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2013-07-01 by:广州Solidworks培训中心 来源:仿真在线
1 矿体三维建模的意义
近年来,矿山数字化建模发展迅速,国外广泛应用矿业软件建立矿床三维模型,实现矿山生产的动态管理和资源的合理利用。
国内有些矿山企业和科研院所引进国外一些矿业软件,如Datamine、Micromine和Surpac Vision等进行三维建模。国内一些企业也开发出3Dmine等一些矿用软件,有些矿山利用机械、电子等行业应用较好的建模软件,如UG、proe和SolidWorks等进行三维建模,这些建模软件一般是大型软件商开发的,所以具有功能强大的优点。也有些矿山企业自行开发软件进行三维建模。一般来说,矿业软件专业性好,但功能不强大。目前,矿井井下巷道系统的三维建模还不是很成熟,尚未在设计和生产中起到很好的作用。
从采矿工业的发展来看,建立一个完善的三维矿体模型对于矿山的规划设计、生产管理甚至采矿教学等工作都具有重大的现实意义。
1)三维矿体模型可让整个矿山工程呈现出来(包括地面和地下工程),通过三维矿体模型,矿山管理人员可以直接、全面地了解生产的进度和安全情况,有利于管理者制定进一步的生产计划。
2)由于矿体三维实体模型和绘图与参照绘图的工程和部位是相关联的,所以模型的改变会自动地反映在与之有关联的图形和工程上,这有利于及时调整工程设计。
3)在矿体三维实体模型的基础上,可以在任意位置形成矿体的水平剖面、横剖面、纵剖面和斜剖面图,可以计算矿产储量、开采量和开挖工程量,还可以方便地在其中加入各种井建工程,如竖井、斜井、斜坡道、各种采掘巷道等。
4)可在三维模型上布置矿房和自动布置落矿炮孔。
5)矿体三维实体建模还可应用于教学及采矿方法研究。
2 矿体的三维建模步骤
地下采矿工程结构复杂,很难用规则的几何形体进行描述,通常需要采用一种或几种灵活、简便、适用的建模方法来完成。利用线框构建三维数字模型可满足这种要求,可以迅速地创建出形状物体或自然体的几何模型。这种几何模型还可以比较精确地描述形态或形状复杂多变的矿体,能满足矿山设计、生产中地质制图的基本要求,也是建立三维实体模型的基础(如图1所示)。
图1 三维线框数宇模型
针对矿体形状的不规则性,如何真实地再现复杂矿体是一个难点。但在SolidWorks软件平台上,利用扫描、拉伸、放样等功能,并将矿体剖面图输入,可以初步形成矿体的三维实体模型,然后对局部进行修改,使其更贴近矿体实际。具体的操作流程如下:资料的收集和输入→形成矿体剖面图→矿体三维模型→修改矿体模型。
1)资料的收集和输入。首先根据设计要求收集、分析和选择资料。目前,大多数矿山的生产设计资料都是以图样、文件等传统方式保存的,因此要想办法把资料输入计算机。对于一些图形类资料可以用数字化仪器或扫描方式将其输入计算机,而对于一些文字或数字型资料可以直接输入计算机。这个阶段是基础阶段,此阶段的完善与否将关系到矿体模型的准确度。
2)形成矿体剖面图。考虑到使用平台的功能限制,对推断出来的矿体剖面图要进行一定的处理。例如剖面图有时必须是封闭的,这就需要添加一些辅助线,使剖面图变成封闭图形;当遇到剖面复杂或相邻剖面变化大的情况,还要人为地简化或插入剖面,使其可以在平台上顺利生成三维实体。
3)矿体三维模型。根据上个阶段准备好的剖面图生成的三维实体,考虑到这些通用平台的专业性不强,要在平台的基础上进行二次开发才能使生成的三维矿体更加完善、准确。此阶段是把二维图样转为三维实体,是整个矿体模型构建的重要阶段,也是整个过程中技术含量最高的阶段。
4)修改矿体模型。随着开采的进行,经常会对一些数据和图样做些修改,这就要求生成的矿体要便于修改。当然,这正是特征参数化软件平台的优点,只需要更改一些数据就可以轻松地对已经建立的矿体模型进行修改。图2是根据前面数据生成的三维矿体模型。
图2 三维矿体模型
3 巷道的三维建模
在巷道的几何建模过程中,将巷道分解为点、弧段、巷道断面、局部巷道4个组成部分。巷道是由一系列的局部巷道组成,局部巷道则由巷道中心线弧段和巷道断面来表达。巷道断面是巷道几何建模中的重要参数,主要有拱形、矩形、梯形、斜梯形等形态。为了便于表达,把巷道断面分为上、下、左、右4个弧段,用于描述巷道的断面形态,其中每个弧段又由一系列点组成,如图3所示。
图3 主要巷道断面示意图
当生成巷道模型时,从二维图上提取巷道顶板中心线和断面参数等数据,若1条巷道断面尺寸基本保持不变,则可利用巷道中心线、腰线和断面图来描述它的空间形态。根据上述思想,设计如下算法:
1)根据导线测量数据及二维平面图样确定巷道中心线。
2)巷道中心线平滑处理。
3)确定巷道断面数据。
4)绘制三维巷道实体模型。
巷道是人工开挖而成的,它的几何形态比矿体要规则得多,所以建立巷道模型时,只要把已经开拓好的或准备开拓的巷道中心点连成中心线,然后再加上截面形成的管道特征就可以了,如图4所示。但是,这样做出来的巷道模型并不完美,还需要在巷道中间再尽可能多地加些截面,才能使建立起来的模型更加接近实际,如图5所示。
图4 三维巷道实体模型
图5 三维巷道实体
4 结语
通过建立三维矿山模型,可以实现矿山的全景显示和动态显示,真实、直观、准确、清晰地表现地层、断裂、矿体及围岩形态,表达钻孔、矿井(竖井、斜井)、巷道、探槽、采空区、采矿区以及采矿工作面形态,表达各种机械设备的配备与运转状况,表达矿井风流状况、瓦斯浓度、地应力场等三维现象,通过矿山三维模型和GIS的联合应用,可以有效地建立矿山空间数据库,有效地利用现有资料对未采区和采掘工作面前方、深部及外围的地质构造、矿体变化、矿床分带及其他开采条件进行预报预测,实现对矿山数据的快速更新,加强对更新数据的理解,提高信息的利用效率,进而实现矿山安全生产。
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