3 DMAX在煤礦數(shù)字化中的應(yīng)用

劉新河 李哲寧 于海洋 王 鵬

（河北工程大學(xué)，河北省邯鄲市，056038）

3 DMAX在煤礦數(shù)字化中的應(yīng)用

劉新河 李哲寧 于海洋 王 鵬

（河北工程大學(xué)，河北省邯鄲市，056038）

井下三維巷道的可視化是數(shù)字礦山研究領(lǐng)域的關(guān)鍵問題之一。詳細(xì)闡述了礦山數(shù)字化的建模背景和如何利用3DMAX軟件技術(shù)來進(jìn)行三維巷道建模。

數(shù)字化礦井 3DMAX 巷道建模 三維巷道

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)建立科學(xué)現(xiàn)代化的礦山管理系統(tǒng)提出了更高的要求。其中數(shù)字化礦山技術(shù)在礦山實(shí)際生產(chǎn)、開發(fā)中發(fā)揮著越來越重要的作用。而數(shù)字化礦山中三維實(shí)體可視化，特別是井下巷道的可視化更是研究的重中之重。我國(guó)礦山三維可視化建模的研究和應(yīng)用始于20世紀(jì)80年代初，到現(xiàn)在已有較成熟的研究和應(yīng)用。

1 建模背景

根據(jù)2005-2010年計(jì)算機(jī)文獻(xiàn)檢索情況來看，國(guó)內(nèi)有關(guān)三維數(shù)值建模、三維網(wǎng)絡(luò)礦圖方面的研究較少，在煤炭工業(yè)中的應(yīng)用就更少，這對(duì)本文的研究提供了廣闊的發(fā)展空間。本文研究基于三維建模技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)理論，結(jié)合計(jì)算機(jī)圖形學(xué)，在Windows桌面操作系統(tǒng)環(huán)境下，基于煤礦井下結(jié)構(gòu)布置實(shí)際情況，通過3DMAX軟件繪制出基本三維礦井模型。實(shí)現(xiàn)了礦井模型的三維可視化與任意角度的展示，對(duì)煤礦安全生產(chǎn)、井下生產(chǎn)科學(xué)管理具有指導(dǎo)意義。隨著煤炭工業(yè)的高速發(fā)展，對(duì)煤礦井下空間布置和煤層空間位置的可視化要求越來越高。通過井下空間數(shù)據(jù)的處理，將井下實(shí)體對(duì)象與相關(guān)信息結(jié)合起來，借助圖形圖像及3DMAX系統(tǒng)仿真技術(shù)，實(shí)現(xiàn)空間信息的可視化表達(dá)，動(dòng)態(tài)和實(shí)時(shí)的三維結(jié)構(gòu)能夠更好地表示井下結(jié)構(gòu)的變化過程，為生產(chǎn)和決策服務(wù)。

2 巷道三維建模

建模初期由于時(shí)間和技術(shù)原因，巷道斷面在Auto-CAD中生成，之后由3DMAX工具欄中“文件”下拉菜單中的 “導(dǎo)入”命令，之后在3DMAX中進(jìn)行操作。可直接在3DMAX中做出巷道斷面，之后直接對(duì)斷面進(jìn)行 “擠出”操作，生成巷道模型。

本文以半圓拱巷道為例，介紹巷道在3DMAX中的生成、移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)。為便于理解和顯示，3種巷道的實(shí)長(zhǎng)均取30 m。

半圓拱巷道的生成：設(shè)半圓拱巷道寬為3000 mm，高為3500 mm。在利用 “幾何體”下拉菜單中 “標(biāo)準(zhǔn)基本體”中的 “長(zhǎng)方體”和 “管狀體”做出半圓拱巷道草圖，其中長(zhǎng)方體的長(zhǎng)和寬分別為2000 mm×3000 mm和2400 mm×3500 mm。

管狀體內(nèi)徑和外徑分別為3000 mm和3500 mm。分別選中兩個(gè)長(zhǎng)方體和管狀體，單擊 “修改”命令圖標(biāo)，把高度調(diào)整為30000 mm。單擊工具欄 “移動(dòng)”命令圖標(biāo)，把各對(duì)象移到相應(yīng)位置。布爾運(yùn)算前的巷道斷面頂視圖見圖1，布爾運(yùn)算前的巷道斷面透視圖見圖2。

