三維可視化技術在礦山開采設計中的應用

張云亮

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

在計算機技術飛速發(fā)展的背景下，三維立體化礦山工程設計軟件被廣泛應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系，從而提升空間分析功能，進一步揭示礦層信息，優(yōu)化礦山三維模型，為下一步開采設計提供必要的技術指導?；诖?，開展三維可視化技術在礦山開采設計中的應用研究就顯得尤為必要。

1 案例分析

某礦山，礦體層達到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系復雜多變，大大提升了礦山開采設計難度。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計工作。采用了先進的三維可視化技術，本文主要論述此項技術在礦山工作面進、回風巷設計中的應用，具體如下。

2 三維可視化技術相關概述

三維可視化技術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，多應用在工程建模、礦山開采設計中，是目前描繪和理解模型的主要技術。是數(shù)據(jù)體的三維立體表征形式，并非簡單的模擬技術。目前三維可視化技術軟件種類多樣，如：Multi Gen Creator、Vega、Cool3D、VRMap3等。其中VRMap3應用平臺更加便宜，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)上構建各專業(yè)應用平臺，該礦上其在礦山開采設計中就應用了VRMap3取得了良好效果，值得大力推廣應用。

3 三維可視化技術在礦山開采設計中的應用

3.1 在井下巷道開拓設計中的應用

傳統(tǒng)礦山井下巷道開拓設計多采用二維技術，在現(xiàn)有地質(zhì)材料、礦體資源揭露數(shù)據(jù)的基礎上，通過設計師個人經(jīng)驗和現(xiàn)場數(shù)據(jù)分析來設計。然后在具體施工中，主要是通過設計巷道開采掘進來揭露原有設計和變更，以保證巷道的精度。但采用三維可視化技術，能夠把巷道模型、礦山模型等相互結合[1]。然后在整個三維模型空間中，進行開拓設計、單一工作面的回采設計。再借助巷道坐標參數(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)礦山采礦設計的參數(shù)化、智能化、可視化。

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

3.2 構建地表地形模型

構建地表地形模型也礦上開采設計的核心工序，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行預處理，編輯等高線等，然后形成DTM表，并對相關文件進行渲染操作，得到符合礦山實際情況的地表地形模型，具體構建步驟為：整理地形文件：對獲得的地形文件進行整理、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，為構建地表地形模型做準備。編輯等高線：對間斷線、重復線、重復點等相關問題集中處理，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值相互結合的方法，命令對等高線進行高程賦值。建立地表地形模型：在計算機相關軟件系統(tǒng)中執(zhí)行生產(chǎn)DTM表面命令，Gouraud渲染對建立的模型進行圓滑處理。現(xiàn)實化處理：在構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，構建相關礦體資源分布模型。

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E、開孔坐標N、開孔坐標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?；灡碇邪ǎ汗こ烫?、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?，從而實現(xiàn)單一層礦體和全礦層模型的構建。

3.4 井下巷道實體模型的構建

利用VRMap3應用平臺可建立起巷道實體模型，具體構建方法有三種，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，如果一直巷道兩側腰線的具體位置，要求巷道最外側腰線為閉合線，通過點擊閉合線，也可以形成巷道模型。在礦山開采設計中，由于井下巷道結果比較復雜，VRMap3應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計精度。因此，要盡量采用巷道中線法來構建井下巷道模型。在VRMap3應用平臺中逐步輸入巷道頂板導線線，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、地表構筑物之間的三維空間位置關系。

3.5 礦山開采設計準確性控制措施

礦山開采三維可視化設計的關鍵在于，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，礦體層的結構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，導致一部分礦體層信息丟失。

為提升礦山開采三維可視化設計效果，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，從而礦層模型進行修正，從而大幅度提升礦層的擬合程度，進而指導相鄰工作面巷道設計。

4 結語

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