凡口礦井下工程巷道模型的構建

陳小輝

(1.廣東省韶關市凡口礦測量科, 廣東 韶關市 512325；2.中南大學， 湖南 長沙 410083)

1 工程巷道模型的構建方法

廣義的工程巷道包括井筒(包括豎井、斜井、溜井、措施井、通風井、天井等)、斜坡道、中段及分段巷道、硐室等井下工程。根據礦山測量原始資料、工程巷道類型不同，工程巷道三維模型建立有三種方法：直接繪制法，中線法和腰線法。

1.1 直接繪制法

對于原始資料相對缺乏，工程簡單的模型如井下硐室三維模型常采用這種方法繪制。首先根據模型四周的控制點繪制封閉的曲線，再采用實體模型構建方法依次連接曲線構成一個封閉的實體，由于方法比較簡單，這里不做詳細敘述。

1.2 中線法

中線法常用于斷面規則的井筒、斜坡道及中段實體模型的構建。該方法只需要提供工程的中線和斷面就可以構建三維實體模型，其中中線表示井筒的中心線，巷道底板的中心線，斷面可以是圓形、矩形、三心拱及任意形狀。以凡口南風井為例闡述詳細的中線法建立工程巷道實體模型步驟如下：

(1) 收集井筒的井口和井底三維坐標及斷面形狀。為順利建模，在數據準備階段，從各中段平面圖、開拓系統總體平面示意圖和主斜坡道平面圖等中通過各井筒的平面投影來確定它們的坐標。期間為了盡可能降低由于繪圖誤差而引起坐標的不準確性，通過多個平面圖進行反復綜合對比分析，選取其中最合理的坐標作為標準建模。

(2) 繪制井筒斷面圖。南風井斷面規格為直徑4 m的圓，在Surpac中繪制南風井斷面圖。繪制過程中注意：斷面的幾何中心一定要在坐標原點，即圓心坐標為0，0，0，最后保存文件為“直徑4.str”；

(3) 繪制井筒中線。通過創建點方式繪制南風井中線，運行菜單：創建/點/通過坐標，彈出“輸入/編輯點”對話框。選擇你所希望的線號，輸入南風井井口X、Y、Z坐標，在描述中可以填寫一些相關的描述信息，比如：南風井井口，完成后執行，再按相同方法創建井底坐標，執行后完成南風井中線的繪制。

(4) 生成實體。運行菜單：實體建模/創建三角網/利用中線和斷面生成，彈出“利用中線和斷面聯三角網”對話框。

輸入剖面線文件，點擊位置右邊的倒三角，彈出“選擇斷面文件”對話框。

選擇文件“直徑4.str”，打開即可，并完成各項設置，執行后就完成了南風井實體生成。

相比井筒模型，中段巷道模型中線的繪制比較復雜，需根據實測的巷道頂板坐標轉換至相應的底板坐標，并生成巷道中線，再對中線進行線處理，達到滿足軟件對線文件的要求，最后利用建立好的巷道斷面來建立巷道三維實體模型，采用這種方法構建的巷道模型斷面是規則的，但實際上巷道兩幫寬度及位置往往是變化的，因此，如果需反映實測的巷道兩幫，需采用腰線法構建。

1.3 腰線法

中線法生成的巷道模型往往不能準確地反映各中段水平巷道實際邊界及頂底板實際標高，模型邊界與實際邊界不符，而腰線法主要依據實測中段巷道平面圖，頂底板標高嚴格按照測點標高進行處理，避免采用中線法建立的巷道斷面規格相同的缺陷，能根據巷道兩幫實測邊線構建實際的巷道模型，是建立井下中段、分段巷道模型的最佳方法。

2 原始資料收集及處理

2.1 各中段平面圖的CAD處理

因為原始中段平面圖中所包含的信息非常多，所以首先將原始CAD圖中關于巷道的信息提取出來(僅提取巷道和測點)，將原圖中與巷道無關的圖層隱藏，復制剩余的圖層到一新文件中，并保存為DXF格式(Surpac只能識別DXF文件，而不能識別DWG文件)，刪除圖中的多余信息，比如天井、風井以及圖中的數字和漢字，處理結果見圖1。