選中較小的長(zhǎng)方體，按 “shift”鍵，單擊小長(zhǎng)方體，輸入復(fù)制 “副本數(shù)”為2。選中管狀體，單擊 “幾何體”命令按鈕，在其下拉菜單中選擇 “復(fù)合對(duì)象”，單擊 “布爾”命令按鈕，在其下拉菜單中選擇 “拾取操作對(duì)象B”，單擊小長(zhǎng)方體進(jìn)行布爾運(yùn)算；之后先點(diǎn)擊大長(zhǎng)方體，再選擇小長(zhǎng)方體進(jìn)行布爾運(yùn)算，布爾運(yùn)算后的巷道斷面頂視圖見圖3，布爾運(yùn)算后的巷道斷面透視圖見圖4。

為使巷道整體顏色一致，在頂視圖中框選巷道，單擊 “顏色”按鈕，選擇適當(dāng)?shù)念伾?，得到同顏色的巷道?/p>

拱形巷道的移動(dòng)：拱形巷道生成后，其拱和兩幫并不是統(tǒng)一整體，需在頂視圖中框選巷道，單擊工具欄中的 “組”按鈕，單擊下拉菜單中的 “成組”選項(xiàng)，此時(shí)巷道中心移動(dòng)到巷道空間的幾何中心。為了使巷道定位準(zhǔn)確，選中巷道，單擊 “移動(dòng)”，在屏幕下方的X、Y中的數(shù)值均改為0。按單擊工具欄 “層次”按鈕，選擇 “軸”按鈕，點(diǎn)擊下拉菜單中的 “僅影響軸”按鈕，把Z的定位坐標(biāo)值改為0，之后再次單擊 “僅影響軸”按鈕，完成對(duì)巷道定位中心的移動(dòng)。選中巷道，就可跟據(jù)實(shí)際需要，在屏幕下端的數(shù)據(jù)框內(nèi)輸入巷道端頭的X、Y、Z坐標(biāo)，再把巷道移動(dòng)至指定位置。

拱形巷道的角度調(diào)整：假設(shè)巷道上端頭定位在20 m、30 m、40 m，巷道底板中心線與水平面夾角為32°，其在水平面上的投影與Y軸所成角度為44.5°。當(dāng)巷道端頭移動(dòng)到指定位置后，單擊工具欄上的 “選擇并旋轉(zhuǎn)”命令按鈕，在屏幕下端的X、Y、Z各軸旋轉(zhuǎn)角度參數(shù)欄中分別輸入122、0、44.5，因?yàn)橄锏郎蓵r(shí)的延伸方向?yàn)閆軸正向，要使巷道底板中線與水平面成32°夾角，則巷道需沿X軸旋轉(zhuǎn)90°＋32°＝122°。輸入數(shù)據(jù)后得到的三視及透視圖，拱形巷道的定位見圖5。

圖5 拱形巷道的定位

本文只是針對(duì)一個(gè)巷道進(jìn)行了建模分析，而巷道的實(shí)際情況卻都是不同的，但建模方法卻是一樣，最后再把各個(gè)巷道進(jìn)行銜接，在這個(gè)過程中會(huì)遇到一些問題需要注意：

（1）各段巷道編號(hào)應(yīng)準(zhǔn)確有序，在圖紙上測(cè)量巷道長(zhǎng)度時(shí)應(yīng)力求準(zhǔn)確，并做好原始數(shù)據(jù)的存檔。

（2）準(zhǔn)確測(cè)算出各段巷道上端頭的空間坐標(biāo)，確保巷道搭接良好。

（3）由于巷道段數(shù)較多，數(shù)據(jù)量大，建模時(shí)應(yīng)多加注意，防止因輸錯(cuò)參數(shù)導(dǎo)致巷道位置錯(cuò)誤。

（4）巷道系統(tǒng)建模后期，巷道段數(shù)增多，如果電腦配置較低，電腦反應(yīng)變慢，可把一些無關(guān)巷道設(shè)置成隱藏，待需要時(shí)再使其顯示。

