AutoCAD三維建模功能在采礦設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

韋 丹 譚 松,2

（1.貴州地礦集團(tuán)有限公司；2.貴州省地礦局103地質(zhì)大隊(duì)）

當(dāng)下數(shù)字化礦山已成為礦山建設(shè)一大亮點(diǎn)，而礦山三維模型的建立作為數(shù)字化礦山建設(shè)的一部分，在采礦設(shè)計(jì)、采礦管理上也具有突出優(yōu)勢(shì)。在這種背景下，市場(chǎng)上出現(xiàn)了許多功能強(qiáng)大的礦山三維設(shè)計(jì)軟件，但這些三維設(shè)計(jì)軟件需要巨大的數(shù)據(jù)庫(kù)支撐才能實(shí)現(xiàn)三維模型建立，且前期對(duì)數(shù)據(jù)處理工作量大。AutoCAD 制圖軟件作為一款人們熟知的軟件，其三維模型建立方式有2 種，一是通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)建立三維模型，二是通過(guò)斷面建立三維模型。AutoCAD三維建模功能操作簡(jiǎn)單，各項(xiàng)操作工具對(duì)大多數(shù)人來(lái)說(shuō)都很熟悉，在無(wú)需建立龐大數(shù)據(jù)庫(kù)的情況下，也能實(shí)現(xiàn)三維可視化模型建立，將傳統(tǒng)的礦山二維作圖向三維作圖轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)合理、高效率、可視化采礦設(shè)計(jì)，是數(shù)字化礦山采礦設(shè)計(jì)新的發(fā)展方向［1］。本研究以某金礦F267 采場(chǎng)為例，在沒(méi)有數(shù)據(jù)庫(kù)支撐情況下，對(duì)采礦設(shè)計(jì)階段如何應(yīng)用AutoCAD 三維建模功能輔助進(jìn)行采礦設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹，分析三維建模功能在實(shí)際應(yīng)用中的經(jīng)濟(jì)效益。

1 AutoCAD三維建模及應(yīng)用思路

在無(wú)數(shù)據(jù)庫(kù)支撐情況下，AutoCAD三維采礦設(shè)計(jì)主要分為礦體建模、設(shè)計(jì)巷道建模、實(shí)測(cè)巷道建模3個(gè)部分。建模主要思路為實(shí)測(cè)平面圖處理→三維圖框繪制→巷道及礦體三維建模［2］。

1.1 實(shí)測(cè)平面圖處理及三維坐標(biāo)網(wǎng)格建立

實(shí)測(cè)平面圖是指實(shí)際已經(jīng)形成的采掘工程，通過(guò)測(cè)量技術(shù)將采掘工程現(xiàn)狀反映在平面上的綜合性圖紙。在AutoCAD 三維采礦設(shè)計(jì)中，建立實(shí)測(cè)平面圖三維坐標(biāo)網(wǎng)格主要目的是為后續(xù)礦體剖面輪廓線在空間上的位置調(diào)整提供參考坐標(biāo)，以保證礦體剖面輪廓線在空間上的位置正確，避免礦體建模后生成的礦體模型在空間上的位置錯(cuò)誤，導(dǎo)致后續(xù)采礦設(shè)計(jì)出現(xiàn)誤差。

在進(jìn)行巷道及礦體三維模型建立之前，先對(duì)實(shí)測(cè)平面圖進(jìn)行處理，刪除建模非必要的圖元，只保留實(shí)測(cè)平面圖巷道腰線、坐標(biāo)網(wǎng)格線，并建立好相應(yīng)建模圖層，方便在建模時(shí)可以關(guān)閉無(wú)關(guān)圖層，避免由于圖層打開(kāi)過(guò)多影響模型建立及觀察。完成實(shí)測(cè)平面圖處理后，進(jìn)行實(shí)測(cè)平面圖三維坐標(biāo)網(wǎng)格建立，三維坐標(biāo)網(wǎng)格主要包括X坐標(biāo)、Y坐標(biāo)、Z坐標(biāo)3 個(gè)要素，主要作用是為空間上某一點(diǎn)提供準(zhǔn)確的坐標(biāo)值，以確定該點(diǎn)在空間上的準(zhǔn)確位置。實(shí)測(cè)平面圖三維坐標(biāo)網(wǎng)格的建立，是通過(guò)AutoCAD“三維視圖”工具，將處理好的實(shí)測(cè)平面圖轉(zhuǎn)換為“西南等軸”視圖方向，并將繪圖模式設(shè)置為“正交”模式，并用“直線”工具繪制空間三維圖框，為后續(xù)礦體剖面輪廓線在空間上的位置調(diào)整提供準(zhǔn)確的參考依據(jù)。

