采掘工作面地質(zhì)信息數(shù)字孿生技術(shù)

李 鵬，程建遠

(1.西安科技大學 地質(zhì)與環(huán)境學院，陜西 西安 710054；2.中煤科工西安研究院(集團)有限公司，陜西 西安 710077)

隨著人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)的蓬勃發(fā)展，各個行業(yè)都在向數(shù)字化、智能化方向發(fā)展。2021 年6 月，國家能源局和國家礦山安全監(jiān)察局聯(lián)合印發(fā)《煤礦智能化建設(shè)指南》，提出了基于“數(shù)據(jù)驅(qū)動”“數(shù)字采礦”的理念，要求將地質(zhì)數(shù)據(jù)與工程數(shù)據(jù)進行深度融合，建立實時更新的高精度融合模型，實現(xiàn)礦井地質(zhì)信息透明化的總體要求。實現(xiàn)該目標就需要打通煤礦地質(zhì)與采掘生產(chǎn)之間數(shù)據(jù)壁壘，實現(xiàn)物理世界與信息世界的互通與交互共融。采掘工作面地質(zhì)建模可以作為地質(zhì)數(shù)據(jù)的載體，為煤礦生產(chǎn)和安全提供基礎(chǔ)信息；數(shù)字孿生(Digital Twin,DT)可作為物理世界與信息世界互通共融的手段，加快推動“數(shù)字采礦”。數(shù)字孿生技術(shù)作為企業(yè)數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型的重要抓手，已成為工業(yè)界和學術(shù)界的重要研究熱點。

數(shù)字孿生的概念最初是2003 年由M.Grieves 教授在他的產(chǎn)品全生命課程上提出[1]，2011 年美國宇航局在航空器的健康維護工作中應(yīng)用了數(shù)字孿生[2-3]。數(shù)字孿生技術(shù)利用數(shù)字模型、傳感器監(jiān)測等數(shù)據(jù)，在數(shù)字空間中完成實時運行數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)的映射，準確地對應(yīng)物理實體的全生命周期過程。除了工業(yè)制造外，數(shù)字孿生和5G、智能煤礦也有非常密切的關(guān)系。綜采工作面、掘進工作面是煤礦生產(chǎn)要素最為聚集的工作場所，采掘工作面布滿了各種各樣的傳感器、攝像頭?；?G 的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和這些終端采集的數(shù)據(jù)以及煤礦地質(zhì)模型、井巷模型、設(shè)備模型等數(shù)據(jù)，構(gòu)建采掘工作面數(shù)字孿生體，有利于高效地管理煤礦生產(chǎn)。翟曉毅等[4]采用3d Max 建模軟件和OSG(Open Scene Graph)引擎開發(fā)了綜采工作面虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)；葛世榮等[5]構(gòu)建了數(shù)字孿生智采工作面系統(tǒng)的整體框架，給出了數(shù)字孿生智采工作面系統(tǒng)的整體應(yīng)用體系結(jié)構(gòu)；丁恩杰等[6]分析論述了以數(shù)字孿生為核心的智慧礦山關(guān)鍵技術(shù)；閆莎莎等[7]提出了基于Unity3D 綜掘工藝虛擬仿真系統(tǒng)實現(xiàn)方法；張旭輝等[8]提出煤礦虛擬工作面構(gòu)建與采掘設(shè)備操控技術(shù)構(gòu)架。煤礦生產(chǎn)是一個“人機環(huán)管”(人員、機器、環(huán)境(地質(zhì))、管理)高效協(xié)同的過程，前人研究工作主要偏重設(shè)備層面的數(shù)字孿生，對地質(zhì)條件在煤礦生產(chǎn)中的支撐作用缺少研究。

數(shù)字化模型是數(shù)字孿生的基礎(chǔ)，三維地質(zhì)建模作為地質(zhì)數(shù)據(jù)數(shù)字孿生的基礎(chǔ)數(shù)字模型，隨著煤礦智能化建設(shè)的推進和發(fā)展，重要性也日漸突出[9]。1994 年，加拿大學者S.W.Houlding[10]提出了三維地質(zhì)建模概念，詳細地論述了實現(xiàn)三維地質(zhì)模型的基本方法，為三維地質(zhì)建模理論和方法奠定了基礎(chǔ)。從20 世紀90 年代開始，國內(nèi)三維地質(zhì)模型的研究成為熱點。隨著煤礦智能化建設(shè)的發(fā)展，近幾年很多學者對采掘工作面地質(zhì)建模進行了深入研究。孫振明等[11]提出了基于地測模型的煤礦回采工作面三維地質(zhì)空間分析方法；趙毅鑫等[12]基于GIS(Geographic Information Science)平臺的空間剖面和包絡(luò)面層面混合建模方法，構(gòu)建了初采時工作面的三維地質(zhì)精細化數(shù)值模型；潘濤等[13]對待開采區(qū)域通過鉆探得到鉆孔數(shù)據(jù)，建立三維GIS采煤模型；周帥等[14]利用Unity3d 中的地形編輯器構(gòu)建了地形起伏程度可調(diào)整的工作面模型；程建遠等[15-16]提出了綜合運用鉆探、物探、采掘揭露測量等多種地質(zhì)信息，逐級動態(tài)構(gòu)建采煤工作面三維地質(zhì)模型的思路；李忠輝等[17]利用3DMax 軟件建立了煤巷掘進突出危險性可視化評價三維模型，實現(xiàn)預測結(jié)果的可視化顯示；張小燕等[18]利用Three.js 和Catmull-Rom 樣條曲線實現(xiàn)采煤工作面三維可視化模型；李鵬等[19]采用多級多屬性三維動態(tài)地質(zhì)模型構(gòu)建技術(shù)，建立了回采工作面煤層模型；楊俊哲等[20]將掘進巷道墻體、頂?shù)装宓炔煌瑢ο筮M行點云分割和重建，基于UE(Unreal Engine)引擎進行可視化。上述三維地質(zhì)建模的研究主要以構(gòu)建靜態(tài)地質(zhì)模型為主，難以反映采掘擾動過程中地質(zhì)條件的動態(tài)變化，數(shù)字孿生技術(shù)與三維地質(zhì)建模技術(shù)的融合為反映地質(zhì)條件的動態(tài)變化提供了有效的技術(shù)手段。