（5）對(duì)于一些關(guān)聯(lián)緊密、數(shù)量較多、長(zhǎng)度較短的巷道，可使其成組，減少調(diào)整巷道位置時(shí)的工作量。

（6）在左視圖或前視圖中調(diào)整巷道位置時(shí)，為了使巷道搭接準(zhǔn)確，可隱藏阻礙視線的巷道。

3 意義

煤礦地下生產(chǎn)作業(yè)的人員集中，煤礦生產(chǎn)環(huán)境災(zāi)害的多樣性、不確定性、高發(fā)性和突發(fā)性，地質(zhì)條件復(fù)雜，突發(fā)事故較多，一線工人技術(shù)素質(zhì)較低，這些使得煤礦生產(chǎn)安全管理要求嚴(yán)、風(fēng)險(xiǎn)高、決策難度大且有諸多不確定的因素。這意味著煤炭生產(chǎn)安全管理的實(shí)質(zhì)是一個(gè)包含了決策者、生產(chǎn)者、生產(chǎn)設(shè)備和生產(chǎn)環(huán)境的帶有很多不確定性和模糊性決策因素的復(fù)雜管理系統(tǒng)工程。礦山生產(chǎn)屬于真三維操作，地下巷道作為礦山中最重要的空間要素，將巷道布置進(jìn)行真三維可視化，模擬井下關(guān)鍵生產(chǎn)設(shè)備及區(qū)域的生產(chǎn)過程，生成三維立體圖形，人們可以更加深刻地了解井下現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工作環(huán)境，明確各采掘工程之間的位置和關(guān)系，從而更好地進(jìn)行生產(chǎn)組織與管理、災(zāi)害預(yù)測(cè)與評(píng)估和礦山事故分析與再現(xiàn)，對(duì)提高礦山生產(chǎn)管理水平、確保礦山安全生產(chǎn)和系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)等具有重要的實(shí)用價(jià)值。

本文從巷道建模、立體顯示等功能出發(fā)，結(jié)合3DMAX技術(shù)闡述了其具體實(shí)現(xiàn)過程。實(shí)踐證明，本文中所述方法可以有效對(duì)三維巷道進(jìn)行建模，提高數(shù)字礦山中巷道的信息化管理水平。同時(shí)本文的研究成功將會(huì)對(duì)煤礦職工安全生產(chǎn)技術(shù)培訓(xùn)、遠(yuǎn)程教育、礦井設(shè)計(jì)優(yōu)化、搶險(xiǎn)救災(zāi)、信息查詢及管理決策提供有力技術(shù)支持，為礦井的安全生產(chǎn)，科學(xué)管理發(fā)揮重要作用。促使礦井生產(chǎn)向安全、高效、高產(chǎn)的方向發(fā)展，充分體現(xiàn)以人為本、先進(jìn)技術(shù)必須與人相結(jié)合的科學(xué)管理思想。

［1］韓瑞棟.煤礦三維可視化系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)［D］.濟(jì)南：山東科技大學(xué)，2007

［2］張志華.礦山測(cè)量數(shù)據(jù)處理與三維巷道建模方法研究 ［D］.西安：西安科技大學(xué)，2006

［3］梅志恒.數(shù)字礦山巷道三維管理的研究與設(shè)計(jì) ［D］.武漢：中國(guó)地質(zhì)大學(xué) （武漢）信息工程學(xué)院，2009

The application of 3DMAX on digital mine

Liu Xinhe，Li Zhening，Yu Haiyang，Wang Peng
（Hebei University of Engineering，Handan，Hebei 056038，China）

The digital mine has been a research hotspot in recent years，while the underground tunnel in three-dimensional visualization（3D）is one of the key issues in the field.This article describes in detail the meaning of the digital mine and how to use 3DMAX to conduct threedimensional tunnel modeling.

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TD67

B

劉新河 （1954-）男，河北邯鄲人，教授，現(xiàn)從事采礦工程專業(yè)的教學(xué)與科學(xué)研究工作。

（責(zé)任編輯 張艷華）