马坑铁矿采矿工程三维巷道建模研究.pdf

Three-dimensional Tunnel Modeling of Makeng Iron Mine SU Cheng-zhea， ZHU Jian-xina， YUAN Hai-pingb， WANG Ruib （ a.Faculty of Resource and Environmental Engineering； b.Faculty of Applied Science， Jiangxi University of Science and Technology， Ganzhou 341000, China） Abstract The two -dimensional display of Tunnel has the disadvantages of slow feedback, complex line examination, and being unable to view directly the spatial relations. This paper introduces the three-dimensional tunnel modeling via AutoCad, Supac. The transation from two -dimensional image to three -dimensional display is actualized, which lays a solid foundation of the mine digitization. Key words tunnel modeling； mine digitization； Makeng iron mine； Surpac 文章编号1005-2712 （ 2010）02-0003-04 马坑铁矿采矿工程三维巷道建模研究 苏成哲 a， 朱建新 a， 袁海平 b， 王瑞 b （ 江西理工大学， a.资源与环境工程学院；b.应用科学学院， 江西 赣州 341000） 摘要巷道的二维显示方式具有反馈速度慢，线路查看复杂，不能直观、立体、形象地描述井下已 有巷道及其空间关系等缺点. 采用 AutoCAD、Surpac 软件，以马坑铁矿巷道数据资料为依据，具体 介绍了三维实体巷道建模的思路和过程，并构建了马坑铁矿三维巷道实体模型，实现了马坑铁矿巷 道二维表达向三维展现的转化，为实现矿山数字化奠定了基础. 关键词巷道模型； 矿山数字化； 马坑铁矿； Surpac 中图分类号TD263； TP391.9文献标识码A 第 24 卷第 2 期 2 0 1 0 年 6 月 Jiangxi Nonferrous Metals Vol.24，No.2 Jun . 2010 收稿日期2009-09-10 基金项目江西理工大学研究生创新基金资助项目 作者简介苏成哲 （ 1985-），男，2008 级硕士研究生. 0引言 巷道作为连接地面和地下而开掘的各类通道 和硐室， 是井下生产的动脉. 由于井下巷道的复杂 性和地下资源条件的不断变化，采用二维的方式显 示巷道具有反馈速度慢，线路查看复杂，不能直观、 立体、形象地描述井下已有巷道及其空间关系等缺 点. 随着计算机技术的快速发展和广泛应用，许多学 者对巷道的三维实体建模做了有益的研究. 魏占营[1] 采用巷道拱顶曲面离散化的拓扑数据思想，将巷道 划分为巷道体和巷道间节点进行巷道三维建模； 徐福玉[2]以 AutoCAD 平台结合 VC． NET 和 Object ARX 技术完成三维实体井巷构建；沈沄 [3]利用拉伸、 扫描、旋转等方法建立矿井通风网络的三维仿真模 型等[4-7]. 本研究以福建马坑铁矿二维巷道实际数据 资料为依据，利用 AutoCAD 软件强大的制图功能和 Surpac 矿山软件优越的建模功能，构建了该矿三维 实体巷道模型，实现了马坑铁矿巷道二维表达向三 维转化，从而能直观的描述三维实体巷道与巷道围 岩的空间位置关系， 为合理确定矿山开拓系统、优 选采矿方法奠定了基础. 1三维实体巷道构建的基本思路 1.1巷道建模的数据源 巷道导线点的坐标是巷道数据源，井下的每一条 巷道都布置了具有三维坐标的导线点，巷道的空间位 置是由导线点的三维坐标决定的，因此巷道内的导线 点是构建三维实体巷道的数据源. 相对于整个矿区建 模而言，可将巷道分解为多个相互交错的单一的巷道 体，如果将巷道抽象为一条线，这条线就是巷道中线. 2010 年 6 月 如果将巷道体抽象为巷道中线、巷道断面和巷道的三 角网格，那么相对局部矿区建模而言，根据巷道用途 以及断面形状的不同， 巷道体是不一样的. 而巷道的 空间形态是由巷道的断面决定的，因此巷道的断面数 据也是构建三维实体巷道的数据源之一. 1.2巷道中线构建 由于井下测量受空间的限制，并且一些先进的 测量仪如全站仪等在很多矿山单位还未能配置，所 以导线测量仍是井下测量的主要手段. 井下测量的 导线点顺次连接起来并不是巷道的中线，因此导线 点不能直接用来做巷道的中线，需根据导线点采用 巷道中线逼近[8]的方法进行处理，来实现导线点换 算为巷道中线点[9-10]. 将一条巷道换算后得到的中线 点连接起来，即成了该巷道中线，所有的巷道中线 组合在一起即可描述整个巷道的网络拓扑结构. 1.3巷道断面构建 巷道实体模型可直观反映巷道与矿岩、围岩空 间位置关系. 巷道模型采用中心线加巷道横断面的 方法进行. 根据巷道的功能并结合其地质条件情 况，巷道的断面可能是矩形、半圆形、梯形拱、三心 拱甚至是圆弧拱[1]. 本研究涉及到的断面形状主要是 直壁拱形和圆形断面，圆形断面可类比直壁拱形进 行建模. 