在一种可行的实施方式中，以所述外扩多边形为边界生成满足地质规律的高密度煤厚等值线，包括：

以当前回采工作面外扩多边形为约束边界，结合所述煤厚数据，生成煤层厚度等值线图。

在本实施方式中，以当前回采工作面外扩多边形为约束边界结合步骤s101中采集的煤厚数据，采用矩形网格法或不规则三角网(tin)模型自动生成煤层厚度等值线图。等值线图是以相等数值点的连线表示连续分布且逐渐变化的数量特征的一种图型。为提高回采工作面煤层高精度透明化三维动态地质模型的精度，相邻等值线的厚度间距密度可以设置为0.05米或0.1米等较小的厚度间隔。

步骤s103：采集所述回采工作面的煤层底板等高线控制点，利用所述煤厚等值线给采集的所述等高线控制点赋值煤厚，得到具有煤厚属性的等高线控制点。

在一种可行的实施方式中，采集回采工作面煤层底板等高线控制点，包括：

以当前回采工作面边界为约束边界，按预设密度，采集所述煤层底板等高线上落在当前回采工作面设计边界内的等高线控制点。

可选地，利用所述煤厚等值线给采集的所述等高线控制点赋值煤厚，得到具有煤厚属性的等高线控制点，包括：

将所述等高线控制点与所述煤厚等值线进行叠加，利用插值算法，计算出每个等高线控制点所在位置的煤层厚度，并将煤厚属性赋值给所述等高线控制点，得到具有煤厚属性的等高线控制点。

在本实施方式中，以当前回采工作面边界为约束边界，按指定密度，如：2米或5米，采集步骤s102中生成的煤层底板等高线上落在回采工作面边界内的等高线控制点；其中，包括采集煤层底板等高线与回采工作面边界相交的点，煤层底板等高线上的拐点，煤层底板等高线与构造线相交的点，其中，构造线是用来表达煤层中正断层、逆断层、陷落柱等构造的线化表达；如：用来表达正断层或逆断层的断煤交线，用来表达陷落柱的陷落柱边界线。采集的等高线控制点z值为该等高线控制点所在的等高线高程值；将采集的等高线控制点与步骤s102中生成的煤厚等值线叠加在一起，利用插值算法，计算出每个等高线控制点所在位置的煤层厚度，并将煤厚属性赋值给等高线控制点。等高线控制点数据格式为(x,y,z,h；z为等高线控制点煤层底板高程，h等高线控制点的煤层厚度)的点格式。

步骤s104：根据所述具有煤厚属性的等高线控制点生成回采工作面煤层高精度透明化三维地质模型；

在一种可行的实施方式中，根据所述具有煤厚属性的等高线控制点生成回采工作面煤层高精度透明化三维地质模型，包括：

以当前回采工作面边界为约束边界，结合所述具有煤厚属性的等高线控制点，生成回采工作面煤层高精度透明化三维地质模型。

在本实施方式中，以回采工作面边界为约束边界，结合步骤s103中采集的具有煤厚属性的等高线控制点，利用不规则三角网(tin)模型算法，生成回采工作面煤层高精度透明化三维地质模型；

步骤s105：获取生产过程中新的煤层和构造及分析成果数据，重复步骤2至步骤4，动态修正所述回采工作面煤层高精度透明化三维地质模型；

在一种可行的实施方式中，获取生产过程中新的煤层和构造及分析成果数据，重复步骤2至步骤4，动态修正所述回采工作面煤层高精度透明化三维地质模型，包括：

获取当前回采工作面生产活动中不断揭露和分析得到的煤层和构造数据，将新增的数据合并到原有的已知和分析数据中，重复步骤2至步骤4，动态修正所述回采工作面煤层高精度透明化三维地质模型。

