紅嶺鉛鋅礦的虛擬現實系統

趙 永 楊天鴻 解聯庫 朱根鵬 胡高建 張 飛(1.深部金屬礦山安全開采教育部重點實驗室，遼寧 沈陽 110819；2.東北大學資源與土木工程學院，遼寧 沈陽 110819；3.北京礦冶研究總院礦山工程研究所，北京 100160；.內蒙古赤峰紅嶺有色礦業有限責任公司，內蒙古赤峰 02550)

·機電與自動化·

紅嶺鉛鋅礦的虛擬現實系統

趙 永1,2楊天鴻1,2解聯庫2,3朱根鵬4胡高建1,2張 飛1,2
(1.深部金屬礦山安全開采教育部重點實驗室，遼寧 沈陽 110819；2.東北大學資源與土木工程學院，遼寧 沈陽 110819；3.北京礦冶研究總院礦山工程研究所，北京 100160；4.內蒙古赤峰紅嶺有色礦業有限責任公司，內蒙古赤峰 025450)

根據紅嶺鉛鋅礦的實際情況，基于VR技術建立了一整套礦山虛擬現實系統。針對VR技術在礦山中應用的不足之處，對虛擬現實系統構建軟件進行了二次開發，加強其對外部數據的集成與可視化，實現對微震數據、應力場、位移場、塑性區以及理論計算結果的真三維顯示。該礦山虛擬現實系統不僅包含了地表、工業場地、礦體、井巷、采場以及回采動畫等礦山三維模型場景，還包含了一些數據、數值結果的顯示，具有虛擬場景漫游、信息查詢、數據立體呈現和交互控制等功能。針對紅嶺鉛鋅礦的大量采空區，通過對虛擬現實系統中眾多重要三維數據的聯合解讀和分析，實現對采空區圍巖穩定性的評價以及危險區域的確定，提高了VR技術在礦業領域的應用性。

三維模型 VR技術 數據集成 采空區穩定性

礦體是一個多介質的復雜結構空間體，其中一些不連續的空間結構體展布特征對采礦活動的進行尤為重要，且隨著礦石開采的不斷進行，圍巖運動以及礦體壓力都在不斷地發展和變化著，發生災變的條件隨時可能遇到，且在開采過程中會產生大量的時變地質信息數據。利用傳統的二維圖表或在各個系統完全獨立運行的條件下，人們將很難理解復雜空間中各數據集的時變過程，難以利用這些數據來推斷地質信息在研究區域內的發育分布規律。除此之外，礦山巖體具有動態穩定性的特點，故對采空區穩定性的評價不能以單一因素進行評價，而需綜合多元因素、多手段、全過程、分階段的動態評價。所以急需一門技術來反映地質信息、巖石力學信息、應力信息以及聯合集成多方數據。虛擬現實技術的出現，可適時地解決這一問題。利用虛擬現實技術，將采礦活動的各個環節編制成交互性強的可視化系統，可將地質資料、礦體模型、巖石力學、數值模擬等模塊結合在一起，供用戶分析和考慮多方面的因素，可對各研究區域的穩定性進行綜合分析、危險區域定位，提高生產進度及安全[1]。