圖1 -400 m中段平面CAD處理結果

2.2 各中段平面圖的Surpac處理

(1) 文件格式轉換。將DXF文件在Surpac中轉化為.str線文件格式；

(2) 提取測點。提取出文件中有用的測點，保存為 “-400 m中段巷道測點.str”，巷道線保存為“-400 m中段巷道.str”；

(3) 刪除多余點。刪除除巷道外的其他多余點；

(4) 線串重新編號。由于CAD圖是經矢量化得到的，進入Surpac后生成許多不同顏色的線串，為方便處理，需統一修改線號。運行菜單：編輯/線串/重新編號范圍。在對話框中統一編為2號(此編號可隨意選擇，此處編為2號是為了方便顯示，因為1號線為白色，顯示不清晰)。

(5) 閉合線段。根據Surpac要求，所有巷道邊界線必須閉合，使用編輯線功能將巷道線文件中的所有開放的線段閉合，并聯結為一個整體；

(6) 標準化線段。由于線文件中點的分布不均，有些點過于密集或疏散，因此有必要將線段標準化。運行菜單：編輯/線段/標準化線段。彈出“標準化線段”對話框。經過多次測試之后，取點與點之間最大距離為10 m，最小為1 m，這樣使Surpac圖與原圖誤差較小，而又不影響后面的處理計算。在標準化完成后，再把原圖與標準化后的圖調到一起，做一些細節上的修改，以保證最大限度與原圖巷道邊界一致；

(7) 圖層清理。清理圖中的跨接、重復點及聚結點，保證巷道順利生成實體。運行菜單：編輯/圖層/清理，清理面板，這是線文件處理中最重要的一步，因為任何一點的錯誤都將導致DTM不能生成。尤其是重復點的清理，選擇重復點的最大捕捉距離為0.05 m，因為兩點距離小于0.05 m是不能生成DTM的；

(8) 調整線段方向。根據DTM剪切對線的要求，最外圍的線段和里面所有的線段方向必須相反，這里取外圍線段為順時針，里面所有線段為逆時針。運行菜單：線文件工具/更改線串方向，所有線段都選擇逆時針(之后只需再把外圍大圈調為順時針即可)；

(9) 圖層運算。運行菜單：編輯/圖層/運算，彈出“圖層運算”對話框，輸入Z=-400，點擊執行；

(10) 修改線高程。同時調入“-400 m中段巷道.str”和“-400 m中段巷道測點.str”，根據測點的標高修改巷道邊界線。這一步非常繁瑣，需要足夠的細心和耐心。修改方法主要是根據測點先修改測點周圍巷道上點的高程，再采用更改線坡度功能修改兩個測點中間的點的高程，逐個進行修改，完成這步后即完成了巷道底板線的編輯，保存為“-400 m中段巷道底板.str”。

(11) 編輯巷道頂板。為了更加接近三心拱的形狀，這里沒有采用常用的中線來形成拱，而是用2條并行的擴展線來確定拱的形狀，向中間擴展的距離依據巷道寬度來定，約為巷道寬度的1/3，通常向內擴展1～1.5 m，具體按不同的巷道規格來進行選擇。

將“-400 m中段巷道底板.str”文件重新保存為“-400 m中段巷道頂板.str”，并根據巷道規格統一對線文件高程進行修改，并進行線段擴展。運行菜單編輯/線段/擴展范圍，得到“線段拓展”對話框，線段范圍0-9999表示包括了所有的線，偏移量為-1 m，執行后再把得到的線文件重新編號，另外保存為“-400 m中段巷道拱.str”，再將“-400 m中段巷道頂板.str”和“-400 m中段巷道拱.str”調入同一圖層，保存為“-400 m中段巷道頂板.str”文件；

