三維可視化技術(shù)在礦山開采設(shè)計中的應(yīng)用

張云亮

（蘇州中材非金屬礦工業(yè)設(shè)計研究院有限公司，江蘇 蘇州 215151）

在計算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展的背景下，三維立體化礦山工程設(shè)計軟件被廣泛應(yīng)用在礦山管理和生產(chǎn)中，比如：3DMined、Dimine、SD等軟件的發(fā)明和應(yīng)用，可三維立體化的顯示礦山內(nèi)部空間的賦存狀態(tài)，清楚直觀的展現(xiàn)礦層和地表地形之間的空間位置關(guān)系，從而提升空間分析功能，進(jìn)一步揭示礦層信息，優(yōu)化礦山三維模型，為下一步開采設(shè)計提供必要的技術(shù)指導(dǎo)?；诖?，開展三維可視化技術(shù)在礦山開采設(shè)計中的應(yīng)用研究就顯得尤為必要。

1 案例分析

某礦山，礦體層達(dá)到6層，每個礦層厚度不一，礦產(chǎn)資源優(yōu)劣差距較大。在礦山內(nèi)部存在斷層、褶曲發(fā)育等現(xiàn)象。受到多種因素的共同影響和干擾，礦體資源賦存條件比較差，巷道的開拓量比較大，且巷道之間的層位關(guān)系復(fù)雜多變，大大提升了礦山開采設(shè)計難度。為更加清楚直觀掌握礦山開拓情況，把控礦體資源賦存情況，高質(zhì)量、高效率完礦山開采設(shè)計工作。采用了先進(jìn)的三維可視化技術(shù)，本文主要論述此項技術(shù)在礦山工作面進(jìn)、回風(fēng)巷設(shè)計中的應(yīng)用，具體如下。

2 三維可視化技術(shù)相關(guān)概述

三維可視化技術(shù)是一種用于描述和解釋地下地質(zhì)現(xiàn)象及特征的一種新型技術(shù)，多應(yīng)用在工程建模、礦山開采設(shè)計中，是目前描繪和理解模型的主要技術(shù)。是數(shù)據(jù)體的三維立體表征形式，并非簡單的模擬技術(shù)。目前三維可視化技術(shù)軟件種類多樣，如：Multi Gen Creator、Vega、Cool3D、VRMap3等。其中VRMap3應(yīng)用平臺更加便宜，由圖靈公司自主研發(fā)的3D GIS軟件，可在計算機(jī)上實現(xiàn)三維可視景觀，解決如何在一個相對完整的三維地理信息系統(tǒng)上構(gòu)建各專業(yè)應(yīng)用平臺，該礦上其在礦山開采設(shè)計中就應(yīng)用了VRMap3取得了良好效果，值得大力推廣應(yīng)用。

3 三維可視化技術(shù)在礦山開采設(shè)計中的應(yīng)用

3.1 在井下巷道開拓設(shè)計中的應(yīng)用

傳統(tǒng)礦山井下巷道開拓設(shè)計多采用二維技術(shù)，在現(xiàn)有地質(zhì)材料、礦體資源揭露數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過設(shè)計師個人經(jīng)驗和現(xiàn)場數(shù)據(jù)分析來設(shè)計。然后在具體施工中，主要是通過設(shè)計巷道開采掘進(jìn)來揭露原有設(shè)計和變更，以保證巷道的精度。但采用三維可視化技術(shù)，能夠把巷道模型、礦山模型等相互結(jié)合[1]。然后在整個三維模型空間中，進(jìn)行開拓設(shè)計、單一工作面的回采設(shè)計。再借助巷道坐標(biāo)參數(shù)、巷道走勢剖面圖畫線，即可快速形成平面巷道線，按照相應(yīng)的指定斷面形態(tài)，形成三維立體化模型，實現(xiàn)礦山采礦設(shè)計的參數(shù)化、智能化、可視化。

和二維設(shè)計相比，三維可視化設(shè)計不但提升了設(shè)計精度和速度，而且實現(xiàn)了不多采、不丟采的設(shè)計原則，有效解決了傳統(tǒng)設(shè)計方法被動、盲目的局面。

3.2 構(gòu)建地表地形模型

構(gòu)建地表地形模型也礦上開采設(shè)計的核心工序，主要依據(jù)是地表地形的等高線，先對Auto CAD中獲得的地形文件進(jìn)行預(yù)處理，編輯等高線等，然后形成DTM表，并對相關(guān)文件進(jìn)行渲染操作，得到符合礦山實際情況的地表地形模型，具體構(gòu)建步驟為：整理地形文件：對獲得的地形文件進(jìn)行整理、優(yōu)化、分析管理，通過合并和刪除不常用圖層，保存常用圖層，為構(gòu)建地表地形模型做準(zhǔn)備。編輯等高線：對間斷線、重復(fù)線、重復(fù)點等相關(guān)問題集中處理，獲得精確的地表地形數(shù)據(jù)。等高線賦高程：通過等值線賦高程和賦Z值相互結(jié)合的方法，命令對等高線進(jìn)行高程賦值。建立地表地形模型：在計算機(jī)相關(guān)軟件系統(tǒng)中執(zhí)行生產(chǎn)DTM表面命令，Gouraud渲染對建立的模型進(jìn)行圓滑處理。現(xiàn)實化處理：在構(gòu)建好的地表地形模型表面，粘貼上衛(wèi)星圖片，或者按照礦山實際情況，構(gòu)建相關(guān)礦體資源分布模型。