1 虛擬現實概要

20世紀80年代初，美國人Jaron Lanier提出了“Virtual Reality”的概念。Grigore C.Burdea和Philippe Coiffet在《Virtual Reality Technology》把虛擬現實技術定義為一種高端的人機接口，包括視覺、聽覺、觸覺、嗅覺和味覺等多種感覺通道的實時模型和實時交互[2]。VR技術能為礦山用戶提供一種逼真的三維虛擬礦山環境，使用戶不僅可以沉浸在虛擬礦山場景中，產生“身臨其境”的感覺，還可以與之進行實時交互，用戶可以沉浸于數據空間，能以更自然、更直接的方式與數據交互，這是傳統的二維CAD設計圖和預渲染回放的三維動畫所無法達到的[3-4]。我國礦業領域VR的研究尚處于初級階段。近年來，許多與礦業有關的科研院校相繼建立了礦山虛擬現實實驗室，在礦山VR領域取得了一定的成績，例如：東北大學虛擬現實實驗室結合石人溝鐵礦開發了石人溝鐵礦虛擬現實系統，該系統實現了模型的真三維顯示、漫游、數據查詢，還實現了對微震數據、安全系數等重要信息的集成[5]；中國礦業大學與德國DMT大學合作，把礦井決策模擬系統STMBERG應用于真實礦井中，可模擬井下火災的發生過程、變化趨勢[6]；西安科技大學采礦數字化實驗室研發了煤礦實地仿真教學系統，模擬了礦井從地面到工作面的巷道系統[7]等。

本研究通過結合赤峰紅嶺鉛鋅礦的實際情況，建立虛擬現實系統，真三維的表現礦山數據。并通過對虛擬現實構建軟件的二次開發，實現對結構面信息、應力場、微震信息等數據的三維可視化表達，可依據集成結果對采空區圍巖、頂板的穩定性進行聯合評價，并確定出危險區域，加強監測與防護。擴展了虛擬現實技術在礦山中的實際應用性，并為采空區的評價提出了一種可行方法。

2 紅嶺鉛鋅礦VR技術系統

2.1 系統研發的總體思路

紅嶺鉛鋅礦虛擬現實系統研發的思路如圖1所示。

圖1 虛擬現實系統研發思路

系統構建流程可分為5個階段：

(1)建立紅嶺鉛鋅礦三維模型。根據現場所收集的資料和數據，利用三維建模軟件進行整個礦山的三維模型(地表、建筑、礦體、井巷、采空區、頂板、礦山設備等)和制作相關的采礦工藝動畫。

(2)外部數據的集成與可視化。對數值模擬得到的應力場、塑性區、位移場，利用3GSM測試得到的結構面結果以及初步監測得到的微震信號等進行三維重構。將重構后的三維模型，集成并可視化到虛擬現實系統中。

(3)建立數據查詢系統。利用現場收集的地質數據、圖像數據、屬性數據與建立的三維模型聯系起來，建立數據查詢系統，實現直觀了解模型信息。除此之外，還將數值模型結果以及通過Mathews計算得到的采空區穩定性信息建立評價數據庫，可直觀了解每個采場的穩定性情況。

(4)交互控制。通過一系列腳本、窗口、控件的設置來實現對虛擬現實系統的交互式控制，包括模型的顯示與隱藏、場景切換、數據查詢、角色漫游等。

(5)真三維立體顯示。利用東北大學主動立體顯示設備，真三維地顯示構建的紅嶺鉛鋅礦虛擬現實系統，讓用戶身臨其境地解讀模型之間的立體關系、采空區的穩定性情況等信息。

2.2 紅嶺鉛鋅礦工程概述

紅嶺鉛鋅礦礦區位于內蒙古赤峰市，屬于矽卡巖型多金屬礦。礦化帶走向55°～59°，傾角較陡65°～85°。礦區成礦帶是沿大理巖層間及其頂底板分布，故礦體的圍巖在1#礦體下盤和2#礦體下盤分布有矽質板巖、板巖；位于1#礦體的上盤和2#礦體下盤分布有大理巖；礦體賦存在矽卡巖帶之中，礦體的直接圍巖為矽卡巖。礦體中夾石有板巖、大理巖和矽卡巖。

2010年之前，礦區開采中段為1、2、3中段，因技術、規范、管理以及之前的民采等原因，未形成統一的規劃開采，導致3中段及其以上礦體殘留大量礦柱，嚴重浪費了礦產資源。不僅如此，十幾年的礦山開采，采空區大量存在。據統計，863 m中段(5中段)以上采空的礦房有80個，其中2#礦體24個，1#礦體56個。1 035 m(1中段)中段有9個，995 m(2中段)中段有19個，955 m(3中段)中段有28個，905 m中段(4中段)20個。如圖2所示。