(12) 對“-400 m中段巷道頂板.str”文件進行清理，主要檢查是否存在跨接、重復點和聚結點。因為線段在擴展過程中，會出現很多重疊交叉的地方，具體方法前面已經敘述，這里就不再介紹；

(13) 對“-400 m中段巷道頂板.str”進行圖層運算。

以上工作全部完成后，即完成了-400 m中段巷道線文件的編輯，接著就可以生成頂底板表面模型(簡稱DTM)。

3 工程巷道模型構建

根據實測巷道實體模型建立的方法，要求頂底板線文件分別生成DTM，再將它們連接在一起形成真正的實體(簡稱3DM)。生成DTM的具體方法如下：

(1) 調入“-400 m中段巷道底板.str”。運行菜單：DTM工具/由當前層創建DTM。

(2) DTM剪切。選擇菜單：DTM工具/DTM剪切或相交/用線剪切DTM，然后選中最外面線，得到底板DTM剪切結果圖。

(3) 把以上生成的DTM保存并關閉后，再調入“-400 m中段巷道頂板.str”，按上面相同的步驟生成頂板DTM剪切前效果圖。

(4) 將上面生成的“-400 m中段巷道底板.dtm”和“-400 m中段巷道頂板. dtm”調入同一個圖層，并保存為“-400m中段巷道.dtm”文件，如圖2所示。

圖2 合并之前的顯示

(5) 選擇在段間連三角網，彈出對話框，設置體8和三角網1(為了便于觀察三角網連接情況，將體號設置為8)，點擊“執行”，分別選擇頂底版線。

(6) 按照相同的方法依次完成-400 m中段頂底板之間所有的三角網連接工作，最后將體號網號都設置為1，至此-400m中段巷道實體模型生成已經全部完成，結果見圖3。

圖3 -400 m中段巷道實體模型

為了方便模型的使用，針對所有中段或者分段均另外單獨建立了標注文件。按住CTRL鍵，將模型與標注線文件一同調入Surpac，然后通過運行菜單：顯示/點/描述，或者點擊工具欄圖標，來顯示標注內容。

將所有中段處理完成后，再調入同一個圖層，得到最后的結果。

4 工程巷道模型的更新

凡口礦于2007年采用腰線法構建了-320 m以下全部的中段、分段巷道實體模型，鑒于目前井下新增了一些工程，在原有巷道實體模型的基礎上，選擇并確定了合理的更新工程巷道模型的技術。

4.1 工程巷道新增工程的特點

對于井下新增工程，主要有以下幾個特點：

(1) 對已開拓中段的工程巷道，新增工程主要為局部回風巷、穿脈進路、硐室、措施井、天井等，工程比較分散，但與原有工程緊密聯系；

(2) 對原沒有開拓中段的工程巷道，全部為新增工程，新增工程自身聯系緊密；

(3) 新增工程的斷面基本與原有巷道斷面保持一致。

4.2 工程巷道模型的更新方法

鑒于新增工程的特點，特制定如下更新方法：

(1) 對自身聯系緊密，旁邊沒有原有巷道的新增工程，采用腰線法構建；

(2) 對分散、旁邊有原有巷道的新增工程，考慮重建原有巷道的復雜性，決定保留原有巷道不變，只對新增工程進行實體模型構建，再與原有巷道進行布爾運算，使其形成一個整體。

參考文獻：

[1]楊鴻翼,劉亮明,趙義來. 基于Kriging和Marching cube算法的地學三維形態模擬[J].中國圖象圖形學報,2008(03).

[2]王顯祥,王光杰,閆永利,等. 三維可視化在CSAMT勘探中的應用[J].地球物理學進展,2012(01):296-303.

[3]花 杰,邢廷炎,芮小平. CSAMT數據三維可視化的方法[J].地球物理學進展,2012(04):1743-1753.

[4]王明華,白 云. 三維地質建模研究現狀與發展趨勢[J].土工基礎,2006(04):68-70.

[5]明 鏡. 三維地質建模技術研究[J].地理與地理信息科學,2011(04):14-18,56..