基于3D打印技术的采矿方法物理模型制作研究.pdf

第29卷第10期 中 国 矿 业 Vo l . 29,No . 10 2020 年 10 月 CHINA MINING MAGAZINE Oct. 2020 智能矿山 基于3D打印技术的采矿方法物理模型制作研究 吴 超12,徐 帅12, 余12,李元辉12 1.东北大学资源与土木工程学院，辽宁 沈阳110819； 2.深部金属矿山安全开采教育部重点实验室，辽宁沈阳110819 摘 要传统采矿方法物理仿真模型制作流程复杂、周期长、成本高，对专业技术能力要求高，大大限制了 采矿方法物理模型的普及与推广％ 3D打印技术作为一种实现三维虚拟模型实体化的新型制造技术，在采 矿方法三维模型，尤其是物理模型制作中，具备高度灵活、制造成本低、周期短等优势％本文开展基于3D 打印技术的采矿方法物理模型的制作研究，建立基于3D打印技术的采矿方法模型制作的标准化流程三 维建模、模型改塑、打印输出、组装成型和后期处理，分析基于3D打印技术采矿模型制作的工程结构展示、 结构稳定性和模型最佳尺度等关键技术，提出阴模、阳模和阴阳模的概念，通过阴模、阳模和阴阳模相结 合、切割、预置连接结构和确定最佳输出尺寸等解决方案，实现采矿方法物理仿真模型的快速制作％本文 的研究为空间结构复杂多变的采矿方法模型制作提供了一种新的、可靠的实现手段％ 关键词采矿方法物理模型；3D打印技术；标准流程；阴模；阳模；阴阳模 中图分类号TD801 文献标识码A 文章编号1004-4051202010-0096-06 Research on physical model making of mining based on 3D printing technology WU Ch a o112 , XU Sh ua i112 , LIANG Ruiyu112 , LI Yua nh ui112 1. Sch o o l o f Reso urces a nd Civil Engineering, No rth ea stern University, Sh enya ng 110819 , Ch ina； 2. Key La bo ra to ry o f Ministry o f Educa tio n o n Sa fe Mining o f Deep Meta l Mines, Sh enya ng 110819 , Ch ina Abstract It is such a co mpl ex pro cess to buil d up a tra ditio na l ph ysica l mo del o f mining meth o d, w ith so me o bvio us defe ctsl o ng cycl e, h igh co st, a nd h igh pro fessio na l tech nica l requirements, w h ich grea tl y l imit th e pro mo tio no fminingph ys ica l mo de l s As a ne w ma nufa cturingtech no l o gyfo rrea l izingth e3Dvirtua l mo del ma teria l iza tio n 3D printing tech no l o gy h a s th e a dva nta ges o f h igh fl ex ibil ity l o w ma nufa cturingco sta nd sh o rtcycl e Th is pa pers tudiesth eph ysica l mo del ingo fmining me th o dba sedo n3D printtech no l o gy a nd esta bl is h esth e sta nda rdiza tio n pro cess o f mining meth o d mo del ing ba sed o n 3D printtech no l o gy3D mo del ingmo del mo difica tio nprinto uta ssembl y fo rming a nd po st-pro cessing Ana l yzing th e key tech no l o gies such a sengineeringstructure displ a ystructura l sta bil itya nd mo de l be s ts ca l e ba s e do n3D print tech no l o gy mining mo del a nd put fo rw a rd th e co ncepts o f th e Yin mo delYa