复杂巷道工程三维可视化建模方法研究及应用

矿󰀁冶󰀁工󰀁程MININGANDMETALLURGICALENGINEERINGVo.l31󰀁1

February2011

复杂巷道工程三维可视化建模方法研究及应用

徐󰀁海,罗周全,刘晓明

(中南大学资源与安全工程学院,湖南长沙410083)

󰀁

摘󰀁要:针对某矿山的具体工程实际,运用Surpac、Dimine等数字化工具,开展了矿山复杂巷道三维可视化建模方法研究,形成了二种有效的巷道三维建模方法,并通过分析、对比不同巷道三维建模方法的优缺点,优化建模参数,提高了巷道三维建模的精度。三维可视化建模方法在某矿山巷道的应用结果表明,所建模型可靠,可辅助矿山进行巷道优化设计和巷道工程施工计划编制等。关键词:三维可视;巷道工程;Surpac;Dimine;三维建模中图分类号:TD672

文献标识码:A

文章编号:0253-6099(2011)01-0019-05

Studyof3DVisualizationModelingMethodsforComplexRoadwayEngineering

andItsApplication

XUHa,iLUOZhou󰀁quan,LIUXiao󰀁ming

(SchoolofResourcesandSafetyEngineering,CentralSouthUniversity,Changsha410083,Hunan,China)Abstract:Inviewofpracticalprojectsinonemine,studieshavebeenundertakenon3Dvisualizationmodelingmethodsforcomplexroadwayengineeringbyusingsoftware,suchasSurpacandDimine,andtwoeffectivevisualizationmodelingmethodswereobtained.Afteranalysisandcomparisonofadvantagesanddisadvantagesof3Dmodelingmethods,theaccuracyofthethree󰀁dimensionalroadwaymodelinghasbeenimprovedbyoptimizingmodelparameters.Theapplicationof3Dvisualizationmodelingmethodsinsomeminingroadwayshowedthatthe3Dmodelestablishedisreliableandhelp󰀁fulforroadwaydesignoptimizationandpreparingengineeringplanning.Keywords:3Dvisualization;roadwayengineering;Surpac;Dimine;3Dmodeling󰀁󰀁矿山巷道三维建模是矿床三维建模的重要内容,也是实现地下巷道的可视化表达、空间分布优化分析及提高矿山生产管理水平的重要手段。实践证明,运用成熟的大型矿山工程设计软件可以实现上述目[1-4]标。Surpac软件是由澳大利亚SSI(SurpacSoft󰀁wareInternationalPtyLtd)公司开发的大型矿山工程设计软件,目前广泛应用于矿山地质勘探、测量、采矿设计等众多领域,取得了良好的应用效果。Dimine是我国迪迈信息科技公司自主研发的专业的矿山应用软件,可应用于地质、勘探、资源估计、储量计算、露天采矿和地下采矿设计中。

根据矿山提供的资料,构建巷道三维模型主要有如下两种方法:󰀁基于巷道中心线和断面的巷道三维建模:提取巷道工程平面图中的巷道边界并以此绘制中心线,根据巷道中心线周围的测点坐标对中心线赋高程值,结合巷道工程设计断面进行巷道三维建模;󰀁基于巷道顶底板表面模型的巷道三维建模:根据巷

󰀁

[8]

[5-7]

道的实测边界线,生成巷道顶板和底板的表面模型,进而建立巷道三维模型。

1󰀁基于巷道中心线和断面的巷道建模方法

由于原始巷道工程平面图中所包含的信息较多,需对巷道平面图进行CAD处理。将关于某中段巷道的信息提取出来(仅提取巷道边界线和测点),保存为新文件。在CAD图中将中段平面图处理好后,导入Surpac中进行第二步处理,这里主要是根据巷道边界线绘制巷道中心线,并在Surpac或CAD中绘制巷道断面。完成后对整个巷道中心线赋高程。最后,根据赋高程后的巷道中心线和巷道断面构建巷道三维模型。基于中心线和巷道断面的巷道三维建模的基本流程见图1。

1.1󰀁巷道中心线处理1.1.1󰀁提取巷道中心线󰀁巷道工程平面图包含了巷道边界、井口标志、巷道的测点顶底板值、采空区边界

收稿日期:2010󰀁09󰀁24

基金项目:󰀁十一五󰀁国家科技支撑计划专题(2007BAK22B04-12);中南大学研究生学位论文创新项目(1960-71131100008)作者简介:徐󰀁海(1986-),男,湖南浏阳人,硕士研究生,主要从事矿床深井开采与安全预警数字化技术的研究。20矿󰀁冶󰀁工󰀁程第31卷