針對以往采掘工作面地質(zhì)建模主要側(cè)重于靜態(tài)地質(zhì)建模、無法真實反映采掘擾動過程中地質(zhì)變化以及在煤礦數(shù)字孿生中地質(zhì)信息耦合少等問題，本文提出煤礦采掘地質(zhì)信息數(shù)字孿生(Mining and Heading Faces Digital Twin System,MH-DTS)的概念，以構(gòu)建的采掘工作面三維地質(zhì)模型為基礎(chǔ)載體，通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)接入采掘工作面監(jiān)測數(shù)據(jù)，利用數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建采掘工作面數(shù)字孿生模型，動態(tài)反映采掘擾動過程中的地質(zhì)變化和對人員、設(shè)備的影響，為煤礦生產(chǎn)、災(zāi)害預測提供數(shù)據(jù)和手段。

1 采掘工作面地質(zhì)信息數(shù)字孿生概念與實現(xiàn)

1.1 工作面地質(zhì)信息數(shù)字孿生概念

1.1.1 地質(zhì)信息數(shù)字孿生概念及組成

煤礦采掘工作面環(huán)境惡劣、生產(chǎn)系統(tǒng)龐大、生產(chǎn)工藝復雜。針對這個問題，學者們進行了數(shù)字孿生智采工作面[21-23]、數(shù)字孿生的綜掘巷道工藝[24-25]、數(shù)字孿生的瓦斯事故安全管理[26]等方面的研究，但是沒有深入研究地質(zhì)條件與煤礦采掘生產(chǎn)場景的融合。MHDTS 基于煤礦三維地質(zhì)建模技術(shù)構(gòu)建采掘工作面地質(zhì)模型，接入隨采地震探測、隨掘地震探測、微震監(jiān)測、電阻率監(jiān)測等數(shù)據(jù)，實現(xiàn)煤礦采掘工作面地質(zhì)信息數(shù)字孿生，通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)接入采掘生產(chǎn)、設(shè)備數(shù)據(jù)，形成包含“人-機-環(huán)”的數(shù)字孿生體。

MH-DTS 是在新一代信息技術(shù)和地球物理勘探技術(shù)驅(qū)動下，通過物理地質(zhì)情況與虛擬地質(zhì)模型的雙向真實映射與實時交互，實現(xiàn)地質(zhì)情況、地質(zhì)模型、地質(zhì)孿生系統(tǒng)之間的全要素、全變化數(shù)據(jù)的集成和融合，在地質(zhì)模型孿生數(shù)據(jù)的驅(qū)動下，實現(xiàn)地質(zhì)變化、生產(chǎn)影響、安全影響等在真實地質(zhì)、地質(zhì)模型、數(shù)字孿生系統(tǒng)間的迭代運行，從而在滿足特定目標和約束的前提下，達到采掘生產(chǎn)和地質(zhì)變化最優(yōu)化管控的一種生產(chǎn)運行新模式。數(shù)字孿生的成熟度等級一般分為“數(shù)字化”“虛實互動”“先知”“先覺”“共智”5 個階段。MH-DTS 目前部分進入了“先覺”階段。MH-DTS 主要由物理地質(zhì)實體、虛擬地質(zhì)模型、系統(tǒng)服務(wù)、孿生數(shù)據(jù)四部分組成(圖1)。

圖1 地質(zhì)信息數(shù)字孿生組成Fig.1 Digital twin of geological information

1.1.2 煤礦地質(zhì)信息數(shù)字孿生的技術(shù)架構(gòu)

根據(jù)數(shù)字孿生程度，分為組件、資產(chǎn)、系統(tǒng)和流程等不同的等級。

(1)組件孿生。數(shù)字孿生最基本最小化的功能組件單元。

(2)資產(chǎn)孿生。當多個組件協(xié)同工作時形成資產(chǎn)孿生，形成后產(chǎn)生大量可以處理的運行數(shù)據(jù)，可用于產(chǎn)生分析指導用的見解。

(3)系統(tǒng)孿生。能夠看到不同的資產(chǎn)如何組合在一起形成一個完整的功能系統(tǒng)。系統(tǒng)孿生提供有關(guān)資產(chǎn)交互的可見性，并可能提供建議實現(xiàn)性能增強。

