關于井巷工程三維建模及無縫開挖模擬技術的分析

陳榮鐺

（溫州建峰礦山工程有限公司，浙江 溫州 325807）

作為地質采礦中的重要技術手段，三維可視化技術、虛擬現實技術等近年來被廣泛應用于地學領域中，特別其中三維地學建模，亦被稱之為3DGM，在井巷工程中可起到重要作用。值得注意的是，由于井巷工程中可能涉及較為復雜的地質構造體，所以目前許多理論與技術的應用尚有待突破，無法真正實現礦山現代化與信息化的目標。所以本文在引入三維建模方法的同時，考慮采用無縫開挖模擬技術，具有十分重要的意義。

1 地質體三維建模

1.1 基于GTP的三維建模

井巷工程中，一般以地質體為主要采掘對象，而地質體中又有多種構造類型，如褶皺、斷層等，這兩種類型均較為復雜，地層數據信息較多，為采掘工作帶來極大難題。對此情況，考慮引入GIT模型，依托其完成地質體模型的構建。從GTP模型看，其構成包含側面空間四邊形三個、平行三角形兩個。這種構成方式下，四邊形的棱邊用于層間鉆孔描述，而上下三角形的邊線則連接地層面鉆孔點。從GTP模型應用優勢看，整個建模流程較為簡單，可滿足自動建模要求，且能適應復雜地質條件。同時，若涉及新鉆孔數據，可對GTP生成、C-TIN生成做局部修改，無需重新建模，擴充、維護均極為方便。

1.2 地質體三維建模流程

地質體三維建模中，主要考慮做褶皺地質、含斷層地質體的建模，建模中首先應明確相關的概念，包括以下幾點。

RPBP建模法，該方法主要強調巖柱體分區，分區下由多個封閉區域形成，對各區域均進行建模。

構模約束面，立足于斷層三維建模要求，由多個封閉區域形成，包括褶皺軸面三角形、斷層面三角形以及地表面CD-TIN三角形等。

構模柱體，CD-TIN主要由鉆孔口形成，假若以Ti表示其中三角形，Ti中3個鉆孔點會構建一個柱體空間，被叫做構模柱體。

明確上述概念的基礎上，借助GTP模型完成地質體三維模型的構建，整個構建流程為以下幾點。

地表面CD-TIN構建，構建中數據源選擇鉆孔孔口離散點，以DELAUNY法為依據，由三角網TIN生成，此時可將鉆孔間聯系確定。

對地質體褶皺、斷層進行判斷。

地質體斷層模型構建，若判斷中發現為簡單斷層，取CD-TIN三角形，做GTP的擴展生成，CD-TIN各三角形有構模柱體形成，假若判斷結果為復雜斷層，模型構建需通過RPBP實現，構建中需對所有斷層內切割關系明確，確定建模優先級，在此基礎上進行斷層構模約束面的構建，通過其“約束”作用，有較多簡單斷層系形成，這樣利用該模型可將復雜的斷層結構描述出來。

地質體褶皺層建模，模型構建中通過RPBP方法實現，結合褶皺巖性，構建構模約束面，在此基礎上輔以人工三維交互，保證其中的節點被捕捉，能夠滿足三維地質體模型構建要求。

組建模型，由于構模約束面作用下，由多個封閉區域形成，此時需對其中屬性相同的GTP搜尋，做模型的組建。如圖1，為斷層地質體構建模型圖。

2 井巷工程三維建模

2.1 井巷工程模型特征

圖1 斷層地質體模型構建效果圖

井巷工程三維模型構建中，應認識到其斷面有多種形態，如梯形、矩形、拱形、圓形等。模型構建時需將模型內各元素與拓撲關系明確，在此基礎上以“組件法”完成模型構建過程。從井巷工程模型特征看，主要表現為以下幾點。

