矿体三维建模的应用与金属地下矿山开采规划模型研究.pdf

中文科技期刊数据库（全文版）工程技术 87 矿体三维建模的应用与金属地下矿山开采规划模型研究 苏文强 国家石油天然气管网集团有限公司西气东输分公司厦门输气分公司，福建 泉州 362000 摘要摘要：3D 建模技术是当前矿体三维空间实体根系和研究的重要手段，3D 建模技术在金属地下矿山开采数字化进程不断推进的重要基础。矿山复杂地形地貌通常会呈现的是复杂的三维空间实体，而 3D 建模技术可以有效攻克矿山开采过程中对矿山内部情况无法精准识别，对金属低下矿山的开采技术无法做出精准判断的问题。3D 建模可视化技术对矿山一类的不连续体做三维立体建模，提供金属地下矿山勘探技术。文章对地下金属矿山矿体 3D 建模技术做出了研究探讨，并且在此基础上根据 3D 可视化技术来构建金属地下矿山开采规划模型。关键词：关键词：3D 建模；金属地下矿山；采矿模型设计；地下采矿工程 中图分类号：中图分类号：P61 3D 建模可视化技术是当前矿体开采和地质研究的重要技术，地质体 3D 可视化建模技术是运用现代的空间信息理论来研究地下地层环境和数字建模的重要技术，也就是说利用现代技术对其地下矿体的地质环境信息通过 3D 建模可视化的交互技术1。而金属矿山地下开采主要是研究矿块的开采方法，主要包括采准、切割和回采三项工作。采矿方法决定着矿体的生产能力、回采效率及开采工作的安全性，是采矿设计的重要内容。由于地质对象的复杂性，三维建模很难做到一蹴而就，建模过程往往需要对三个步骤迭代演进。首先是将采集到的数据准备好，通过 3D 视图的形式表现出矿山矿体的立体结构。通过三维视图的分析，可以充分研究和分析地下矿山开采的施工工艺设计，同时在非常强的专业知识和抽象能力支持下，利用 3D视图的方式来限制采矿方法类型，提升地下金属矿体的开采效率2。其次是建模，采用自动化和人机交互等方式，建模软件根据输入数据完成模型构建，构建出的模型应符合地质规律，满足数据约束。最后通过可视化等方式对模型进行质量检查和评价，必要时要回到第一步去分析输入数据，同时随着如揭露信息、随采物探等新的数据导入，也会回到第一步对模型迭代演进。但是目前，对于地下金属矿体开采的技术有着一定的难度，很多学生和教师在理解上存在着研究不够深入的情况。越来越多的研究逐渐对三维建模进行逐步细化的形式进行。提高了 3D 建模的精度，可以提高地下金属矿山开采的效率。逐步细化 3D 建模的步骤在矿体开采工作中，可以有效构建矿体模型。文章基于目前矿体开采三维建模技术中存在的问题，解决了空间开采数据信息不精确，不全面等问题，实现采矿方法的 3D 模型构建3。1 3D 建模技术概述 3D 建模技术主要是利用现代计算机提供技术服务，在传统的二维模型的基础上，将现实生活中或是虚拟的物体在计算机上呈现出立体空间形象的过程。目前，3D 建模技术在社会各个领域上都有着广泛的应用途径。在工业领域上主要是通过 BIM 技术等将其应用于建筑行业，而在矿工业开采技术领域，也提供了有效的支持4。在工业领域的 3D 建模技术已经渐趋成熟，其建模方法主要是对矿体的剖面图进行分析，利用现代技术对三维模型进行重构。对于非对称性的矿体结构，3D 建模软件对于大部分的模型构建来说，都提供了精准的尺寸等要求，同时三维建模技术需要与实体在外形上有着等比例的大小。目前，3D 模型主要包括了B-Rep 模型、CSG 模型以及 B-Rep 混合 CSG 模型等。文章主要是基于 B-Rep 建模原理构建地下金属矿山开采规划模型。1.1 B-Rep 建模原理 B-Rep 的建模原理是将例题空间中的物体抽象为点、线、面等几种基本的元素，将这些元素的数据运用计算机 3D 建模软件进行位置的旋转、收缩以及错切变换等复杂的三维立体模型。一般情况下，B-Rep 建模有三种建模方法，分别是拉伸建模、旋转建模以及放中文科技期刊数据库（全文版）工程技术 88 样建模。