ng mo de l a nd Yin-ya ng mo del Th era pid buil d-up pro cesso fth eph ysica l simul a tio n mo de l o fth e mining me th o disa ch ie ved by co mbining Yin mo delYa ng mo del a nd Yin-ya ng mo delcutingpre seting th e co nnectio n structure a nd determiningth eo ptima l o utputs ize Th eresea rch pro videsa new a ndrel ia bl emea no frea l izingth eco mpl ex a nd va ria bl e mining meth o d mo del Keywords mining meth o d ph ysica l mo del； 3D printing tech no l o gy； sta nda rd pro ces s； Yin-mo del； Ya ng- mo del,Yin-ya ng mo del 收稿日期收稿日期2019-06-01 责任编辑责任编辑刘硕 基金项目基金项目国家重点研发计划课题资助编号2018YFC0604601国家重点研发计划课题资助编号2018YFC0604400；中央高校基本科研 业务专项资金资助编号N160107001；N180701016；国家自然科学基金资助编号51874068 第一作者简介第一作者简介吴超1993 ,男，硕士研究生,E-ma il429487851qq. co m 通讯作者简介通讯作者简介徐帅1981 ,男，副教授,E-ma il149100518qq. co m 引用格式引用格式吴超，徐帅，梁瑞余，等基于3D打印技术的采矿方法物理模型制作研究姜仁义 | I U--------A---------」 （模型组書成型） 后期h理 塵奚強 图图2基于基于3D打印技术物理仿真模型建立的标准流程打印技术物理仿真模型建立的标准流程 Fig. 2 Standard flow of physical model based on 3D printing technology 2采矿方法物理模型采矿方法物理模型3D打印关键技术打印关键技术 2. 1接口设计 建模过程中，根据需要在模型上预制连接结构, 分为嵌套 和磁铁槽 ，均要在建模 过程中完 制％采用嵌套进 时预 留2 mm公差,且嵌套 长度为模型长度的3/10 理，当采用磁铁 时，磁铁槽 方向需要 预留0. 5 mm公差,根据效果实验，磁铁选用4 mmX 4 mmX 8 mm的强磁铁，预制磁铁槽尺寸长X宽X 高为8. 5 mmX 5 mmX4. 5 mm ,能取得较好的拼装 且结构稳固％胶结连接不需要在建模过程中预 制相关 ，只需 分 工程进 即可。 2.2 模型组 物理模型可以分为阴模、阳模和阴阳模（图3 阳模 无 空间工程具 工程再现的 模型，可将无 空间工程具 ，由抽象空间 概念 物模型，使无 空间工程更具体更 , 矿体、间柱和 等 以阳模构 建。阴模 无 空间工程再以无 空间 出来的模型，其将空间工程最大程度进行还原, 是 工程的再现，甚至工程 可部分还原或 完全还原，这是阳模所 拟的％因此需要还原 工艺流程时可采用阴模 ，如展 部 流程％ 模 模与阴模的组合 , 无 空间 工程 与无实 造的兼顾, 种壁 。该 顾 模与阴模的优势,在将无 工程 时, 还能保留其 ，直 巷道、行人通 风天井和联 等巷 和 等均可制作为阴 阳模模型％ 根据构建模型的用途，合理地将阴模、阳模和阴 阳模进行组 用，为学习、生产和科研提供基础支 撑 复杂的采矿方法更 、更 基础 ，进一步 工程部分工艺和 再现％ 阳模 阴模 阴阳模 图图3阴模、阳模和阴阳模实例图阴模、阳模和阴阳模实例图 Fig. 3 Example diagrams of Yin model,Yang model and Yin-yang model 2.3输出尺度 理的模型输出尺寸能有效降低时间和材料成 本，并改善模型质量％地下采矿工程作 空间 工程，采矿方法是其重要的工程内容，其模 第 一步是要对其进 缩小。尤其是基于 3D打印技术的采矿方法物理模 制作, 技 术的制约，如 保证其模型质量 提下 时间 本是首要 。