图3󰀁运用Surpac对巷道中心线赋高程生成过程

󰀁(a)巷道中心线与测点实际情况;(b)巷道中心线各点赋高程;󰀁(c)更改线坡度;(d)巷道中心线与实测测点吻合

图1󰀁基于巷道中心线和断面的巷道建模的基本流程

对中段巷道中井筒中心线赋高程需要分开处理,且测点须在巷道中心线上才能确保比较精确。这种方法赋高程效率高,只需对个别地方进行修改,在复杂巷道工程建模中应综合考虑分析运用。采用Dimine对巷道中心线赋高程前后对比如图4所示。

等信息,首先在CAD中提取巷道平面图中的巷道边界

线,导入Surpac中,根据巷道边界线,运用两点间插入中点的功能插入一系列的巷道中心点,将中心点连成线即为巷道中心线。以矿山某中段为例,生成中心线的结果如图2所示。

图2󰀁生成的巷道中心线

为了使巷道模型与实际情况一致,需将巷道中心线根据测点坐标赋高程。

1.1.2󰀁运用Surpac对巷道中心线赋高程󰀁运用Sur󰀁pac对巷道中心线赋高程的方法工作效率低,在复杂巷道工程建模中此问题更为突出,但结果较准确。首先根据测点高程值,修改巷道中心线上相应点的高程,然后采用更改线坡度功能,更改两点间中心线的坡度,逐个进行更改,最后完成整个巷道中心线的赋高程操作,其生成过程如图3所示。

1.1.3󰀁运用Dimine对巷道中心线赋高程󰀁运用Di󰀁mine对巷道中心线赋高程的方法简便快捷,但它对巷道中心线有所要求,一般一次只适用于单个中段巷道,

1.2󰀁巷道断面处理

根据巷道不同的实际情况,绘制不同的巷道断面图,这里采用的巷道断面图为标准三心拱,如图5所示。在CAD中绘制巷道断面,要求巷道断面底线的中心点与原点重合,将文件导入Surpac中,生成线串格式文件(*󰀁str)。

图4󰀁运用Dmiine对巷道中心线赋高程生成过程

(a)赋高程前;(b)赋高程后

第1期徐󰀁海等:复杂巷道工程三维可视化建模方法研究及应用21

图5󰀁巷道三心拱断面

1.3󰀁巷道三维模型构建

利用Surpac中根据中心线和断面对巷道的三维建模功能,选取处理过的巷道中心线(运用Dimine赋高程后的巷道中心线,经格式转换后,导入Surpac中)和断面,生成巷道三维模型,结果如图6所示。

图7󰀁基于顶底板表面模型的巷道建模的基本流程

即对两条线段首末端,小于等于此距离就将两线段首尾相连成一条线段,大于此距离的部分不作处理。对于少量开放线段,可运用Surpac中的󰀁将一线段终点与另一线段起点连接󰀁功能进行闭合。󰀁标准化线段。标准化线段即为重新分配线段上的点,删除过于密集的点,增加过于稀疏的点,使点的分布更为均衡、合理;线段标准化后,进行三维模型构建能使模型更加美观、匀称。软件中标准化分割线段要求输入两个参数a和b,a为两点间的最大距离,b为删除重复点的最小距离。若线段上两点距离大于a,则在两点间增加若干点,使点间距小于等于a;若线上两点距离小于b,则删除若干点,使点间距大于等于b。󰀁清理线段上的跨接、重复点以及聚结点。使用图层清理功能,对线段上的重复点、跨接以及聚结点进行标记、删除和修改。󰀁调整线段方向。根据建模的要求,巷道的外边界和内边界的方向必须相反。

2.2󰀁巷道边界线赋高程

根据测点给巷道边界线赋高程,在矿业软件Di󰀁mine中获得实现。运用Dimine软件的󰀁导线赋高程󰀁功能,先将各巷道测点联结成多段线作为下一步的导线,再利用󰀁导线赋高程󰀁功能,根据提示依次选取导线与巷道边界线,将巷道边界线赋高程,其操作过程如图8所示。2.3󰀁巷道拱的构建