3.3 礦體層模型建立

為更加立體化、真實化礦體層模型，需要先建立鉆孔數(shù)據(jù)庫，以控制礦體層模型走勢。

主要通過3Dmine來創(chuàng)建地質(zhì)數(shù)據(jù)庫，按照礦體資源勘察鉆孔資料構(gòu)建，定位表、測斜表、巖性表、化驗表等。其中定位表中的內(nèi)容包括：開孔坐標(biāo)E、開孔坐標(biāo)N、開孔坐標(biāo)Z、最大孔深、軌跡類型等。測斜表的內(nèi)容包括：工程號、巖性、深度等。巖性表中包括：工程號、水分、含硫組分、發(fā)熱量等。化驗表中包括：工程號、深度、方位角、傾斜角等。通過獲取鉆孔數(shù)據(jù)庫中主要煤層的頂?shù)装妩c，再借助克里格算法，就可以擬合出礦體資源頂?shù)妆砻婺Ｐ停瑥亩鴮崿F(xiàn)單一層礦體和全礦層模型的構(gòu)建。

3.4 井下巷道實體模型的構(gòu)建

利用VRMap3應(yīng)用平臺可建立起巷道實體模型，具體構(gòu)建方法有三種，其一是手工繪制，可在任意空間位置點，點擊鼠標(biāo)形成井下巷道模型。其二是巷道中線法，通過已經(jīng)生成的巷道中線和斷面，形成不同類型的井下實體巷道。其三巷道腰線法，如果一直巷道兩側(cè)腰線的具體位置，要求巷道最外側(cè)腰線為閉合線，通過點擊閉合線，也可以形成巷道模型。在礦山開采設(shè)計中，由于井下巷道結(jié)果比較復(fù)雜，VRMap3應(yīng)用平臺中采用腰線生成井下巷道實體模型難度較大，手工繪制難以保證設(shè)計精度。因此，要盡量采用巷道中線法來構(gòu)建井下巷道模型。在VRMap3應(yīng)用平臺中逐步輸入巷道頂板導(dǎo)線線，從而形成巷道地板中線，從而將地表地形模型、礦層模型、井下巷道實體模型相互結(jié)合，就是實現(xiàn)三維可視化，從而清楚直觀的獲知各礦體、井下巷道、地表構(gòu)筑物之間的三維空間位置關(guān)系。

3.5 礦山開采設(shè)計準(zhǔn)確性控制措施

礦山開采三維可視化設(shè)計的關(guān)鍵在于，如何建立符合實際要求、仿真度更高的礦體模型。礦體資源層分布模型是提取勘探鉆孔各礦層頂?shù)装妩c，然后通過數(shù)據(jù)的內(nèi)插、外推等，形成DEM表面模型。因此，影響三維可視化設(shè)計效果的因素是勘探鉆孔的數(shù)量。鉆孔數(shù)量越多，頂?shù)装妩c數(shù)據(jù)就越多，礦體層的結(jié)構(gòu)分布模型也就越真實。但在礦山實際開采中存在以下問題：第一，勘探鉆孔稀疏。就案例礦山而言，丼內(nèi)布置了6條勘探線，但鉆孔地表水平間距為最小處為100m，最大處超過400m。第二，部分勘探鉆孔在施工中存在打丟、施工深度不足等問題，導(dǎo)致一部分礦體層信息丟失。

為提升礦山開采三維可視化設(shè)計效果，可從兩個方面同時入手：第一，采用相同勘探線，且相鄰的兩個鉆孔層位間距的求平均值的方法，估算缺失礦體深度、厚度等。從而彌補(bǔ)部分勘探鉆孔礦層數(shù)據(jù)的缺失情況。第二，可利用已經(jīng)揭露礦層地質(zhì)編錄圖虛擬勘探鉆孔，從而礦層模型進(jìn)行修正，從而大幅度提升礦層的擬合程度，進(jìn)而指導(dǎo)相鄰工作面巷道設(shè)計。

4 結(jié)語

綜上所述，本文結(jié)合實際案例，分析了三維可視化技術(shù)在礦山開采設(shè)計中的應(yīng)用，分析結(jié)果表明，通過VRMap3應(yīng)用平臺，可建立礦山開采地表地形模型、鉆孔數(shù)據(jù)庫、礦體層結(jié)構(gòu)模型、井下巷道實體模型等。將三維可視化技術(shù)科學(xué)合理的應(yīng)用到礦山開采設(shè)計中可有效提升設(shè)計效果，清楚直觀的各礦體資源層的信息，提升擬合程度，為礦山開采設(shè)計提供真實有效的數(shù)據(jù)支持和理論參考。