基于虛擬現實技術的巖石力學數值計算與三維可視化

劉溪鴿 楊天鴻 張鵬海 朱萬成

(東北大學資源與土木工程學院，遼寧 沈陽110819)

基于計算機技術發展起來的虛擬現實技術與數值模擬技術應用于采礦工程領域，為采礦工程的發展起到了積極的促進作用。文獻［1］探討了虛擬現實技術在我國礦業領域的應用前景與接口技術;文獻［2-6］分別就虛擬現實技術在采礦工程領域各個方面的應用情況進行了論述;文獻［7-9］結合采礦工程特點，闡述了數值模擬技術在采礦工程中的應用現狀;此外，文獻［10］對采礦工程中常用的數值模擬軟件進行了歸納總結。總體而言，目前關于虛擬現實技術與巖石力學數值模擬在采礦工程中的應用都相對獨立，沒有很好地實現二者的有機結合與綜合利用。

本研究通過對虛擬現實技術與巖石力學數值模擬共性與差異性的比較，分析2 種技術方法在采礦工程應用中各自發揮的作用，并結合山東黃金新城金礦的工程實例，從優勢互補的角度探討虛擬現實技術與巖石力學數值模擬結合應用的效果。

1 虛擬現實技術

虛擬現實技術是以計算機技術為核心，結合相關科學技術，生成與一定范圍真實環境在視、聽、觸感等方面高度近似的數字化環境，用戶借助必要的裝備與數字化環境中的對象進行交互作用、相互影響，可以產生親臨對應真實環境的感受和體驗［11］。

所謂“虛擬現實”，首先需要將現實世界的研究對象轉化為計算機識別的數字信息，然后依據此信息借助計算機軟件建立虛擬的三維模型，最后將各類信息集成到同一個虛擬展示平臺并互動地進行顯示。虛擬現實的實現涉及到一系列互相關聯的研究領域，比如計算機圖形學、圖像處理與模式識別、多傳感器技術、智能接口技術、語音處理與音響技術、人工智能技術、網絡技術等。

虛擬現實具有多感官調動、沉浸與實時交互性的特點，通過對人體產生多種感官的綜合刺激，使得存在于現實世界的事物與場景在虛擬的環境中得到最高程度的模仿。

虛擬現實技術最早應用于軍事、航天等科技前沿領域，隨著計算機軟件、硬件的不斷增強以及其應用成本的不斷降低，虛擬現實技術逐漸在各個行業得到普及。近年來，虛擬現實在礦業領域的應用也取得了諸多成果。

目前，虛擬現實技術在采礦工程中主要有以下方面的用途:①配合礦山對人員、設備的實時管理、調配;②外來人員參觀展示與新員工的培訓教育;③生產事故演示并為救援提供指導等。

但是，單純依據虛擬現實技術還很難做出采礦生產設計以及優化回采方案，而這恰好是巖石力學數值模擬的優勢。

2 巖石力學數值模擬

隨著計算機科學技術的發展和普及應用，巖石力學進入了嶄新的發展階段［12］。基于巖石力學理論的多種數值模擬方法，如有限元、離散元、有限差分等方法在采礦工程中均有廣泛的應用。

巖石力學數值模擬方法是目前解決巖石工程問題的有力工具。在現場進行實地監測成本高昂，而且獲得的監測數據在空間和時間上均受限制。數值模擬方法以現場調查的地質條件為計算基礎，將局部零散位置的監測數據推廣到整體研究區域，并通過對過去一段時間巖體變化規律的模擬預測未來開采條件下的巖體變化情況，彌補實測數據的不足。

就目前巖石力學數值模擬軟件的功能而言，一般的應用程序大致分為如下幾個部分:模型構建與網格劃分(前處理)、參數輸入與計算邊界條件確定、數值模擬計算、結果分析與顯示(后處理)。數值模擬軟件的主要目標是做力學分析、位移分析等，其前處理功能一般相對簡單，即數值模擬軟件建模通常要做簡化處理。例如，將不規則的采場簡化為規則的六面體、將曲折的巷道簡化為棱柱體或圓柱體、省略掉次要的工程及設備等，而交叉、包含、尖角、異形等不規則模型的建立與計算一般很難實現。至于后處理部分，位移場、應力場、關鍵塊、塑性區等計算結果一般是以切割剖面的形式顯示，這些計算結果的顯示區域也受限于前處理建立的模型。

在巖石力學數值模擬軟件的應用過程中，前處理可以通過建立多種軟件接口、綜合利用實現復雜模型的耦合建模，而后處理一般也可以通過借助圖形圖像處理軟件增強顯示效果。即便如此，數值模擬的計算結果仍然不能夠具象到虛擬現實的顯示水平。

3 虛擬現實與數值模擬的優勢互補性

采礦工程是不斷打破原巖力學平衡再建立新的力學平衡的過程。隨著采礦工程的推進，巖體的地應力狀態、地下水、地熱、瓦斯、采空區范圍等環境因素均處于不斷變化與演進的狀態之中。因此，在對采礦工程問題進行虛擬現實演示時，需要將這些復雜的信息集成顯示。虛擬現實系統如果只能顯示采礦生產進度、采礦工藝方法、人員設備位置等內容，那么，礦山的生產決策就會缺乏工程穩定性、安全性方面的信息支持。

采礦工程問題涉及采場、巷道等工程的穩定性分析、采礦方案優化、地質災害預防和治理等方面的內容。巖石力學數值模擬技術是以巖體安全性評估為主要目標的分析工具，雖然數值模擬可以根據采礦進度的不同計算出不同工況下的地應力、地下水、地熱等信息，但是，不能結合生產實際狀況顯示。