圖2 礦房空間分布

嚴格地說，目前該礦山的采空區應該是采空的礦房，并且大部分礦房沒有冒頂、片落等現象。然而空區暴露時間越長，礦巖變形越嚴重，穩固性越差。現在大部分礦房均已無法進入，故無法對其進行詳細的現場勘察。現階段礦區要回收4中段以上殘留的礦柱，采空區的穩定性對礦柱的回收起到至關重要的作用。故需對采空區穩定性進行分析，為礦柱回收方案的選取提供依據。

2.3 三維場景建立

三維模型的建立可以增強地質數據的表現力和可用性，為地質工作者在三維空間中觀察、分析地質現象以及空間分布提供重要手段[8]。

(1)三維地質模型的建立，根據現場提供的地表地形圖，利用3DMine礦業工程軟件，對地表地形圖中的等高線進行賦高程、生成DTM面等操作，并生成具有高低起伏的真實三維地形表面。根據礦山提供的地質剖面圖、勘探線剖面圖，利用3DMine中的坐標轉換功能對中段平面圖和勘探線剖面圖進行坐標調整，進而利用生成三角網的操作形成礦體、頂板、礦房、間柱等操作。最后在3Ds Max里對在3DMine中建立的三維模型進行材質處理，形成具有真實特性的三維模型。如圖3所示。

圖3 三維地質模型

(2)工業場地模型。根據地表地形圖中工業場地的布置以及現場采集的圖像信息，利用建筑設計軟件，按照1∶1的比例構建工業場地建筑模型，構建完畢后在3Ds Max中對建筑進行紋理映射，使之更加真實。構建后的模型如圖4。

圖4 工業場地模型

(3)井巷模型的建立。根據現場提供的中段平面圖，利用3DMine軟件由腰線生成巷道再生成各中段的巷道。利用連接三角網的方式生成主井、副井、回風井、箕斗井。另外，為了真實呈現現實巷道形態，為后續采礦工藝動畫提供場景，并為結構面的展示提供真實的環境，故需在3Ds Max中利用FFD、噪波等操作對863、905、955 m水平部分區段進行重新構建，生成具有凹凸立體感的巷道。

(4)設備模型。根據從現場測量的設備尺寸與采集的實體圖像建立設備模型并賦予相應材質，建立設備模型的目的是為了后續采礦工藝動畫的制作提供素材。設備模型的建立與采礦工藝動畫的制作，都在3Ds Max中進行。將抽象的地下工程已生動的三維動畫展示給用戶，對礦山的教學和培訓有一定的幫助作用。圖5為采場內的鏟運機正在運搬礦石，圖6為礦車在等待放礦機放礦。

圖5 鏟運機運搬

圖6 礦車運輸

2.4 數據集成

將多種數據信息集成到一個可視化平臺中供人們全面、綜合的分析，不僅是提高防災抗災能力中十分關鍵和亟待解決的問題，還是將各個系統發揮到最大、最有力的途徑。由此可見集成大量的外部數據是穩定性評價的重中之重。

(1)巖體結構面測量結果的集成與可視化。工程巖體的軟弱結構面，對巖體穩定性影響較大，其形狀、力學性質及空間組合條件，在某種程度上控制著礦山地壓活動與巖體的冒落過程。應用ShapeMetriX 3D對紅嶺鉛鋅礦進行結構面調查，獲得結構面的詳細信息為采空區穩定性研究提供數據基礎。對結構面調查的結果進行三維重構，并可視化到虛擬現實系統中，直觀地了解特殊區段的巖體狀況并可查詢結構面結果。如圖7所示。

圖7 巖體結構面的可視化

(2)數值模擬結果的集成與可視化。通過編寫程序代碼，對虛擬現實系統構建軟件進行二次開發，將應力場、塑性區等數據集成并可視化虛擬現實系統中。真三維的顯示數值場景，直觀地顯示應力集中區域以及集中程度等信息，便于加強開采區域的監管與防護。如圖8所示。