巷道断面是巷道建模中的重要参数,基于生成顶底板表面模型构建的巷道三维模型主要是在巷道断面拱形区域与实际工程巷道存在较大偏差,故需建立巷图6󰀁矿山巷道三维模型示意

2󰀁基于巷道顶底板表面模型的巷道建模方法

󰀁󰀁基于巷道顶底板表面模型的巷道三维建模方法主要步骤为:󰀁巷道工程平面图的CAD处理,与前种方法相同;󰀁提取巷道边界线后对边界线进行优化,包括边界线的闭合处理等;󰀁对巷道边界线赋高程;󰀁构建巷道拱,使模型更接近真实巷道实体;󰀁生成巷道顶底板,巷道两帮,形成巷道三维模型。基于生成顶底板表面模型的巷道三维建模的基本流程如图7所示。2.1󰀁巷道边界线优化

巷道平面图中巷道实测边界线的处理是建模之前的准备工作,线文件处理的好坏直接关系到建模的成败及建模精度。处理工作主要分以下步骤:󰀁对所有线段统一编号,并闭合所有开放线段。在巷道工程平面CAD图中,巷道边界线的绘制并不是完全由单条多段线绘制而成,而是由多条多段线或直线连接而成。此种建模方法要求巷道边界线是一条闭合的多段线,在Surpac中采用线段合并功能,批量闭合巷道边界线中的开放线段,线段闭合功能要求提供一个距离参数,22矿󰀁冶󰀁工󰀁程第31卷

图8󰀁巷道边界赋高程

道拱以减小偏差。为便于表达,把巷道断面分为顶部、底部和两帮3个部分

[9-10]

。在Surpac软件中,为了更

好的模拟三心拱的形状,采用两条并行的扩展线来确定拱的形状,将巷道边界线向内扩展(扩展的距离依据巷道宽度来定)。生成新的线段,并将线段拔高,形成巷道顶板。依此方法建成的模型所形成的断面如图9所示。

图10󰀁巷道底板实体模型生成过程

(a)巷道线文件;(b)生成巷道底板平面模型;(c)切割后巷道底板模型

图11󰀁巷道模型连接

图9󰀁巷道实际断面与巷道模型断面

(a)巷道实际断面;(b)模型断面

3󰀁两种巷道建模方法对比分析

对比分析可知,基于巷道中心线和断面构建的巷道三维模型能准确反映设计工程巷道断面,模型比较规整,中心线的标高严格按照测点标高进行处理,能准确反映巷道的实际位置,但往往与实际边界有偏差。基于生成顶底板表面模型构建的巷道三维模型,由于巷道顶底板边界通过矿山测量人员实际测定,在建模时顶底板标高严格按照测点标高进行处理,生成的模型能准确地表达巷道的实际边界、巷道的三维形态特征,但巷道模型的断面拱形部分与实际断面拱形边界有偏差。两种方法各有利弊,应根据矿山不同工程实际而定。

2.4󰀁巷道三维模型构建

1)巷道顶底板的构建。所有线文件处理完后,需要把线变成面,再把面联结成体

[11-12]

,以建立巷道的

三维模型。以构建矿山某中段巷道底板面为例,处理好了的线文件在Surpac中运用󰀁在当前层生成DTM󰀁可以直接生成面,在Surpac中运用󰀁用线剪切DTM󰀁将面中巷道的所在部分切割出来,得到巷道底板面,如图10所示。

2)巷道两帮的构建。将巷道底板与顶板两个面剪切出来后,放入同一个文件,运用Surpac的󰀁段间联三角网󰀁功能,构建巷道两帮,结果如图11所示。完成巷道两帮构建后即形成了巷道三维模型。在巷道顶板和底板的联结过程中,一般将联结的部分单独设置体号,以修正建模过程中可能出现的错误。而在联结完成以后并确认无误的情况下,再对各体进行统一编号,完成巷道的三维建模。4󰀁实例应用

某矿山以生产钨矿为主,多年来,此矿区没有得到统一管理生产,曾有十几家私人建矿,各自肆意滥采,民采十分严重,导致矿区千疮百孔,巷道星罗棋步,空

区分布错综复杂。为直观反映空区与巷道间的空间位置关系及为巷道设计提供依据[13]

,避免矿区发生特大第1期徐󰀁海等:复杂巷道工程三维可视化建模方法研究及应用23

事故灾害,保证矿山井下安全生产,在矿山获得统一管理生产后,2009年作者与矿山合作,开展巷道及空区三维可视化建模,获取井下巷道、采空区的实际形态、空间位置、体积大小及空区顶板面积等方面的信息,取得了良好的实际效果。4.1󰀁矿区巷道工程分布