拉伸和旋转建模都需要基于二维边界线框的建模方法（如式 1）来升级而成。将原来的二维模型现况的发现移动一定的距离后，移动二维坐标的P T，使其最后两个平面的端点得到有效连接，形成三维线框模型5。P T=x0000y0000z00000 100001000010lmn1（1）而旋转建模则是根据立体实物的二维或是三维曲线围绕中心轴线旋转一定的度数得到的 3D 模型，具体的操作原理是将其二维框线的矩阵模型的基础上以中心轴线按照矩阵（如式 2）进行变换，也就是说将二维线框进行以 X、Y、Z 轴围绕中心线绘制圆弧，从而得到旋转后的三维模型。P Rx Ry Rz=x0000y0000z00000 10000cossin00sincos00001 cos()0sin()00110sin()0cos()00001 cossin00sincos0000100001（2）1.2 CSG 建模原理 传统的 CSG 建模原理实施将原先定义好的规则或是不规则的物体，将规则的基本体元进行几何变换或是交叉并排等来进行操作之后重新组合成为一个物体。以上这些传统的建模方法和原理是基于手工的建模方法来进行的。随着目前现代信息技术的发展，可以通过二次脚本的开发，利用计算机技术输入参数后进行自动化建模6。也就是说，在传统建模的基础上利用软件载体和建模方法来进行 3D 建模，手工的建模方式虽然有着较成熟的操作程序，但是对于复杂的建模需要频繁调整参数。利用计算机参数化自动建模虽然有着较高的精准度，但是前期的操作难度和编程的复杂度对操作人员都有着极高的要求。三维建模技术在地下金矿开采对三维建模技术的要求也在随着变高，优化现有的地下金属矿产资源建模技术可以有效提高矿产资源的开产7。2 地下金属矿山开采三维建模设计 2.1 地下金属矿山开采三维建模和可视化技术 现代信息技术的发展推动了地下金属矿山的开采技术的发展，三维建模技术优化了传统的 CAD 二维平面技术所不能做到的技术特点。我国金属地下矿山开采工程总量大，分布范围广。到目前为止，我国金属地下矿山开采技术在逐渐发展，生成人际交互式的 3D实体模型，可以观察到矿山内部的情况。在矿山开采过程中，利用 3D 建模可视化技术来观察其内部结构，避免开采过程中由于内部环境不熟悉而引发透水、坍塌、冒顶片帮等多种形式的灾害，往往造成大量的人员伤亡和财产损失。部分中小型矿山企业专业技术力量薄弱，不按设计施工或无设计施工，矿柱留设不规范，造成开采工作中出现重叠、交错现象比较普遍，严重威胁矿山安全生产8。因此，在地下金属矿产资源开采过程中利用三维建模技术计算出采切的工程量，对比三维建模的数据，通过现代软件技术绘制出是施工图，为后期的施工位置提供重要的数据支持。2.2 金属地下矿山开采方法模型 文章构建的3D建模技术是在立体三维视图重构的技术基础上，对不同方位的视觉平面图提供矿山的走向信息，并且利用 3D 可视化技术对地下矿山中金属矿块的长度、高度和巷道长度等信息通过三维建模技术在计算机可视化技术上展示出来。通过 3D 模型的左视图来掌握整个矿体的位置信息，并且保障金属矿体的横截面的面积大小数据，矿山开采施工队伍提供详细的数据信息。文章构建的 3D 模型是基于三视图原理来构建的模型，具体的 3D 模型构建流程如图 1 所示。中文科技期刊数据库（全文版）工程技术 89 图 1 地下金属矿山开采三维建模方法流程图 在本次模型设计中，首先需要获得矿山的二维数据信息，构建二维坐标系，将三视图的二维坐标系放在三维空间的三维坐标系中，对矿体的位置进行还原，按照矿山不同视角的参数进行模块化的建模，最后利用现代技术的支持将不同的结构模型来构建出来9。2.3 3D 数字化建模主体构建 矿山开采数字化发展和改革的内容主要体现在矿山钻孔数据库建立和矿山井巷工会曾的建模上，利用3D 建模技术的方式来构建 DTM 模型。