1.2 巷道三維模型建立

巷道三維模型建立分為設(shè)計(jì)巷道三維模型建立和實(shí)測(cè)巷道三維模型建立，三維模型建立原理主要為利用巷道斷面與設(shè)計(jì)巷道中線、巷道斷面與實(shí)測(cè)巷道腰線建立三維巷道模型［3］。

設(shè)計(jì)巷道三維模型主要是運(yùn)用設(shè)計(jì)巷道斷面與設(shè)計(jì)巷道中線進(jìn)行三維模型建立。在進(jìn)行巷道三維模型建立時(shí)，先將設(shè)計(jì)巷道斷面粘貼在除“俯視”外的任意一個(gè)視圖方向，通過(guò)“移動(dòng)”工具，選擇設(shè)計(jì)巷道斷面底板輪廓線中點(diǎn)作為移動(dòng)基點(diǎn)，將設(shè)計(jì)巷道斷面移動(dòng)到設(shè)計(jì)巷道中心線上，通過(guò)“三維旋轉(zhuǎn)”工具將設(shè)計(jì)巷道斷面旋轉(zhuǎn)到與巷道中心線走向基本一致的方向，每條巷道中心線只需放置2個(gè)設(shè)計(jì)斷面即可；利用“掃掠”功能，選擇同1 條設(shè)計(jì)巷道中心線上放置的2 個(gè)設(shè)計(jì)斷面，利用設(shè)計(jì)巷道中心線作為“掃掠”路徑，計(jì)算機(jī)即可根據(jù)選擇的設(shè)計(jì)巷道中心線走向生成三維巷道模型，見(jiàn)圖1。

實(shí)測(cè)巷道三維模型主要是運(yùn)用設(shè)計(jì)巷道斷面與實(shí)測(cè)巷道腰線進(jìn)行三維模型建立，但實(shí)測(cè)巷道三維模型與設(shè)計(jì)巷道三維模型不同，實(shí)測(cè)巷道斷面在不同位置的尺寸是有差異的，因此實(shí)測(cè)巷道三維模型的建立主要是利用巷道設(shè)計(jì)斷面與實(shí)測(cè)巷道腰線建立三維模型。在進(jìn)行巷道三維模型建立時(shí)，先將設(shè)計(jì)巷道斷面粘貼在除“俯視”外的任意一個(gè)視圖方向，通過(guò)“移動(dòng)”工具，選擇設(shè)計(jì)巷道斷面底板輪廓線與直墻處的交點(diǎn)作為移動(dòng)基點(diǎn)，將設(shè)計(jì)巷道斷面移動(dòng)到實(shí)測(cè)巷道同一條腰線上，通過(guò)“三維旋轉(zhuǎn)”工具將巷道斷面旋轉(zhuǎn)到與實(shí)測(cè)巷道腰線走向基本一致的方向，每條實(shí)測(cè)巷道腰線只需放置2 個(gè)設(shè)計(jì)斷面即可；利用“掃掠”功能，選擇實(shí)測(cè)巷道同一條腰線上放置的2個(gè)設(shè)計(jì)斷面，選擇實(shí)測(cè)巷道腰線作為“掃掠”路徑，計(jì)算機(jī)即可根據(jù)選擇的巷道腰線方向生成三維巷道模型，見(jiàn)圖2。