在指導采礦生產、改善采場和圍巖穩定性方面，虛擬現實不能提供應力場、位移場、塑性區等信息;在顯示效果方面，數值模擬不能夠達到虛擬現實的顯示水平。因此，在采礦工程中實現虛擬現實與數值模擬在技術上的優勢互補，將為工程實踐提供更大的幫助。

虛擬現實作為一個綜合展示平臺，可以將所有信息集成在一起，然后根據需要進行顯示。數值模擬的結果加入到虛擬現實平臺之上，既增強了數值模擬的顯示效果，也使得虛擬現實技術得到了更充分的利用。

此外，采礦工程的生命周期一般比較長，一般情況下，礦山從基建到閉坑時間長度為幾十年至上百年。隨著采礦活動的進行，雖然礦山工作面及采空區等情況一直處于變動之中，但是，礦山的整體面貌受限于礦體的固有形態、礦山的地理位置等客觀條件，一般變化不大。這為虛擬現實系統的繼承性提供了很好的基礎，即當一個礦山的虛擬現實系統建立完成，隨著開采活動的不斷進行，只需對已建立完成的系統做局部信息更新即可，不必整體重建。

4 工程應用實例

本研究基于東北大學VRP 虛擬現實平臺，分別完成對山東黃金新城金礦的實體建模以及數值模擬結果的集成，外部整體顯示如圖1。地表、礦體、斷層、豎井、斜坡道與主要巷道工程經3DMine 軟件建模被導入到虛擬現實系統中。

圖1 新城金礦虛擬現實系統整體效果Fig.1 General picture of the virtual reality system in Xincheng Gold Mine

建立虛擬現實系統，一方面有助于新城金礦制定整體的回采方案，另一方面可以為建立區域數值計算模型作指導并最終將數值計算結果整合到虛擬現實系統中進行集成顯示。

對現場掃面得到的巖體結構面進行分組處理，根據走向、傾向的不同用不同顏色加以標示，使之便于觀察統計。將掃描得到的節理面集成到VRP 編輯器中，實現巖體結構面的三維重構，效果如圖2 所示。同時，將采場及巷道結構面掃描的結果轉化為數字信息，作為巖體分級的量化依據。

圖2 結構面三維展示Fig.2 Three-dimensional display of the rock joints

對礦體模型按照實際的回采順序進行虛擬“回采”，并用動畫效果顯示，如圖3。一方面可以顯示采礦生產進度和總體設計規劃;另一方面可以結合不同回采階段顯示某一特定狀態下的采場與巷道工程的受力情況，便于隨時合理地調整采礦生產安排。

圖3 礦體回采進度Fig.3 The orebody mining progress

應用FLAC 數值模擬軟件計算的應力云圖與應用ShapeMetriX 3D 軟件計算獲得的關鍵塊信息，集成顯示在巷道模型中，如圖4、圖5 所示。根據關鍵塊體與應力云圖等信息，礦山巷道與采場的支護工作可以有更加科學的依據。將數值模擬得到的應力場數據集成到虛擬場景中，隨著采礦過程的動態發展，可直觀形象地展示出采空區及巷道的形成對圍巖體內原始地應力場的擾動情況，再現深部采礦引起的地壓變化過程。在此基礎之上，新城金礦采礦工程師可以在生產設計過程中第一時間直觀地獲得應力場信息，有助于提高生產決策的安全性。

圖4 巷道外部應力云圖與關鍵塊信息Fig.4 Stress nephogram and the key rock of roadway in the external tunnel

圖5 巷道內部應力云圖與關鍵塊信息Fig.5 Stress nephogram and the key rock of roadway in the internal tunnel

對工程關心區域進行變形監測，監測信息可以以列表的形式在虛擬現實系統中顯示，如圖6 所示。此類監測信息也可以隨著采礦生產而實時更新。

新城金礦虛擬現實系統的建立，可以使應力云圖、關鍵塊、位移監測數據等信息根據礦體回采及巷道工程施工的推進實時更新，為礦山確定整體與局部的開采方案提供便利。

圖6 巷道位移監測信息顯示Fig.6 Displacement monitoring information of the tunnel

新城金礦虛擬現實系統是帶有虛擬漫游、數據查詢和交互控制功能的礦山數字化系統。通過虛擬現實技術將礦山生產過程中的工程地質條件、礦體形態、巷道及采區位置、開采進度等大量三維數據集成為動態可視化的三維模型，并與圍巖應力場數值仿真、巷道位移監測等手段結合，建立了完善的礦山三維可視化平臺。新城金礦虛擬現實系統可以實現如下幾方面的功能:①提供充分的礦床形態、礦巖屬性、地質構造信息，可以方便用戶對礦山數據的觀察和理解;②通過集成相關數據信息進行綜合判斷分析可幫助人們發現礦山生產過程中的安全隱患;③作為礦山安全培訓平臺;④為礦山下步開采提供技術支撐。

5 結 論

虛擬現實技術與數值模擬技術在采礦工程中均有比較廣泛的應用。虛擬現實技術具有顯示逼真、互動性強等優勢，數值模擬可以提供位移場、應力場等重要的安全性信息，將兩者在采礦工程中結合應用、優勢互補可以獲得很好的效果。基于虛擬現實技術和數值仿真技術的礦山數據分析處理與集成系統是礦山數字化向智能化方向發展的趨勢，數值模擬結果的信息導入對新城金礦提高現代化水平和生產效率、用高新技術改造傳統產業等都具有重要意義。

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