此矿山共分为3个工区,各工区巷道错综复杂,分布情况见表1。

表1󰀁某矿各工区中段列表

序号12345678

910

工󰀁󰀁区

安和工区

285318365宏源346桥里冲256桥里冲347桥里冲375桥里冲480天福376天福430

金源工区宏鑫矿黄家洞354黄家洞386黄家洞420黄家洞440金猫395金猫419潭凹岭390潭凹岭415天源440

小板垅工区大板多平安井瑞辉360瑞辉398小板垅170小板垅200小板垅250小板垅296小板垅340增家坝310

置,但巷道模型边界与实际边界往往有偏差。

2)基于巷道顶底板表面模型所建立的巷道三维模型能准确地反映巷道实际边界和巷道三维形态特征,但巷道模型拱形部分与实际存在偏差。

3)对中心线或巷道边界线赋高程是复杂巷道工程三维建模的重要内容,运用Surpac赋高程,效率低,但由于是针对到点赋值,能较好的反映巷道实际高程;运用Dimine赋高程,效率高,但由于是连续对线赋值,适用于较简单的巷道工程。对于复杂巷道工程建模,应先分析矿山巷道工程的布置情况,综合运用Surpac、Dimine两种建模软件,在保证准确的前提下,对巷道布置相对简单区域采用Dimine赋高程,而局部巷道工程复杂部分则运用Surpac进行赋值,以达到高效建模。

4)以复杂巷道工程三维可视化建模方法为基础,成功应用于某矿山的巷道三维可视化建模。参考文献:

[1]󰀁陈爱兵,秦德先,张学书,等.基于MICROMINE矿床三维立体模

型的应用[J].地质与勘探,2004,40(5):77-80.

[2]󰀁郭旭东.脉状铅锌矿床建模方法探讨[J].有色矿山,2002,31

(1):6-9.

[3]󰀁GongJY,ChengPG,WangYD.Three󰀁dimensionalmodelingand

applicationingeologicalexplorationengineering[J].Computers&Geosciences,2004,30(4):391-404.

[4]󰀁WuQiang,XuHua.Anapproachtocomputermodelingandvisualiza󰀁

tionofgeologicalfaultsin3D[J].Computers&Geosciences,2003,29(4):507-513.

[5]󰀁SurpacSoftwareInterational国际软件公司.SurpacVision软件用户

使用手册(第四版)[M].北京:SurpacSoftwareInternational国际软件公司,2000.

[6]󰀁张春明,孙豁然,王恩德,等.矿产资源信息系统空间属性数据建

模方法[J].金属矿山,2005(6):33-35.

[7]󰀁李海华,张瑞新.应用Surpac软件进行露天矿采矿工程的可视化

[J].中国矿业,2004,13(1):63-65.

[8]󰀁王立磊,王李管.依托DIMINE软件实现中国矿山的数字化[J].

现代矿业,2009(3):23-27.

[9]󰀁熊󰀁伟,毛善君.煤矿虚拟环境的巷道几何建模及关键算法研究

[J].测绘通报,2002(8):15-16.

[10]󰀁贾明涛,王礼管.矿床建模中边界控制技术研究[J].金属矿山,

1999(9):19-21.

[11]󰀁陈佩佩,叶󰀁勇,张守仁.矿山工程软件SurpacVision在煤矿中

的应用[J].煤炭科学技术,2002,30(3):29-31.

[12]󰀁南格利.矿体线框模型及其建立方法[J].有色矿山,2001,30

(5):1-4.

[13]󰀁LuoZhouquan,LiuXiaoming,SuJiahong,eta.lDeposit3Dmodel󰀁

ingandapplication[J].JournalofCentralSouthUniversityofTech󰀁nology,2007,14(2):225-229.

4.2󰀁矿山巷道三维模型构建

根据矿山的各中段巷道平面图,运用基于巷道中心线和断面的巷道三维建模方法,建立了巷道及空区

三维模型,如图12为小板垅工区三维模型。

图12󰀁矿山小板垅工区巷道及空区三维模型

5󰀁结󰀁󰀁语

综合运用Surpac、Dimine等数字化工具,结合矿山具体工程实际,开展了复杂巷道工程三维可视化建模方法研究,获得主要结论如下:

1)基于巷道中心线和断面所建立的巷道三维模型能准确反映设计工程巷道断面和巷道空间实际位