(4)過程孿生。創(chuàng)建一個完整的生產(chǎn)設(shè)施過程中揭示了系統(tǒng)如何一起工作，可幫助決策者確定各種有效的方案。

根據(jù)數(shù)字孿生的層次，煤礦數(shù)字孿生的等級可劃分為4 層。煤層、地質(zhì)構(gòu)造、采煤機、液壓支架、掘進機等單體的孿生屬于組件孿生；采煤機、液壓支架、刮板運輸機或者掘進機、轉(zhuǎn)載機、膠帶機的等組件孿生體協(xié)同工作時，各組件之間開始產(chǎn)生聯(lián)系，升級為資產(chǎn)孿生；當人員操作設(shè)備進行采掘生產(chǎn)時的數(shù)字孿生升級為系統(tǒng)孿生；綜采工作面、掘進工作面、財務(wù)管理、人事管理等協(xié)同運行，組成整個煤礦生產(chǎn)運營的數(shù)字孿生時就達到了過程孿生的階段。

從組件孿生、資產(chǎn)孿生、系統(tǒng)孿生到過程孿生，三維地質(zhì)模型都有重要的作用，其中采掘地質(zhì)模型孿生的載體是三維地質(zhì)模型，三維地質(zhì)模型作為載體加入井巷系統(tǒng)、綜采設(shè)備、掘進設(shè)備、人員定位信息便構(gòu)成了煤礦最重要采掘場景的數(shù)字孿生(圖2)。

圖2 基于采掘地質(zhì)模型的數(shù)字孿生技術(shù)架構(gòu)Fig.2 Digital twin technology framework based on mining geological model

圖2 以煤礦采掘地質(zhì)模型為基礎(chǔ)，基于二三維地理信息，通過空間參考坐標系歸一化將BIM(Building Information Modeling)建筑井巷模型、采掘裝備模型進行坐標配準和空間集成，使用IOT(Internet of Things)網(wǎng)關(guān)接入實時數(shù)據(jù)并存儲和分析，對模型進行綁點處理，搭建微服務(wù)框架[27]的開放平臺、API(Application Programming Interface)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動的煤礦數(shù)字孿生賦能平臺，進行用戶端的三維數(shù)據(jù)化可視化展示、采掘生產(chǎn)協(xié)同、地質(zhì)災(zāi)害預警及業(yè)務(wù)應(yīng)用，實現(xiàn)煤礦物理世界“人-機-環(huán)”的全過程流轉(zhuǎn)、整合、分析及應(yīng)用。

煤礦地質(zhì)信息的數(shù)字孿生是采掘工作面數(shù)字孿生的基礎(chǔ)，其數(shù)字孿生過程為：使用地質(zhì)、水文地質(zhì)、鉆探、物探、井巷揭露等數(shù)據(jù)構(gòu)建采掘工作面幾何及屬性模型，接入采掘工作面的微震、隨采、隨掘等地質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)，將采掘擾動下工作面內(nèi)部的地質(zhì)變化狀態(tài)動態(tài)映射到三維地質(zhì)模型中(圖3)，通過在孿生模型中對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行實時反演，預測地質(zhì)異常的改變對生產(chǎn)的影響，實現(xiàn)對采掘活動的智能決策、智能干預。

圖3 唐家會某回采工作面數(shù)字孿生模型示例Fig.3 Digital twin of geological information of a working face in Tang Jiahui

對于斷層、陷落柱等影響煤礦生產(chǎn)的地質(zhì)異常體預測與判斷的數(shù)據(jù)來源主要有兩個方面：一方面是靜態(tài)探測數(shù)據(jù)，包含地面三維地震解釋的斷層信息、疑似陷落柱信息，工作面槽波勘探解釋的煤層內(nèi)部斷層、陷落柱信息，音頻電透視解釋的底板不同深度的富水異常區(qū)信息等；另外一方面主要來源于微震監(jiān)測解釋的煤層頂?shù)装迤屏研畔?，隨采隨掘地震反演的掘進或回采前方的異常構(gòu)造信息，電阻率監(jiān)測系統(tǒng)反演的富水異常區(qū)信息等。通過以上數(shù)據(jù)基于礦井GIS 緩沖區(qū)分析技術(shù)進行影響范圍、距離的預警。

1.2 煤礦三維地質(zhì)數(shù)字模型構(gòu)建

煤礦三維地質(zhì)建模以鉆孔、剖面、地形圖、地質(zhì)圖、物探數(shù)據(jù)等為基礎(chǔ)，建立能夠反映地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)及地質(zhì)體內(nèi)部屬性變化的數(shù)字化模型，并以虛擬的形式展現(xiàn)真實的地質(zhì)場景[28]。MH-DTS 使用煤礦三維地質(zhì)建模技術(shù)構(gòu)建包含地質(zhì)體幾何外形和屬性數(shù)據(jù)的數(shù)字仿真體，通過煤礦IOT 技術(shù)接入地質(zhì)信息實時監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)，反映采掘擾動下地質(zhì)變化的一種方法。三維地質(zhì)模型的構(gòu)建是MH-DTS 的重要基礎(chǔ)。

1.2.1 煤礦三維地質(zhì)動態(tài)建模技術(shù)

針對煤礦智能化建設(shè)中提出的使用多源數(shù)據(jù)建模、滿足動態(tài)更新的要求，本文提出采用離散光滑插值(Discrete Smooth Interpolation，DSI)算法結(jié)合精準鉆探測量數(shù)據(jù)及地震動態(tài)解釋層位、構(gòu)造數(shù)據(jù)、物探數(shù)據(jù)依據(jù)權(quán)重因子建模的思路，DSI 插值結(jié)合約束方法可以對模型進行局部插值和更新解決動態(tài)建模問題，采用的主要技術(shù)為：

1)地震動態(tài)解釋技術(shù)