直壁拱形巷道的断面形状可以利用 r、h、w3 个 参数来控制. 在运用矿山软件 Surpac 建立三维实体 巷道时，为了加快巷道建模的速度、提高建模的效 率并达到建模的智能化、 自动化. 采用 5 个线段逼 近的方法来表达巷道拱顶的曲线部分，最终形成的 巷道断面由 8 个坐标点组成 （ 如图 1），虚线表示巷 道拱顶的曲线部分，1～8 表示点坐标的位置. 图 1巷道断面图 2三维巷道实体的实现 2.1工程概况 福建马坑铁矿为国内特大型磁铁矿之一，现已探 明为华东第一大矿，矿石类型为磁铁矿，具有储量大、 岩体稳定、可选性好、矿床埋藏深度大、矿坑涌水量大 和伴生钼矿可综合利用等特点， 总储量为 4.34 亿 t， 平均品位 Fe 37.99 ，矿区分为中、西两个矿段，铁 矿石地质储量约为 4.34 亿 t，其中中矿段 1.15 亿t， 西矿段 3.19 亿 t. 初步规划可建设 600 万 t/a 的特 大型地下开采矿山,建成后将成为国内最大的地下 铁矿山,计划分三期建设,第一期开采420～530 m 标高段矿体，地质储量约 667.19 万 t，第二期开采 150～420 m 标高段矿体，铁矿石储量 3800 万 t；第 三期开采－100～150 m 标高段矿体， 该范围内铁矿 石储量 20 700 万 t. 随着实际开采的不断进行，井下巷道将不断的 增加且更加的复杂. 如图 2 为马坑铁矿局部巷道， 该二维平面图将巷道抽象成双线，这种显示巷道的 方式不能直观的确定井下巷道的空间位置关系，而 且巷道与周边岩体的空间位置关系难以显示. 为此 采用矿山建模软件 Surpac 并结合绘图工具 Auto－ CAD 将巷道二维表达向三维转化. 图 2马坑铁矿局部巷道 2.2三维实体巷道的形成 Surpac 矿业软件是世界矿业领域内具有领先水 平的矿山应用软件， 在全球 90 多个国家和地区有 5000 多个用户，该软件有以下优点能建立空间数 据库、建立空间实体模型、块体模型，有优越的三维 制图功能，能充分利用主剖面与加密剖面的探矿成 果，建立切合实际的矿体三维模型、品位模型和巷 道三维模型. 目前马坑铁矿开采主要有420 m、390 m、 360 m、330 m 和300 m 5 个中段，各中段的水平 巷道分别根据平面图建立巷道三维模型，其它巷道 如斜坡道、提升井、盲斜井等根据巷道中线及巷道 断面实测尺寸建立巷道模型.巷道建模步骤如下 1 2 3 5 6 8 7 h r W 4 4 第 24 卷 第 2 期 （ 4）网络拓扑结构在其节点处巷道延伸的方向 不明确，为了便于巷道体的生成及巷道间的布尔运 算需要对巷道网络结构在 AutoCAD 中进行处理. 巷 道网络拓朴结构可用结点、节点和巷道线[5]三种基 本元素组成. 图 5 为处理后的巷道网络示意图，图 5 中的 A、B、C、D 等表示结点和节点，1、2、3、4 表示巷 道线. 表 2 为处理后拓朴网络结构形成三维实体的 巷道中线路径. （ 5）在 Surpac 中导入 dxf 格式文件，并转换保存 为 str 格式的线文件. 运用 Surpac 的坐标转换功能 将巷道中线局部坐标转换为与实际相符的世界坐 标，再由中线与断面形成巷道实体的功能建立不同 类型的巷道实体 （ 如主斜坡道、竖井、斜井、各中段 （ 1）在已有的井下巷道 AutoCAD 二维图中，根据 中段标高和巷道轨道数目进行巷道断面划分，如 表 1 中段高度为420 m 巷道断面尺寸情况. 表 1中段高度为420 m 巷道断面 （ 2）针对不同中段高度的井下巷道导线点，图 3 为420 m 中段局部巷道及巷道导线点 （ 图 3 中黑点 代表导线点）， 在 AutoCAD 中采用巷道中线逼近的 方法进行处理，得到经过换算的巷道中线点，再连 接各中线点得到420 m 中段巷道网络拓扑结构，如 图 4 所示. （ 3）保存巷道网络拓扑结构和巷道断面为 dxf 格 式文件，完成巷道网络拓扑结构和巷道断面的 Au－ toCAD 处理. 巷道断面尺寸 （ 宽高） / m 双轨巷道4.03.6 单轨巷道3.63.6 无轨巷道3.03.0 竖井Φ4.0 主斜坡道4.03.6 苏成哲，等马坑铁矿采矿工程三维巷道建模研究 图 4420 m 中段巷道网络拓扑结构 盲竖井硐室 八号上山 九号穿脉 十号穿脉 十号上山 图 3420 m 中段局部巷道及巷道导线点 66 H1 9-4 53 FA244 J2-2 B 55 10-5 17 4 A25 K1 八号穿脉 5 2010 年 6 月 图 6巷道实体模型与部分岩体的空间位置关系 3结语 巷道是为采矿提升、运输、通风、排水、动力供 应等而掘进的通道， 是井下生产的动脉. 利用 AutoCAD 软件和 Surpac 矿山软件建立马坑铁矿三 维实体巷道模型，实现马坑铁矿巷道二维表达向三 维转化，将各采掘工程巷道与岩体之间的空间形态 全方位地、可视化地、动态地展现出来，为合理的确 定矿山开拓系统、 优选采矿方法提供了良好基础， 大大提高工程设计、分析的能力. 其次建立三维实体 巷道模型不仅能确保巷道资料管理工作的准确性， 也减少工作量，提高管理人员的工作效率，而且能 提高企业决策的科学性和生产过程的可控性，为实 现现代矿山的科学化管理，构建数字化矿山奠定了 基础. 参考文献 [1] 魏占营,王宝山,李青元. 地下巷道的三维建模及C实现[J]. 武汉 大学学报,2005,307650-653. 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