(3)微震數據的集成與可視化。由于微震是礦巖變形、裂紋開裂及擴展過程的伴生現象，微震事件的位置與強度反映了巖體內的變形或破壞的位置及其強度。利用東北大學虛擬現實實驗室自主研發的定位程序，獲取微震事件的坐標，以微震小球的形式集成到可視化系統中。集成微震數據不僅能夠起到監測災害的目標，還能起到預警的作用。圖9為微震

圖8 應力場可視化

數據的可視化結果。

圖9 微震數據可視化

除此之外，系統對巖石力學數據、巖體力學數據以及關鍵塊體都進行了集成與可視化，便于用戶對礦體性質不僅有感性的認識還具有理性的認識。

2.5 數據庫信息查詢

VR技術可以將礦山的數據信息真三維呈現給用戶，但是單純的觀看三維模型無法全面、準確地了解所有信息。有些重要信息是無法通過三維圖形“看”出來的，例如采場特征、礦石儲量、人員信息等。故有必要建立一個包含所有重要信息的數據庫，并且要實時更新，真實、準確地呈現數據。信息查詢系統的建立是通過虛擬現實平臺中模型與數據庫的ADO接口實現的。通過將模型與數據庫進行鏈接，實現雙擊模型查詢對應區域的數據信息(如圖10)。

圖10 采空區信息查詢

2.6 交互控制

將三維模型、動畫導入虛擬現實系統構建軟件中，并完成數據庫查詢系統的制作后，需要建立一套完整的人性化控制系統——交互控制，以達到用戶對虛擬場景的交互控制，如人員的虛擬漫游、動畫的播放、結構面計算過程的演示、數值模擬結果各剖面結果的展示等等。這些功能都可以通過自主編寫腳本來實現，最終通過設置相應控件來實現對腳本的控制。最終建成的虛擬現實系統如圖11所示。

圖11 虛擬現實系統界面

2.7 采空區穩定性評價

采空區穩定性分析方法有多種，如工程類比法、數值模擬法、穩定性監測、預計法、不確定系統分析法[9]。采用Mathews穩定圖法和數值模擬對紅嶺鉛鋅礦采場穩定性進行綜合分析。Mathews穩定圖法是一種相對簡單、理論上并不嚴密而基于實踐的一個計算方法，計算過程以2個因子——穩定數N和水力半徑R的計算為基礎，然后將這2個因子繪制在劃分為穩定區、過渡區和崩落區的圖上，得出穩定性結果[10-12]。利用VR技術將以上數據可視化到虛擬現實系統中，對所有可視化數據進行聯合解讀，綜合分析采空區穩定性，并確定出危險區域。

根據現場巖體調查情況、巖石力學實驗以及由各中段平面圖得到的采空區幾何性質、巖體RMR值、Q分級結果、結構面參數等數據，利用Mathews穩定圖法，求出各采空區的上盤圍巖穩定性情況。將計算結果編制成數據庫集成到可視化系統中，以便與數值模擬一起進行聯合解讀。圖12為集成的Mathews計算結果(考慮文章篇幅，只列出3中段計算結果數據庫)。

從圖12中可以看出，絕大多數采場處于穩定區，個別采場圍巖穩定性處于過渡區。3中段3102、3103、3104、3105采場處于過渡區，巖性為白理巖，巖性較弱；采場尺寸比同巖性采場尺寸大，暴露面積大，穩定性差。4中段4204、4102、4103、4102、4100采場處于過渡區，分析原因與3中段相同。因此，對上述采場需考慮加強支護來維持上盤圍巖的穩定性。

從圖8中可以看出局部礦房頂板有明顯拉應力集中，其中三中段3109、3110采場，四中段4103、4104、4106、4108采場拉應力最大值約為1.2 MPa，四