地震動態(tài)解釋技術(shù)是利用采掘生產(chǎn)過程中不斷揭露的煤層(地層)測量數(shù)據(jù)構(gòu)建速度場，對地震數(shù)據(jù)進行多次時深轉(zhuǎn)換，逐漸增加地層和構(gòu)造解釋精度的過程。主要的轉(zhuǎn)換過程可依據(jù)以下時深轉(zhuǎn)換公式[29]：

式中：H為解釋基準面高程，m；(i,j)為揭露點坐標；v(i,j) 為 測量揭露點的平均速度；t(i,j)為揭露點反射波雙程旅行時間,ms；Hb(i,j)為目標層底板高程，m。

2)離散光滑插值(DSI)

DSI 是將地質(zhì)界面視為離散化的不連續(xù)界面，以鉆孔數(shù)據(jù)、井巷揭露點等作為約束條件求解目標函數(shù)-全局粗糙度函數(shù)的最優(yōu)解從而得到最優(yōu)化地質(zhì)界面的過程。

定義目標函數(shù)：

式中：R(φ)為 全局粗糙度函數(shù)；ρ(φ)為線性約束違反度函數(shù)；φ為地質(zhì)網(wǎng)格節(jié)點集合 Ω上的某種或幾種函數(shù)(可以是坐標，也可以是電阻率等某個物理性質(zhì))；μ(k)是 節(jié)點上的權(quán)系數(shù)；vα(k)為 節(jié)點k的鄰域內(nèi)節(jié)點α上的權(quán)系數(shù)；為給定正數(shù)；i表示第i個 約束；Ai(α)與bi(α)為 線性約束時的給定常數(shù)。當函數(shù)φ在地質(zhì)網(wǎng)格節(jié)點上的某些值為已知時，與這些節(jié)點相鄰的其他節(jié)點上的φ值可以由已知節(jié)點的φ值估計出來。

Mallet 提出了一種迭代求解方法[30]，對φ(α)求一階偏導，令其為零，可導出φ(α)的方程：

式(2)是關(guān)于φ(α),α∈N(k)的迭代方程式，可用迭代方法求解。

根據(jù)實際約束情況可以得到不同條件下的約束系數(shù)，進而通過上述公式迭代求解最優(yōu)化的φ值，最終擬合得到符合約束條件的幾何模型。由于DSI 方法考慮了節(jié)點與鄰域節(jié)點之間的關(guān)系，因此，可以較好地擬合非連續(xù)性幾何模型(比如地質(zhì)上的斷層上下兩盤)。

3)約束方法

鉆探、井巷揭露等獲得的已知信息是硬約束，如地質(zhì)點的位置、產(chǎn)狀、測量數(shù)據(jù)，建模時需要盡可能100%與已知結(jié)果一致。約束與光滑擬合算法只能在離散型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)下發(fā)揮作用，實現(xiàn)對任意復雜地質(zhì)體的“正向建模”。正向建模僅依賴已知數(shù)據(jù)(勘探、物探資料)，不依賴中間成果(輔助剖面等)、也不是已知結(jié)果后的復制(倒模)；可以保證勘探點部位100%建模精度，勘探點之間趨勢合理；根據(jù)更新的地質(zhì)資料對模型進行動態(tài)修正，這對于利用最新揭露數(shù)據(jù)修正前期創(chuàng)建的模型具有重要意義。

(1)采用模糊控制點約束實現(xiàn)地質(zhì)面擬合

如圖4 所示，假定T(φ(α0),φ(α1),φ(α2))是三角網(wǎng)格面，模糊控制點約束為通過使交點P與給定點K一致來構(gòu)造曲面S，對于三維坐標中的任一維t={x,y,z}，這種約束可以表示為：

圖4 模糊控制約束Fig.4 The constraints of fuzzy control constraint points

式中：(u,v,w)為P的坐標組合系數(shù)。根據(jù)數(shù)學推導，可以得出DSI 方程三維形式中的系數(shù) Γit(α)和γit(α)分別為：

(2)加權(quán)平均法和模糊向量約束

為擬合多種物探解譯反映的地質(zhì)面產(chǎn)狀，模糊控制點約束則用來擬合鉆探的界面標志。具體過程如下。

地層界面S上，P(s)為鉆孔揭露該地層的點集，采用第i個物探結(jié)果構(gòu)建的地質(zhì)面模型為Si，對應(yīng)權(quán)重為求解S=Ω(P(s),Si)；假設(shè)網(wǎng)格面G(s)需要與物探參考面G(s1),G(s2),···,G(sn)平行或者形狀相似：

第一步，選擇一個與物探參考面G(si)近似垂直的方向D。

第二步，對G(s)上 每一個節(jié)點p(α) 可得到沿著D方向通過節(jié)點的直線L(p,D)，求出該直線與其他物探參考面的交點、法向向量ni，根據(jù)Fi計 算對應(yīng)節(jié)點p(α)的法向向量

第三步，對G(s)上每一個節(jié)點應(yīng)用模糊法向量約束，對鉆孔約束點采用控制點約束。

如圖5 所示，通過DSI 迭代計算，最終可以得到鉆探和物探綜合解釋地質(zhì)面。

圖5 模糊向量約束后迭代計算得到地質(zhì)面的綜合模型Fig.5 The comprehensive model of geological surface obtained by iterative calculation after fuzzy vector constraint

1.2.2 三維地質(zhì)建模軟件開發(fā)