在本实施方式中，在当前回采工作面生产活动中不断的揭露和分析得到的煤层和构造数据，如回采工作面素描图、预想剖面图、探煤顶底板定向钻、探煤钻孔、煤岩层界限识别、地测人员实测等活动中获取的煤层和构造及分析成果数据，将这些新增的数据合并到原有的已知数据中，重复步骤s102至步骤s104，实现回采工作面煤层高精度透明化三维地质模型的动态修正；其中，可将步骤s103和步骤s104中的回采工作面边界拆分为采空区边界和未采区边界，则可将整个回采工作面煤层高精度透明化三维动态地质模型分为采空区和未采区模型两部分，便于在三维可视化管控平台中展示回采进度等，如图3所示，其中，图中模型深色区域是煤层未采区域，表示煤层未被开采；图中模型浅色区域是采空区，表示煤层已被开采。

请参考图4，图4是本发明实施例中一种回采工作面煤层高精度透明化三维动态地质模型动态构建装置，所述装置包括：

原始数据采集模块401：用于执行步骤s101：创建基于回采工作面边界的外扩多边形，采集所述外扩多边形内煤层和构造控制数据；

等值线生成模块402：用于执行步骤s102：根据所述煤层和构造控制数据，以所述外扩多边形为边界生成满足地质规律的高密度煤层底板等高线和煤厚等值线；

数据加密和煤厚处理模块403：用于执行步骤s103：采集所述回采工作面的煤层底板等高线控制点，利用所述煤厚等值线给采集的所述等高线控制点赋值煤厚，得到具有煤厚属性的等高线控制点；

三维模型生成模块404：用于执行步骤s104：根据所述具有煤厚属性的等高线控制点生成回采工作面煤层高精度透明化三维动态地质模型；

三维模型修正模块405：用于获取生产过程中新的煤层和构造及分析成果数据，并使得所述等值线生成模块、所述数据加密和煤厚处理模块以及所述三维模型生成模块分别重复步骤102至步骤104，动态修正所述回采工作面煤层高精度透明化三维地质模型。

可选地，所述原始数据采集模块，包括：

外扩多边形绘制子模块，用于以当前回采工作面边界为基础，向外扩预设距离，绘制一个能包含当前回采工作面和相邻回采工作面，以及包含当前回采工作面周边多个煤层控制数据的多边形。

可选地，所述原始数据采集模块，还包括：

数据采集子模块，用于采集矿井所能提供的所述外扩多边形范围内所有能控制煤层三维形态的相关数据，所述相关数据至少包括：煤层底板数据、煤厚数据和构造数据。

可选地，所述等值线生成模块，包括：

第一生成子模块，用于以当前回采工作面外扩多边形为约束边界，结合所述煤层底板数据和所述构造数据，生成煤层底板等高线图。

可选地，所述等值线生成模块，还包括：

第二生成子模块，用于以当前回采工作面外扩多边形为约束边界，结合所述煤厚数据，生成煤层厚度等值线图。

可选地，所述数据加密和煤厚处理模块，包括：

数据加密子模块，用于以当前回采工作面边界为约束边界，按预设密度，采集所述煤层底板等高线上落在当前回采工作面设计边界内的等高线控制点。

可选地，所述数据加密和煤厚处理模块，还包括：

煤厚处理子模块，用于将所述等高线控制点与所述煤厚等值线进行叠加，利用插值算法，计算出每个等高线控制点所在位置的煤层厚度，并将煤厚属性赋值给所述等高线控制点，得到具有煤厚属性的等高线控制点。

可选地，所述三维模型生成模块，包括：

三维模型生成子模块，用于以当前回采工作面边界为约束边界，结合所述具有煤厚属性的等高线控制点，生成回采工作面煤层高精度透明化三维地质模型。

可选地，所述三维模型修正模块，包括：

三维模型修正子模块，用于获取当前回采工作面生产活动中不断揭露和分析得到的煤层和构造数据，将新增的数据合并到原有的已知和分析成果数据中，重复步骤s102至步骤s104，动态修正所述回采工作面煤层高精度透明化三维地质模型。

对于装置实施例而言，由于其与方法实施例基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。