圖12 集成的Mathews計算結果

中段4102、4105采場拉應力集中更為明顯，約為1.47 MPa，但最大拉應力也小于巖體抗拉強度2 MPa。采場頂板足以維持自穩。

從圖13中可以分析得到，在回采3、4中段礦房后，局部頂柱及圍巖上盤出現塑性區，發生塑性區的位置與出現較大拉應力位置相對應。主要發生位置為4中段4102、4105、4106、4107、4108礦房頂板，4100、4102、4103礦房上盤也出現局部塑形破壞，與利用Mathews穩定圖法計算得到的過渡區相對應。出現塑形破壞主要原因是采場頂板或者上盤圍巖跨度較大造成的。出現的塑性區未出現大面積連通現象，不足以引起大規模垮塌。

圖13 塑性區可視化

從圖14(a)中可以看出，在4中段4102、4104、4105、4108采場頂板出現明顯的位移沉降，與出現塑性破壞以及拉應力集中位置相對應，最大位移為3 mm。從圖14(b)可以看出在礦體較薄但沿走向跨度較大的4200、4100、4101、4102/4103采場頂板也有1.5 mm沉降，這些采場處于過渡區。

圖14 位移場三維可視化

綜上所述，綜合Mathews穩定圖法的計算結果以及數值模擬結果，應對3中段3102、3103、3104、3105采場，4中段4204、4102、4103、4101、4100采場圍巖進行加強支護。應重點對4中段4102、4105、4106、4107、4108采場頂板進行監測，加強監管與防護措施，這些采場不僅有拉應力集中、位移沉降也比較大。

4 結 論

(1)利用VR技術構建了紅嶺鉛鋅礦虛擬現實系統，不僅建成了大量的三維模型、虛擬礦山場景，而且將繁冗的數據信息以真三維的形式呈現出來。可方便聯合解讀，增強三維數據的立體表現，便于對數據進行分析、表達和利用。

(2)對虛擬現實構建軟件進行了二次開發，增強了其對外部數據的集成性，使其能夠集成應力場數據、位移場數據以及微震數據。提高了VR技術在礦業領域的應用性，實現了利用VR技術集成外部數據對采空區圍巖穩定性進行聯合解讀、輔助分析。

(3)根據聯合Mathews穩定圖法的計算結果和數值模擬結果的應力場、位移場、塑性區數據，綜合分析出應對3中段3102、3103、3104、3105采場，4中段4204、4102、4103、4101、4100采場上盤圍巖加強支護。對4中段4102、4105、4106、4107、4108采場頂板進行重點監測，加強監管與防護措施。

[1] 李仲學,李翠平,李春民,等.地礦工程三維可視化技術[M].北京:科學出版社,2007. Li Zhongxue,Li Cuiping， Li Chunmin,et al.The Technology of 3D Visualization of Geological and Mining Engineering [M].Beijing：Science Press,2007.

[2] 楊 頌,費敏銳.虛擬現實技術在現場監控系統中的實現探索[J].微計算機信息,2002,4(3):21-23. Yang Song，Fei Minrui.The research of using the technology of virtual reality to realize monitor system[J].Microcomputer Information,2002,4(3)：21-23.

[3] 張瑞新,任廷祥,Schofield D,等.虛擬現實技術及其在采礦工程中的應用[J].中國礦業大學學報,1998,27(3):230-234. Zhang Ruixin,Ren Tingxiang,Schofield D,et al.Virtual reality and Its application in mining engineering[J].Journal of China University of Mining & Technology,1998,27(3):230-234.

[4] 張能福,何新礦,閻旭騫.虛擬現實技術及其在采礦中的應用[J].金屬礦山，2002(11):23-25. Zhang Nengfu,He Xinkuang,Yan Xuqian.Virtual reality technology and its application in mining engineering[J].Metal Mine,2002(11):23-25.