由于地質(zhì)條件的復雜性，三維地質(zhì)模型往往需要對大量點、線和面等幾何元素加以顯示，并對這些元素集進行有效操作?；谌S地質(zhì)圖形庫和DSI 插值及約束技術(shù)，以O(shè)penGL 作為開發(fā)底層，本文采用混合固定管線技術(shù)和可編程顯示技術(shù)，采用四層系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計并開發(fā)了煤礦三維地質(zhì)建模軟件(圖6)，使用軟件構(gòu)建采掘工作面地質(zhì)模型。

圖6 煤礦三維地質(zhì)建模軟件系統(tǒng)架構(gòu)Fig.6 System architecture of 3D geological modeling software for coal mine

圖形顯示和操作層是對數(shù)據(jù)層的地質(zhì)對象進行顯示和操作，其中包括了數(shù)據(jù)的云圖顯示、材質(zhì)貼圖、區(qū)域顯示和隱藏，以及各種幾何屬性顯示，具體操作包括視圖操作、CAD 操作，以及核心DSI 計算操作等。

數(shù)據(jù)層是軟件的核心，包含點集、線集、面集、鉆孔、立方網(wǎng)、地質(zhì)體6 種地質(zhì)對象，使用C#封裝OpenGL 的GL_POINTS(畫 點)、GL_LINES(畫 線)、GL_LINE_STRIP(畫線)、GL_TRIANGLES(填充三角形)等函數(shù)實現(xiàn)點、線、三角網(wǎng)格等繪制。點集表示基本的地質(zhì)點，每種類型代表不同的地質(zhì)含義，如地層點、斷裂點、地災(zāi)點等，而地層點則包含代號、時代等基本地質(zhì)屬性，斷裂點則包含斷裂類型(斷層、錯動帶)，對于斷層則包含代號、性質(zhì)、斷距等屬性；線集表示剖面上或出露的地質(zhì)界線與地層界線，亦具有地質(zhì)意義的產(chǎn)狀要素；面集是面的集合體，用來表示三維地質(zhì)界線與地層界線，可以是單一的面，也可以是多個面，每個面由一系列三角形連接組成，三角形的角點成為面的節(jié)點，三角形也簡稱為單元或網(wǎng)格；鉆孔對象主要用于表示鉆孔，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上包含地層標記、沿勘探線的勘探數(shù)據(jù)等；立方網(wǎng)是針對空間數(shù)據(jù)分析和屬性建模創(chuàng)建的地質(zhì)對象，由空間一定范圍的大量規(guī)則小立方體構(gòu)成，空間數(shù)據(jù)儲存在小立方網(wǎng)中心，代表該小立方體空間范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)平均值，立方網(wǎng)繼承了基本圖形顯示和操作接口，因此，可以在立方網(wǎng)上進行常規(guī)的DSI插值計算；地質(zhì)體指完全封閉曲面包圍的范圍，是針對近水平具有尖滅體的地層建模設(shè)計的一類地質(zhì)對象，有助于模型應(yīng)用(比如開挖計算、數(shù)值計算模型轉(zhuǎn)換等)。

管理層是對核心數(shù)據(jù)層進行圖形界面(GUI,Graphical User Interface)管理，包括管理地質(zhì)對象的對象樹、主菜單和工具條、狀態(tài)進度條(全局靜態(tài)函數(shù)提供)、輸出窗口(用來輸出提示信息或運行結(jié)果信息)和屬性窗口(用來觀察和改變地質(zhì)對象屬性)等。

應(yīng)用層是利用插件對建模軟件進行擴展。插件只需要實現(xiàn)提供的IPlugin 接口即可。IPlugin 接口采用C#開發(fā)實現(xiàn)，定義了插件接口并編譯為DLL(Dynamic Link Library)文件，實現(xiàn)了在指定目錄下尋找DLL插件動態(tài)鏈接庫，利用反射構(gòu)造DLL 文件的實例，在主程序中進行使用的功能。根據(jù)實際應(yīng)用需要，基于提供的基本地質(zhì)對象、圖形顯示和操作算法等可以開發(fā)各種應(yīng)用插件，比如提供的二維出圖、地質(zhì)數(shù)據(jù)庫、三維地質(zhì)數(shù)據(jù)插值算法等功能模塊。

模型的構(gòu)建過程(圖7)如下：

圖7 唐家會煤礦三維地質(zhì)模型構(gòu)建Fig.7 Construction of three-dimensional model of Tang Jiahui coal mine

(1)使用地震動態(tài)解釋技術(shù)實現(xiàn)煤層底板、斷層的解釋，并導出底板、斷層數(shù)據(jù)。

(2)建模軟件使用解釋數(shù)據(jù)、礦區(qū)邊界構(gòu)建斷層模型，定義錯動方向并輸入斷距大小，軟件可使用模糊定義斷距(推測的斷距范圍最小值和最大值)或者精確定義斷距(輸入多個已知斷距點及其精確斷距)，之后軟件采用迭代計算重新定義斷層附近的斷層網(wǎng)格關(guān)系。

(3)將鉆孔數(shù)據(jù)作為約束條件，使用DSI 插值算法和不規(guī)則三角網(wǎng)構(gòu)建其他地層，對相鄰地層實現(xiàn)封邊操作，形成實體地質(zhì)模型。