当制作局部工程模型时，10 c mX 10 c mX 10 c m〜30 c mX 30 c mX 30 c m 是保证时间 成本和质量的理想尺寸，而对于整个采矿方法模型, 30 c mX 30 c mX 30 c m〜60 c m X 60 c m X 60 c m 既 能清楚展示工程的复杂空间结构，又能保证时间上 理,不管是局部模型还是 采矿方法模型，工 程 复杂时，可适当增 模 ，反之可适 缩 ％因此，要根据需要模 工程实际 和空间结构的复杂程度选择合理 出 1 3应用示例应用示例 31 工程 根据上述3D打印采矿物理模型构建流程，对 某矿山所采用 矿法3D打印模 ，其工 程结构和参数如下所述％模型由矿房矿柱、采切工 程和底部结构三部分构成，矿房矿柱包括顶柱、间 、未采矿体、崩落矿体等％采切工程包括行人通风 100中国矿业 第29卷 天井、阶段运输巷、联络道等。底部结构采用漏斗电 耙 ，包括 、电耙巷、溜井和人行井等。矿体 倾角70,矿块长50 m,宽12 m,高50 m。矿房宽38 m,顶柱厚4 m ,间柱宽12 m。阶段运输巷断面尺寸 为3 mX3 m,行人通风天井和联 面尺寸 2 mX2 m,电耙道、溜井和人行井断面尺寸为1. 8 mX 1.8 m ,电耙道位于 巷之上3 m处。采用 方形漏斗，漏斗间距为6 m,斗颈断面尺寸为2 mX 2 m,斗颈高2 m,有效放矿断面尺寸为1. 2 mX0. 6 m。 3. 2三维建模 工程的模型化是3D打印输出的前提，采 用C AD软件进行模 建。建模可以 矿房 （矿柱）、底部 、采切工程的分别建模来建立浅孔 留矿法的三维模型。实际工程尺寸与模型尺寸比例 采用100 1,井巷模型均采用空心结构，壁厚5 mm。 度 矿度, 布置亚 克力板 布 ，炮孔用吸管制作。 建模依据工程三 进行还原构建，先建立规则模 再 布尔运算实现复杂工程 建。同 时在建模过程中 铁扣槽、 等组 拼接及 。 建模过程过于复杂 比 以底部 建模过程进 明，如图4所示。 3.3接口设置 模 三种类型嵌套接口、磁力接口、 胶 ，其中嵌套 、磁铁 可拆卸式 拼装，胶 固 拼装，如图5所示。 基本体建模布尔运算 I基本体拼接拼接底部结构预置磁铁槽 图4底部结构建模流程 Fig. 4 Bottom structure modeling process 嵌套连接 磁铁连接 胶合连接 图5模型接口类型 Fig. 5 Model interface type 根据模型的具体结构特点，不同位置选用不同 的连接方式。 开 工程模型用胶水粘结, 工程 间 采 用 铁 铁 用 胶 固 铁 槽中。上盘 巷和下盘 巷等巷道工程，分割 后的还原采用嵌套 ，可以保证巷道工程模 J 规。 34 模 出 模 软件后，首先在切片软件中选择 合适的打印方向，保证模 打印过程中 其 打印方 流 且 于45的突 出物，当突出物角度 时需要增 。打印参 设置如下模型采用10 填率可以兼顾模型 度和材料消耗，0. 2 mm层高 顾模 面精 度与打印速度，外壳厚度为0. 8 mm,底部和顶部厚 度 设 0 8 mm。 模型打印过程中经常会出现翘边、模型粘不上 平台、模 以取下和出料 等 。模 边 和模 是由于 造 ，可以通 调平、涂抹胶 热 改 。模型 打完之后难以取下，可以 热 打印 解决。当模型封 时，应加热 230。并采用专用 进行疏通。 35 模 组 采 用 铁 位 用 胶 铁 固 到 模 制 铁槽中，保证 ，磁铁选 用 4 mmX4 mm X8 mm 铁 制 铁 槽 寸长X宽X高为8. 5 mmX8. 5 mmX4. 5 mm,保证 组装模 固性。胶结连接和嵌套连接 接进行胶粘和嵌套连接即可。 制作选用亚 克 力 板 亚 克 力 板 之 间 用 铁 固 第10期吴 超，等基于3D打印技术的采矿方法物理模型制作研究 101 制作和打印同时进行可节省大量时间。此外3D打 印 标注采矿方 ，米 ，并在支 下方 。组 矿法物理模 型如图6所示。 图6 矿法物理 Fig. 6 Physical simulation model of shallow hole retaining 4 1） 基于3D打印技术构建采矿方法物理模型的 标准流程分为三维建模、模型改塑、打印输出、组装 和后期处理五部分。研究 明采矿模型最 佳尺寸在 30 c m X 30 c m X 30 c m〜60 c m X 60 c m X 60 c m之间，在兼顾工程结构展示清晰的条件下，最 大限度地 制作成本和缩短制模周期。 2） 采矿方法模 工程 特征进行 分类，其中，矿房、矿柱、井、巷、电耙道）同室、点柱和 溜井为类长方 工 程，而 、堑沟和斜 等 、棱台、类长方 、类圆环体等组 复 工程， 复杂采矿方 3D打印奠 模 基础。 3） 提出可拆 拼装与固 拼 种模 型拼装方式。基于可拆 拼装（嵌套 ，磁铁连 ） 部 精 展示，基于不可拆卸式 保证模 性。 4） 矿山 矿采矿法物理模型的 制作 ，证明基于3D打印技术 采矿方法模 建立是可行的，且 到 。 ■ 参考文献参考文献 1 李阳，柳小波，刘芹，等浅谈3D打印技术在采矿工程教学中 的应用与研究 J 教育教学论坛,2016（31）256-257. 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