[5] 張鵬海，楊天鴻，劉洪磊，等.張馬屯鐵礦開采虛擬現實系統的建立及應用[J].金屬礦山,2011(3):117-121. Zhang Penghai，Yang Tianhong，Liu Honglei， et al.Establishment of the virtual reality system of mining in Zhangmatun Iron Mine and application[J].Metal Mine,2011(3):117-121.

[6] 蘭澤全，李其中，徐景德.虛擬現實技術在煤炭安全中應用的現狀及分析[J].煤炭科學技術,2006,34(11):56-59. Lan Zequan,Li Qizhong,Xu Jingde.Present status and analysis on virtual reality technology applied to mine safety[J].Coal Science and Technology,2006,34(11):56-59.

[7] 丁 劍,魏 昕,景永俊.基于Web的虛擬現實的研究與應用[J].電腦知識與技術,2009,33(5):9583-9585. Ding Jian,Wei Xin,Jing Yongjun.Research and application of virtual reality based on Web[J].Computer Knowledge and Technology,2009,33(5):9583-9585.

[8] 武 強,徐 華.虛擬地質建模與可視化[M].北京：科學出版社,2011. Wu Qiang,Xu Hua.Virtual Geological Modeling and Visualization[M].Beijing:Science Press,2011.

[9] Brown E T.Rock mechanics in Australia[J].International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences，2002(39)：529-538．

[9] 李愛兵.緩傾斜層狀礦體崩落步距的Mathews穩定圖方法研究[J].中國礦業,2007,16(2):67-69. Li Aibing,Caving spacing study for the flat inclined layered ore-body by Mathews method[J].China Mining Magazine,2007,16(2):67-69.[10] Miline D,Hadjigeorgiou J,Pakalnis R.Rock mass characterization for underground hard rock mines[J].Tunnelling and Underground Space Technology,1998(13):383-391.

[11] Mawdesley,Trueman R,Whiten W J.Extending the Mathews stability graph for open-stope design[J].Mining Technology:IMM Transactions,2001,10(1):27-39.

(責任編輯 徐志宏)

Hongling Lead-zinc Mine′s Virtual Reality Technology

Zhao Yong1,2Yang Tianhong1,2Xie Lianku2,3Zhu Genpeng4Hu Gaojian1,2Zhang Fei1,2
(1.KeyLaboratoryofMinistryofEducationonSafeMiningofDeepMetalMines,Shenyang110819,China;2.SchoolofResource&CivilEngineering,NortheasternUniversity,Shenyang110819,China;3.InstituteofMiningEngineering,BeijingGeneralResearchInstituteofMinging&Metallurgy,Beijing100160China；4.ChifengHonglingNonferrousMetalMiningCo.,Ltd.,Chifeng025450China)

Combining with actual situation of Hongling Lead-zinc Mine,a set of mine virtual reality system based on the virtual reality technique was built.According to the shortcomings of the application of virtual reality technology in mine,the virtual reality software was secondly developed to strengthen the integration and visualization of the external data and to realize the true 3D display of seismic data,the stress field,displacement field,plastic zone and the theoretical results.This mine virtual reality system not only contains the 3D mine model scene,such as surface,industrial sites,ore,stope and drift,mining technology of animation,but also includes a display of some data,the numerical results.The system has the functions of virtual scene roaming,information query,data stereo presentation and interaction control function etc.Due to a large number of mined out area in Hongling Lead-zinc Mine,the stability of goaf is evaluated,the dangerous area is determined to improve the application of virtual reality technology in mining areas,through the interpretation and analysis of these important 3D data.

Three dimensional model,VR technology，Data integration,Goaf stability

2014-10-10

國家重點基礎研究發展計劃(973計劃)項目(編號：2013CB227902)，國家自然科學基金項目(編號：1174045)，國家自然科學基金重點項目(編號：51174045)。

趙 永(1991—)，男，博士研究生。

TD 862.2,TD 862.3,TP391.9

A

1001-1250(2015)-01-098-06