1.3 掘進工作面數(shù)字孿生地質(zhì)模型

以三維地震解釋的層位、構(gòu)造數(shù)據(jù)構(gòu)建地層建?？蚣?，以直流電法超前探測、孔中物探、井巷測量、鉆探工程等為基礎(chǔ)，通過歸一化處理和坐標轉(zhuǎn)換后，利用離散光滑插值算法和地質(zhì)網(wǎng)格化技術(shù)，對幾何地層、構(gòu)造參數(shù)進行插值成面，形成包含煤層、頂?shù)装?、含水層、?gòu)造的幾何模型；使用地質(zhì)屬性參數(shù)和災(zāi)害監(jiān)測參數(shù)，利用地質(zhì)統(tǒng)計學算法對構(gòu)造幾何模型進行屬性賦值，形成掘進工作面屬性模型；掘進過程中利用最新的掘進揭露控制數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)融合后對原幾何地質(zhì)參數(shù)進行重新插值網(wǎng)格化，更新初始構(gòu)造幾何模型，提高模型精度，最終形成多屬性動態(tài)掘進工作面三維地質(zhì)模型(圖8)。

圖8 掘進地質(zhì)建模Fig.8 Geological modeling of heading face

1.4 回采工作面數(shù)字孿生地質(zhì)模型

基于三維地震層位、構(gòu)造數(shù)據(jù)構(gòu)建模型架構(gòu)，建立工作面的靜態(tài)地質(zhì)幾何框架模型：基于煤層底板等高線圖和煤厚等值線圖，初步建立煤層空間模型；然后基于鉆孔資料得到的工作面頂?shù)装蹇臻g位置信息，修正煤層空間模型；基于上述不同方法解釋的工作面地質(zhì)異常信息和巷道揭露的地質(zhì)異常，綜合分析異常類型及范圍，在煤層空間模型的基礎(chǔ)上對異常地質(zhì)構(gòu)造進行建模；根據(jù)回采過程中的測量、素描數(shù)據(jù)對地震數(shù)據(jù)進行動態(tài)解釋[29]，重新與原幾何模型進行局部插值和網(wǎng)格化，更新初始構(gòu)造幾何模型，形成回采工作面動態(tài)地質(zhì)模型(圖9)；接入采中微震監(jiān)測、隨采地震監(jiān)測、孔中電阻率監(jiān)測的成果，實現(xiàn)回采前方動態(tài)地質(zhì)信息的數(shù)字孿生?；夭傻刭|(zhì)信息數(shù)字孿生體現(xiàn)了工作面的環(huán)境要素，是回采工作面數(shù)字孿生的基礎(chǔ)。

圖9 回采工作面地質(zhì)建模Fig.9 Geological modeling of mining face

2 掘進工作面數(shù)字孿生的應(yīng)用場景

掘進工作面數(shù)字孿生應(yīng)包含人員、掘進裝備、環(huán)境(地質(zhì)信息)的全部要素的數(shù)字孿生(圖10)，其中地質(zhì)模型數(shù)字孿生的主要應(yīng)用包含以下方面。

2.1 掘進場景仿真及掘進規(guī)劃曲線下發(fā)

結(jié)合三維地震動態(tài)解譯數(shù)據(jù)，根據(jù)掘進作業(yè)規(guī)程設(shè)計的巷道層位、開口位置及方位角要求，剖切地質(zhì)模型生成掘進巷道，自動提取巷道中線、斷面數(shù)據(jù)，通過掘進集控系統(tǒng)提供給掘進機，實現(xiàn)“基于地質(zhì)模型的規(guī)劃掘進”：

(1)基于掘進工作面高精度地質(zhì)模型，根據(jù)掘進作業(yè)規(guī)程設(shè)計的巷道層位、開口位置及方位角生成工作面前方一定范圍內(nèi)巷道中線和斷面數(shù)據(jù)(圖10)，并存入數(shù)據(jù)庫。

圖10 基于地質(zhì)模型的掘進工作面數(shù)字孿生Fig.10 Digital twinning of heading face based on geological model

(2)通過掘進機集控系統(tǒng)接口，獲取掘進機上一巷道斷面的實際截割線的絕對坐標。

(3)通過掘進機定位軌跡確定當前位置，剖切巷道設(shè)計地質(zhì)模型，計算得到前方30～50 m 的巷道斷面截割曲線。

(4)通過物聯(lián)網(wǎng)傳輸至掘進工作面集控平臺，結(jié)合掘進機機械約束、掘進機運行數(shù)據(jù)，優(yōu)化掘進機推進路徑，將掘進導線和巷道斷面數(shù)據(jù)推送到掘進機集控平臺。

通過實時獲取的掘進設(shè)備數(shù)據(jù)，實現(xiàn)與掘進工作面三維可視化模型的交互融合技術(shù)，通過對掘進工作面主要設(shè)備的實時數(shù)據(jù)采集和掘進工藝腳本設(shè)計，可以直觀地將透明掘進工作面規(guī)劃截割模型和掘進機位置、速度等姿態(tài)動作信息展示出來，從而實現(xiàn)掘進設(shè)備智能感知、設(shè)備定位及掘進過程中掘進機、支護、運輸機的協(xié)同掘進及展示功能，實現(xiàn)掘進工作面數(shù)字孿生。

2.2 掘進工藝模擬及地質(zhì)預測預報

1)掘進工藝模擬將斷層的數(shù)字孿生模型構(gòu)建后，可在掘進工作面數(shù)字孿生中模擬規(guī)劃掘進工作面通過斷層的措施。掘進工作面通過正斷層措施主要是：由上盤進入下盤時，直接破底或退后挑頂，上山掘進通過，直至進入煤層；由下盤進入上盤時，直接破頂或退后起底，下山掘進通過，直至進入煤層。掘進工作面通過逆斷層措施主要是：由上盤進入下盤，直接破頂或者再退后隨底，下山掘進通過，直至進入煤層(圖11)；由下盤進入上盤時直接通過或破頂通過，并沿一定坡度破底板上山掘進，直至進入煤層。