有兩個斷面存在于模型單元中，斷面可能不平行，且寬、高可能不相同。

巷道構成，包括巷道模型單元兩個，以井巷中心線進行連接，各巷道屬性均需借助巷道中心線體現出來。

斷面特征，盡管斷面形狀上有一定差異，仍需保持同樣的斷面離散點數，其目的在于將變斷面問題、多類型斷面問題解決。

2.2 井巷工程模型構建

根據井巷工程模型單元特征，在模型構建中，可細化為三個步驟，包括：第一，一維中心線。其是整個三維模型構建的基礎，構建時既可根據設計圖紙獲取，也可依托于二維測繪實現。同時，模型構建中要求檢測交叉點數據，對中心線拓撲關系明確，使井巷工程中心線網絡更加清晰，每一段巷道均利用其中一條線段描述。根據該中心線網絡，能夠滿足巷道漫游路線的構建與最短距離的搜索等要求。第二，雙線巷道模型構建。在一維中心線明確的基礎上，應按照相關圖紙資料，將二維井巷工程雙線輪廓明確，以各段巷道參數、方位角、寬度進行巷道邊線交點坐標的構建，一般三維模型中底面多邊形便是雙線巷道。例如，以OC表示巷道，待雙線巷道生成后，OC段巷道底面有兩個四邊形，分別以OCLF、OCKE描述，中心線PC為兩個四邊形的共邊線，對于這兩個四邊形，實際上為井巷工程單元底面多邊形。第三，井巷工程三維模型構建。模型構建中，應以一維中心線、二維雙線巷道為基礎，使各斷面墻高、拱高明確，裝配井巷模型，且做三角化處理，使最終的三維模型形成。

3 無縫開挖模擬技術在井巷工程中的應用

礦井工程項目開展中，采用三維地質模型構建方法，主要為滿足地質體的實際開挖需求。但如何真正實現，除三維地質模型構建外，還要求做到無縫集成建模。根據既往研究資料中可發現，對于拓撲學，四面體模型相對較為簡單，無論拓撲描述或數據結構，完備性與一致性特點均較為明顯，所以在無縫集成模擬中，本次研究考慮通過GTP模型轉換為四面體模型實現。該模型下，要求引入較多算法，如局部層次求交LHI算法、轉換算法等。

具體剖析井巷工程中無縫開挖模擬技術的應用流程，體現在：第一，GTP模型轉換。轉換目標為四面體模型，轉換過程中考慮以“最小項點法”為原則，該原則下要求各地質體GTP模型中將側面對角線引入，引入過程中需由最小頂點出發，保證側面對角線首尾連接，不閉合，這樣整個GTP單元將以四個四面體模型形式呈現。第二，井巷工程模型轉換。轉換目標為四面體模型，換轉過程要求對模型各元素中的中心線點、頂點明確，使這些點構成三角形簇，在此基礎上連接三角形簇頂點，有GTP簇形成，完成模型轉換過程。該過程結束后借助相應的四面體模型轉換算法，使四面體模型形成。第三，無縫開挖模擬過程。無縫模擬技術具體運用中，需利用局部層次求交方法實現無縫開挖模擬過程，首先，需做模型求交，主要做四面體模型、三角形的求交，將其以三角形間的求交形式呈現，利用局部層次求交法，將以交點位置為依據，如體交點、面交點、線交點、點交點等，然后，做相應的處理。最后，做模型分解，處理層次要求由高維至低維，通常需將體交點優先處理，依次面交點、線交點處理，分解四面體，并做結構調整，保證有具體的顯示方式，這樣便能滿足工程集成可視化要求。

4 結語

三維可視化技術、虛擬現實技術以及無縫開挖模擬技術是當前井巷工程項目開展重要技術保障。特別部分井巷工程中有負責的斷層、褶皺層情況，需在三維模型構建下實現工程的可視化，同時在三維模型構建基礎上引入無縫開挖模擬技術，利用其做無縫集成建模，使地質體實際開挖需求得以滿足，這樣既為井巷工程活動提供技術保障，同時對推動礦山現代化、信息化具有積極意義。

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