在矿山的开采和地质勘查工作中需要收集矿山的原始的数据资料，包括矿山原始钻孔的数据，并且利用原始钻孔数据作为矿山地质勘查和勘探的重要数据，在构建的钻孔数据库的基础上间数据转换为支持3D数字化建模所需要的数据内容，从而构建出矿山地质勘查的数据库，借助数据库的支持，优化矿山地质建模系统，构建矿山 3D模型。包括矿区地质模型以及矿体三维模型的数字化构建，实现矿山开采的数字化智能化的操作流程。2.3.1 勘探线剖面图绘制 通过三维可视化技术采取矿山视图环境中各个剖面圈的多边形地质体界线、矿体界线，根据剖面或是探槽顺序连接成为三维地质实体或是矿体实体。具体的步骤如下：（1）利用构建的数据库为矿山 3D 建模提供数据支持，以数据库的管理和分析方式来优化矿山勘探的相关数据；（2）对数据进行清洗和矫正。利用统计的方法对挖掘数据，充分纠正数据中存在的错误，方便矫正钻孔坐标，为矿体 3D 建模提供有效数据，构建可靠的矿体真实分布情况的三维模型。（3）根据提供的地质资料，将矿体分层，由各个领域专业的专家交互的进行实现。（4）根据地质专家的知识和经验，利用地质专家的知识和经验对所圈的矿体进行修，避免出现与矿体实际偏差过大的情况。2.3.2 建立矿体三维模型 通过三视图原理构建出矿山的矿体模型和地下勘探线的剖面图，并且为了更好的分析矿山矿体的构建的 3D 模型，构建封闭的多边形的边界线或是地质层的轮廓线。并且利用矿山矿体多个层面二维轮廓线，结CSG 等技术来构建三维模型。为了使矿山建模效果可以更加逼真，利用“断面-TIN-GTP”模型来构建矿山的矿体模型。由于矿山地形地貌复杂的原因，金属地下矿山内部可能会存在多个夹石层，为了更好的分析矿体模型需要更好地利用三维形体的方法来构建矿体的三维模型。在构建模型的过程中，需要注意两个点。（1）只能连接两个相邻同层面的两个矿体的上端点，不能将一个矿体的上端点和相邻的钻井同层矿段下端点相连。（2）为了优化 3D 模型的内部结构，利用三角形作为连接两个矿层的模型（如图 2 所示）。图 2 矿层轮廓线连接示意图 根据上述对于矿层轮廓线的连接示意，在 B-Rep建模原理以及 CSG 建模原理的基础上来构建矿体三维模型 DK-Section2TIN 算法。将各个矿层的轮廓线的控制点分为上下两个半部分，将上下两个部分的矿层剖面轮廓线相连接后得到矿体的表面模型。3 金属地下矿山开采过程中三维建模的应用 3.1 计算采切工程量及爆破点优化 中文科技期刊数据库（全文版）工程技术 90 采切工程量的计算是矿山开采的基础，爆破点的控制和掘进量的多少都对矿山的安全生产有着重要影响。通过对模拟矿体的切割从而更加精准地模拟开采过程，并通过模拟的结果精准优化爆破点，从而提升矿山开采的效率和安全，避免安全生产事故。3.2 矿山剖面图以及施工图的制作 通过三维视图构建可视化的实体建模，切割输出为剖面图，可以更加直观地展现出矿体的情况，为矿山地质工程师的工作提供数字化依据，并根据模型的数据为矿山开采工程提供模拟多种爆破、掘进方式的不同结果，为采矿工程师绘制施工图提供更多方向。4 结语 通过矿山开采的三维可视化建模，为矿山技术人员提供完备的施工技术图纸，提升地下矿山开采的效率。通过地下金属矿山开采三维模型的构建，使其为矿山开采作业以及安全生产甚至是虚拟灾害救援场景等方面提供有效技术支持。参考文献 1王社光,王立杰,耿帅,等.地下矿山地应力场反演数值模拟研究J.金属矿山,2021(10):46-50.2刘明江,余璨,汪德文,等.三维激光扫描技术在汤丹 铜 矿 复 杂 采 空 区 探 测 中 的 应 用 J.现 代 矿业,2020,36(4):27-29.3任喜荣,李欣,周志杰.等.值反磁通瞬变电磁法在金 矿 采 空 区 探 测 中 的 应 用 J.物 探 与 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