圖11 掘進過斷層模擬Fig.11 Simulation of driving roadway passing through fault

掘進工作面地質(zhì)模型數(shù)字孿生可輔助解決掘進遇陷落柱的工藝判斷。當?shù)V井主要開拓巷道、采區(qū)采面運輸巷道掘進遇陷落柱時，一般采取按照設(shè)計施工，在保證安全生產(chǎn)(特別是防止水害、瓦斯災(zāi)害)的前提下直接掘進穿過陷落柱；回風巷掘進遇到陷落柱，一般采取繞過的方法。

2)掘進地質(zhì)預測預報

掘進工作面地質(zhì)信息數(shù)字孿生能夠集成長距離定向鉆、孔中物探結(jié)果，直觀顯示掘進前方地質(zhì)異常，實時顯示隨掘地震監(jiān)測信息，不斷提高掘進前方探測精度，通過數(shù)字孿生，可以直觀看到回采工作面前方地質(zhì)構(gòu)造與當前采煤面的空間關(guān)系，提供地質(zhì)異常距離預警提高掘進安全和速度[31-32]。

2.3 掘進巷道支護設(shè)計三維參數(shù)計算

隨著煤礦開采深度的不斷增加，巷道圍巖受到應(yīng)力的影響變得越來越明顯?；诿旱V掘進工作面地質(zhì)模型，進一步增加圍巖取樣試驗、結(jié)構(gòu)面編錄、鉆孔巖心編錄數(shù)據(jù)，采用以往經(jīng)驗和圍巖穩(wěn)定型分類的工程類比法對掘進巷道圍巖進行巖體質(zhì)量分級，將模型導出進行數(shù)值計算，之后將計算結(jié)果作為力學屬性給掘進巷道模型賦值，提出巷道初期支護建議(圖12)。

圖12 基于三維地質(zhì)力學屬性模型的支護設(shè)計Fig.12 Support design based on 3D geomechanical attribute model

3 回采工作面數(shù)字孿生的應(yīng)用場景

回采工作面主要設(shè)備包含采煤機、液壓支架、刮板運輸機等。回采工作面的數(shù)字孿生一般以三維地質(zhì)模型為基礎(chǔ)，加入井巷模型、采煤機等綜采設(shè)備模型、人員模型進行坐標配準，接入地質(zhì)監(jiān)測信息、設(shè)備運行信息、人員定位信息，實現(xiàn)回采工作面“人-機-環(huán)”的數(shù)字孿生。三維地質(zhì)建模作為回采工作面數(shù)字孿生的基本載體，其發(fā)揮的作用主要有以下幾個方面。

3.1 回采場景仿真及采煤機截割曲線

在構(gòu)建的地質(zhì)模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合工作面實際揭露資料，通過煤巖層識別成果或交接班地層分界測量數(shù)據(jù)、三維地震動態(tài)解譯數(shù)據(jù)，動態(tài)修正三維地質(zhì)模型，自動剖切地質(zhì)模型生成采煤機截割曲線、俯仰采基線，實現(xiàn)“基于地質(zhì)模型的規(guī)劃截割”(圖13)。

圖13 規(guī)劃截割曲線及下發(fā)Fig.13 Planned cutting curve and distribution

(1)利用工作面高精度地質(zhì)模型，生成工作面前方一定范圍內(nèi)頂?shù)装寰W(wǎng)格數(shù)據(jù)，并存入數(shù)據(jù)庫。

(2)通過采煤機集控系統(tǒng)接口，獲取采煤機上一刀割煤的頂?shù)撞繉嶋H截割線的絕對坐標。

(3)通過采煤機定位軌跡確定工作面當前位置，剖切工作面地質(zhì)模型，計算得到未來10～15 刀的煤層頂?shù)装褰馗钋€。

(4)通過數(shù)據(jù)庫傳輸至回采工作面集控平臺，結(jié)合采煤機機械約束、采煤機運行數(shù)據(jù)優(yōu)化采煤機推進路徑，獲得每刀滾筒調(diào)整值與割煤基線推送到采煤機集控平臺。

通過實時獲取的設(shè)備開采數(shù)據(jù)，實現(xiàn)與回采工作面三維可視化模型的交互融合技術(shù)，通過對綜采工作面主要設(shè)備實時數(shù)據(jù)采集和開采工藝腳本設(shè)計，可以直觀地將透明回采工作面規(guī)劃截割模型和采煤機位置、速度、牽引方向，以及全部支架的姿態(tài)動作信息展示出來，從而實現(xiàn)綜采設(shè)備智能感知、設(shè)備定位及采煤過程中采煤機、液壓支架、運輸三機的協(xié)同開采及展示功能，實現(xiàn)數(shù)字孿生的透明可視化模型與工作面精準控制協(xié)同開采。

在基于地質(zhì)模型的開采數(shù)據(jù)模型基礎(chǔ)上，提取頂?shù)装甯叨?，結(jié)合工作面雷達、慣導數(shù)據(jù)所實時反饋的采高臥底位置，同時結(jié)合開采數(shù)據(jù)及輔助校準(慣導、雷達的精準測量系統(tǒng))建立數(shù)據(jù)樣本庫，并根據(jù)設(shè)備姿態(tài)及輔助測量數(shù)據(jù)對透明地質(zhì)模型進行優(yōu)化修正。

