3 DMAX在煤礦數字化中的應用

劉新河 李哲寧 于海洋 王 鵬

（河北工程大學，河北省邯鄲市，056038）

3 DMAX在煤礦數字化中的應用

劉新河 李哲寧 于海洋 王 鵬

（河北工程大學，河北省邯鄲市，056038）

井下三維巷道的可視化是數字礦山研究領域的關鍵問題之一。詳細闡述了礦山數字化的建模背景和如何利用3DMAX軟件技術來進行三維巷道建模。

數字化礦井 3DMAX 巷道建模 三維巷道

隨著信息技術的發展，人們對建立科學現代化的礦山管理系統提出了更高的要求。其中數字化礦山技術在礦山實際生產、開發中發揮著越來越重要的作用。而數字化礦山中三維實體可視化，特別是井下巷道的可視化更是研究的重中之重。我國礦山三維可視化建模的研究和應用始于20世紀80年代初，到現在已有較成熟的研究和應用。

1 建模背景

根據2005-2010年計算機文獻檢索情況來看，國內有關三維數值建模、三維網絡礦圖方面的研究較少，在煤炭工業中的應用就更少，這對本文的研究提供了廣闊的發展空間。本文研究基于三維建模技術和虛擬現實理論，結合計算機圖形學，在Windows桌面操作系統環境下，基于煤礦井下結構布置實際情況，通過3DMAX軟件繪制出基本三維礦井模型。實現了礦井模型的三維可視化與任意角度的展示，對煤礦安全生產、井下生產科學管理具有指導意義。隨著煤炭工業的高速發展，對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。通過井下空間數據的處理，將井下實體對象與相關信息結合起來，借助圖形圖像及3DMAX系統仿真技術，實現空間信息的可視化表達，動態和實時的三維結構能夠更好地表示井下結構的變化過程，為生產和決策服務。

2 巷道三維建模

建模初期由于時間和技術原因，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 “導入”命令，之后在3DMAX中進行操作。可直接在3DMAX中做出巷道斷面，之后直接對斷面進行 “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、移動和旋轉。為便于理解和顯示，3種巷道的實長均取30 m。

半圓拱巷道的生成：設半圓拱巷道寬為3000 mm，高為3500 mm。在利用 “幾何體”下拉菜單中 “標準基本體”中的 “長方體”和 “管狀體”做出半圓拱巷道草圖，其中長方體的長和寬分別為2000 mm×3000 mm和2400 mm×3500 mm。

管狀體內徑和外徑分別為3000 mm和3500 mm。分別選中兩個長方體和管狀體，單擊 “修改”命令圖標，把高度調整為30000 mm。單擊工具欄 “移動”命令圖標，把各對象移到相應位置。布爾運算前的巷道斷面頂視圖見圖1，布爾運算前的巷道斷面透視圖見圖2。

選中較小的長方體，按 “shift”鍵，單擊小長方體，輸入復制 “副本數”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 “復合對象”，單擊 “布爾”命令按鈕，在其下拉菜單中選擇 “拾取操作對象B”，單擊小長方體進行布爾運算；之后先點擊大長方體，再選擇小長方體進行布爾運算，布爾運算后的巷道斷面頂視圖見圖3，布爾運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，選擇適當的顏色，得到同顏色的巷道。

拱形巷道的移動：拱形巷道生成后，其拱和兩幫并不是統一整體，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，此時巷道中心移動到巷道空間的幾何中心。為了使巷道定位準確，選中巷道，單擊 “移動”，在屏幕下方的X、Y中的數值均改為0。按單擊工具欄 “層次”按鈕，選擇 “軸”按鈕，點擊下拉菜單中的 “僅影響軸”按鈕，把Z的定位坐標值改為0，之后再次單擊 “僅影響軸”按鈕，完成對巷道定位中心的移動。選中巷道，就可跟據實際需要，在屏幕下端的數據框內輸入巷道端頭的X、Y、Z坐標，再把巷道移動至指定位置。

拱形巷道的角度調整：假設巷道上端頭定位在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°。當巷道端頭移動到指定位置后，單擊工具欄上的 “選擇并旋轉”命令按鈕，在屏幕下端的X、Y、Z各軸旋轉角度參數欄中分別輸入122、0、44.5，因為巷道生成時的延伸方向為Z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90°＋32°＝122°。輸入數據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

本文只是針對一個巷道進行了建模分析，而巷道的實際情況卻都是不同的，但建模方法卻是一樣，最后再把各個巷道進行銜接，在這個過程中會遇到一些問題需要注意：

（1）各段巷道編號應準確有序，在圖紙上測量巷道長度時應力求準確，并做好原始數據的存檔。

（2）準確測算出各段巷道上端頭的空間坐標，確保巷道搭接良好。

（3）由于巷道段數較多，數據量大，建模時應多加注意，防止因輸錯參數導致巷道位置錯誤。

（4）巷道系統建模后期，巷道段數增多，如果電腦配置較低，電腦反應變慢，可把一些無關巷道設置成隱藏，待需要時再使其顯示。

（5）對于一些關聯緊密、數量較多、長度較短的巷道，可使其成組，減少調整巷道位置時的工作量。

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

3 意義

煤礦地下生產作業的人員集中，煤礦生產環境災害的多樣性、不確定性、高發性和突發性，地質條件復雜，突發事故較多，一線工人技術素質較低，這些使得煤礦生產安全管理要求嚴、風險高、決策難度大且有諸多不確定的因素。這意味著煤炭生產安全管理的實質是一個包含了決策者、生產者、生產設備和生產環境的帶有很多不確定性和模糊性決策因素的復雜管理系統工程。礦山生產屬于真三維操作，地下巷道作為礦山中最重要的空間要素，將巷道布置進行真三維可視化，模擬井下關鍵生產設備及區域的生產過程，生成三維立體圖形，人們可以更加深刻地了解井下現場實際工作環境，明確各采掘工程之間的位置和關系，從而更好地進行生產組織與管理、災害預測與評估和礦山事故分析與再現，對提高礦山生產管理水平、確保礦山安全生產和系統優化設計等具有重要的實用價值。

本文從巷道建模、立體顯示等功能出發，結合3DMAX技術闡述了其具體實現過程。實踐證明，本文中所述方法可以有效對三維巷道進行建模，提高數字礦山中巷道的信息化管理水平。同時本文的研究成功將會對煤礦職工安全生產技術培訓、遠程教育、礦井設計優化、搶險救災、信息查詢及管理決策提供有力技術支持，為礦井的安全生產，科學管理發揮重要作用。促使礦井生產向安全、高效、高產的方向發展，充分體現以人為本、先進技術必須與人相結合的科學管理思想。

［1］韓瑞棟.煤礦三維可視化系統關鍵技術研究與實現［D］.濟南：山東科技大學，2007

［2］張志華.礦山測量數據處理與三維巷道建模方法研究 ［D］.西安：西安科技大學，2006

［3］梅志恒.數字礦山巷道三維管理的研究與設計 ［D］.武漢：中國地質大學 （武漢）信息工程學院，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，現從事采礦工程專業的教學與科學研究工作。

（責任編輯 張艷華）