1.3 礦體三維模型建立

礦體三維模型的建立，需要根據(jù)提供的礦體地質(zhì)剖面圖，粘貼到實(shí)測(cè)平面圖的相應(yīng)坐標(biāo)點(diǎn)上，利用“放樣”工具生成礦體三維模型。首先，將處理好的實(shí)測(cè)平面圖轉(zhuǎn)換到“右視”視圖上，選擇要進(jìn)行回采礦體的全部剖面及相應(yīng)坐標(biāo)點(diǎn)，將回采礦體的所有剖面及坐標(biāo)點(diǎn)粘貼到實(shí)測(cè)圖“右視”視圖平面上；完成礦體剖面圖在“右視”視圖平面上的粘貼后，將圖形轉(zhuǎn)換為“西南等軸”方向，利用前面建立的三維圖框坐標(biāo)網(wǎng)格做為參照，對(duì)應(yīng)三維坐標(biāo)網(wǎng)格中勘探線與Y坐標(biāo)的交點(diǎn)，將粘貼在“右視”視圖上的礦體剖面移動(dòng)至實(shí)測(cè)平面圖相應(yīng)坐標(biāo)點(diǎn)，得到礦體剖面在空間上的三維形態(tài)；利用“放樣”工具從右至左（或從左至右）依次選擇礦體剖面，生成礦體三維模型，見(jiàn)圖3。礦體三維模型建立時(shí)，礦體剖面可能因連接角問(wèn)題而造成偽閉合現(xiàn)象，因此必須保證礦體剖面是閉合的，否則無(wú)法利用“放樣”功能生成礦體三維模型［4］。

2 AutoCAD三維采礦設(shè)計(jì)

2.1 分段礦房劃分

分段礦房法是在礦塊的垂直方向，再劃分為若干分段，在每個(gè)分段水平上布置礦房和礦柱，各分段采下的礦石分別從各分段的出礦巷道運(yùn)出［5］。在進(jìn)行分段礦房劃分前，應(yīng)先進(jìn)行實(shí)測(cè)巷道及礦體三維模型建立，并以建立的模型為基礎(chǔ)進(jìn)行礦房劃分。

該礦山設(shè)計(jì)中段高度為40 m，F(xiàn)267 礦體沿傾向延伸30～40 m，確定本次工程布置分段高度為10 m，分別為780，790，800 m 分段，見(jiàn)圖4。確定好分段高度后，將建立的礦體三維模型實(shí)體轉(zhuǎn)換為“前視圖”，分別在780，790，800 m 標(biāo)高做剖切線，選擇“剖切”工具，將礦體三維實(shí)體模型按3 種標(biāo)高分別進(jìn)行剖切，同時(shí)建立剖切面圖層以放置各分段剖切面，作為后期各分段采準(zhǔn)工程平面設(shè)計(jì)的依據(jù)；完成分段礦房劃分后，將建立的三維模型切換為“俯視”視圖方向，分別對(duì)780，790，800 m 標(biāo)高的礦體剖面進(jìn)行提取，運(yùn)用“復(fù)制面”工具在相同的“基點(diǎn)”下復(fù)制面，得到各分段礦體剖面圖，并放置在事先建立好的相應(yīng)圖層中，方便設(shè)計(jì)時(shí)關(guān)閉暫時(shí)用不到的剖面，以免影響設(shè)計(jì)觀察。各分段提取的礦體剖面見(jiàn)圖5。

2.2 采準(zhǔn)工程布置

采準(zhǔn)工程是為采出礦塊中的礦石而開(kāi)掘出來(lái)用于礦石運(yùn)輸、行人、通風(fēng)及運(yùn)送材料的巷道。根據(jù)得到的780，790，800 m 標(biāo)高的剖面圖以及確定的分段高度進(jìn)行采準(zhǔn)工程布置。根據(jù)各分段剖面圖，在俯視方向從780 m 標(biāo)高平面開(kāi)始進(jìn)行各分段平面采準(zhǔn)工程布置，并為設(shè)計(jì)的巷道腰線賦高程值，得到各分段采準(zhǔn)工程平面布置圖；同理進(jìn)行790，800 m 標(biāo)高采準(zhǔn)工程平面設(shè)計(jì)，見(jiàn)圖6。在設(shè)計(jì)過(guò)程中利用“受約束的動(dòng)態(tài)觀察”工具，從不同視角觀察設(shè)計(jì)巷道的布置與礦體空間賦存情況是否合理，并不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