3.2 回采開采工藝模擬及地質(zhì)預測預報

1)回采過斷層、陷落柱模擬

煤礦生產(chǎn)過程中常見的地質(zhì)異常體包括斷層、陷落柱等。斷層會造成煤層的不連續(xù)，斷層面附近頂板破碎，容易出現(xiàn)離層和冒頂；支護方式的改變會降低回采的效率，有時需要放炮通過或者炮采，人工支護；出矸量增多，煤質(zhì)變差；斷層易形成導水通道、瓦斯通道，使涌水量和瓦斯量增大，給回采安全帶來負面影響。在回采工作面實現(xiàn)斷層的數(shù)字孿生，可以基于斷層地質(zhì)模型提前規(guī)劃通過斷層的措施，采用直接破底或者破頂?shù)姆绞剑S兩盤煤層回采，直觀模擬綜采設(shè)備過斷層過程(圖14)。

圖14 模擬規(guī)劃過斷層及地質(zhì)預測預報Fig.14 Simulated planned fault crossing

回采工作面中如果存在探明的陷落柱，可以構(gòu)建陷落柱三維模型，在回采工作面進行數(shù)字孿生，可使工作人員直觀地根據(jù)陷落柱的發(fā)育情況和分布規(guī)律選擇合理的采煤方法。圖15 左下角的陷落柱位于運輸巷與切眼交會處，采用開斜切眼，回采時擺尾式開采，將工作面調(diào)整到正常位置。對工作面中部的陷落柱，如果面積不大，采用強行硬割的辦法通過陷落柱；如果陷落柱面積較大，則需要預先開掘新切眼，當工作面推進到陷落柱左側(cè)時，倒面搬家，跳過陷落柱繼續(xù)回采。當陷落柱位于回風巷附近時，采用縮短工作面長度的辦法避開陷落柱。

圖15 回采工作面處理陷落柱Fig.15 Treatment of collapse column in mining face

2)回采工作面地質(zhì)預測預報

通過微震監(jiān)測實時預警底板破壞深度和頂板裂隙發(fā)育高度，與電阻率實時監(jiān)測的富水異常區(qū)疊加分析以反映到回采工作面數(shù)字孿生模型，實現(xiàn)動力地質(zhì)災(zāi)害的初步預警；通過隨采地震[33]實時采集采煤機振動信號，分析工作面內(nèi)部地質(zhì)異常和應(yīng)力變化，提高采煤工作面安全性。

4 結(jié) 論

a.煤礦地質(zhì)信息數(shù)字孿生以三維地質(zhì)模型為主要載體。本文采用離散光滑插值(DSI)算法結(jié)合精準鉆探測量數(shù)據(jù)及地震解釋層位，構(gòu)造數(shù)據(jù)建模；根據(jù)不同物探方法解譯得到物探模型以及勘探數(shù)據(jù)建立的參考模型，建立DSI 平行相似約束后迭代計算得到地質(zhì)面的綜合模型，為采掘生產(chǎn)數(shù)字孿生提供地質(zhì)信息孿生基礎(chǔ)。

b.煤礦采掘工作面地質(zhì)模型數(shù)字孿生主要為復雜地質(zhì)條件下的地質(zhì)保障提供技術(shù)手段。采掘工作面地質(zhì)信息數(shù)字孿生基于三維地震動態(tài)解釋、離散光滑插值、鉆探物探綜合解釋等技術(shù)，融入地質(zhì)專家經(jīng)驗構(gòu)建三維可視化地質(zhì)模型，突出煤層、采空區(qū)、地質(zhì)異常構(gòu)造、生產(chǎn)場景的空間分布特征，反映采掘擾動下的地質(zhì)變化；為煤礦掘進生產(chǎn)提供基于地質(zhì)模型的場景仿真和掘進巷道規(guī)劃斷面曲線下發(fā)，指導掘進機自主掘進，提供掘進前方地質(zhì)異常距離預警，保障掘進地質(zhì)安全；為回采工作面提供基于地質(zhì)模型的場景仿真和規(guī)劃截割曲線，指導采煤機自主規(guī)劃截割，提供回采前方地質(zhì)異常構(gòu)造位置、應(yīng)力集中區(qū)位置距離預警，提高回采工作的安全性。該技術(shù)在唐家會煤礦進行了應(yīng)用，為安全、高效采掘工作提供地質(zhì)保障。

c.本文對地質(zhì)信息的數(shù)字孿生進行了初步研究，下一步研究重點以采掘工作面地質(zhì)模型為載體，接入水文監(jiān)測、火區(qū)監(jiān)測、瓦斯監(jiān)測、頂板監(jiān)測、礦壓監(jiān)測、粉塵監(jiān)測、通風系統(tǒng)等環(huán)境數(shù)據(jù)和人員、視頻、設(shè)備三維數(shù)字模型及實時數(shù)據(jù)，形成采掘擾動影響下的綜合三維地質(zhì)信息數(shù)字孿生體，通過大數(shù)據(jù)挖掘分析和人工智能學習，實現(xiàn)災(zāi)害發(fā)生與各災(zāi)害監(jiān)測參數(shù)的關(guān)聯(lián)性自動學習功能，經(jīng)過學習后根據(jù)參數(shù)變化自動提供災(zāi)害預警，通過與智能通風聯(lián)動，實現(xiàn)災(zāi)害聯(lián)動處置。