完成各分段的采準(zhǔn)工程布置后，將各分段的設(shè)計(jì)巷道圖層全部打開(kāi)，利用“受約束的動(dòng)態(tài)觀察”工具對(duì)設(shè)計(jì)巷道、已有巷道、礦體空間賦存形態(tài)整個(gè)采準(zhǔn)系統(tǒng)進(jìn)行三維可視化觀察，并對(duì)巷道設(shè)計(jì)的合理性、經(jīng)濟(jì)性、空間對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行優(yōu)化，得到最終采準(zhǔn)工程布置方案，最終采準(zhǔn)工程布置方案空間布置情況見(jiàn)圖7。

2.3 采準(zhǔn)系統(tǒng)三維模型建立

完成采準(zhǔn)工程布置方案設(shè)計(jì)后，對(duì)各分段設(shè)計(jì)巷道進(jìn)行三維模型建立，為后續(xù)對(duì)實(shí)體剖切、打印出圖做準(zhǔn)備。根據(jù)最終確定的采準(zhǔn)工程布置方案，參照之前AutoCAD 三維采礦設(shè)計(jì)建模思路，對(duì)設(shè)計(jì)巷道進(jìn)行三維模型建立，形成最終“采準(zhǔn)系統(tǒng)三維模型”，見(jiàn)圖8。利用建立的整體采準(zhǔn)系統(tǒng)三維模型，可根據(jù)出圖需要，將三維模型轉(zhuǎn)換到需要的設(shè)計(jì)目標(biāo)出圖位置視角，對(duì)三維模型目標(biāo)出圖位置進(jìn)行剖切并提取剖切面，將提取的剖面復(fù)制到新建AutoCAD文檔中，對(duì)剖切面進(jìn)行處理后得到相應(yīng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)出圖位置的采準(zhǔn)工程設(shè)計(jì)平面圖［3］。圖9 為沿剖面縱向剖切后在前視方向觀察的剖切面；圖10 為對(duì)剖切面進(jìn)行提取和處理后得到的剖面設(shè)計(jì)平面圖。

3 技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)

在采切比控制上，AutoCAD三維建模功能為采礦設(shè)計(jì)提供了可視化的操作，在進(jìn)行采準(zhǔn)工程布置時(shí)，可以從三維空間觀察巷道布置是否合理，避免了多余的工程浪費(fèi)，從而降低采切比；另一方面，三維可視化設(shè)計(jì)可以使采準(zhǔn)巷道布置與已有巷道結(jié)合得更加合理，從而提高采場(chǎng)生產(chǎn)能力。進(jìn)行工程量統(tǒng)計(jì)時(shí)，使用AutoCAD“工具”中的“查詢”功能，可以對(duì)建立的“采準(zhǔn)系統(tǒng)三維模型”中的采準(zhǔn)巷道長(zhǎng)度、礦塊體積等數(shù)據(jù)直接進(jìn)行查詢獲取，將查詢的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)整理得到相應(yīng)的工程量。如設(shè)計(jì)巷道長(zhǎng)度可以使用“查詢”功能直接讀取；礦塊礦量可以使用“查詢”功能直接讀取礦塊三維模型的體積，再將礦塊體積乘礦石比重，即可得到礦塊礦量。本次設(shè)計(jì)實(shí)例各項(xiàng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)見(jiàn)表1。

4 結(jié)語(yǔ)

利用AutoCAD 繪圖軟件三維建模功能輔助進(jìn)行采礦設(shè)計(jì)，在無(wú)需數(shù)據(jù)庫(kù)支撐的情況下實(shí)現(xiàn)三維模型建立，可將采礦設(shè)計(jì)由傳統(tǒng)平面設(shè)計(jì)向三維可視化設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變，對(duì)數(shù)字化礦山采礦設(shè)計(jì)具有一定借鑒意義。