AutoCAD三維建模功能在采礦設計中的應用

韋 丹 譚 松,2

（1.貴州地礦集團有限公司；2.貴州省地礦局103地質大隊）

當下數字化礦山已成為礦山建設一大亮點，而礦山三維模型的建立作為數字化礦山建設的一部分，在采礦設計、采礦管理上也具有突出優勢。在這種背景下，市場上出現了許多功能強大的礦山三維設計軟件，但這些三維設計軟件需要巨大的數據庫支撐才能實現三維模型建立，且前期對數據處理工作量大。AutoCAD 制圖軟件作為一款人們熟知的軟件，其三維模型建立方式有2 種，一是通過數據庫建立三維模型，二是通過斷面建立三維模型。AutoCAD三維建模功能操作簡單，各項操作工具對大多數人來說都很熟悉，在無需建立龐大數據庫的情況下，也能實現三維可視化模型建立，將傳統的礦山二維作圖向三維作圖轉變，實現合理、高效率、可視化采礦設計，是數字化礦山采礦設計新的發展方向［1］。本研究以某金礦F267 采場為例，在沒有數據庫支撐情況下，對采礦設計階段如何應用AutoCAD 三維建模功能輔助進行采礦設計進行介紹，分析三維建模功能在實際應用中的經濟效益。

1 AutoCAD三維建模及應用思路

在無數據庫支撐情況下，AutoCAD三維采礦設計主要分為礦體建模、設計巷道建模、實測巷道建模3個部分。建模主要思路為實測平面圖處理→三維圖框繪制→巷道及礦體三維建模［2］。

1.1 實測平面圖處理及三維坐標網格建立

實測平面圖是指實際已經形成的采掘工程，通過測量技術將采掘工程現狀反映在平面上的綜合性圖紙。在AutoCAD 三維采礦設計中，建立實測平面圖三維坐標網格主要目的是為后續礦體剖面輪廓線在空間上的位置調整提供參考坐標，以保證礦體剖面輪廓線在空間上的位置正確，避免礦體建模后生成的礦體模型在空間上的位置錯誤，導致后續采礦設計出現誤差。

在進行巷道及礦體三維模型建立之前，先對實測平面圖進行處理，刪除建模非必要的圖元，只保留實測平面圖巷道腰線、坐標網格線，并建立好相應建模圖層，方便在建模時可以關閉無關圖層，避免由于圖層打開過多影響模型建立及觀察。完成實測平面圖處理后，進行實測平面圖三維坐標網格建立，三維坐標網格主要包括X坐標、Y坐標、Z坐標3 個要素，主要作用是為空間上某一點提供準確的坐標值，以確定該點在空間上的準確位置。實測平面圖三維坐標網格的建立，是通過AutoCAD“三維視圖”工具，將處理好的實測平面圖轉換為“西南等軸”視圖方向，并將繪圖模式設置為“正交”模式，并用“直線”工具繪制空間三維圖框，為后續礦體剖面輪廓線在空間上的位置調整提供準確的參考依據。

1.2 巷道三維模型建立

巷道三維模型建立分為設計巷道三維模型建立和實測巷道三維模型建立，三維模型建立原理主要為利用巷道斷面與設計巷道中線、巷道斷面與實測巷道腰線建立三維巷道模型［3］。

設計巷道三維模型主要是運用設計巷道斷面與設計巷道中線進行三維模型建立。在進行巷道三維模型建立時，先將設計巷道斷面粘貼在除“俯視”外的任意一個視圖方向，通過“移動”工具，選擇設計巷道斷面底板輪廓線中點作為移動基點，將設計巷道斷面移動到設計巷道中心線上，通過“三維旋轉”工具將設計巷道斷面旋轉到與巷道中心線走向基本一致的方向，每條巷道中心線只需放置2個設計斷面即可；利用“掃掠”功能，選擇同1 條設計巷道中心線上放置的2 個設計斷面，利用設計巷道中心線作為“掃掠”路徑，計算機即可根據選擇的設計巷道中心線走向生成三維巷道模型，見圖1。

實測巷道三維模型主要是運用設計巷道斷面與實測巷道腰線進行三維模型建立，但實測巷道三維模型與設計巷道三維模型不同，實測巷道斷面在不同位置的尺寸是有差異的，因此實測巷道三維模型的建立主要是利用巷道設計斷面與實測巷道腰線建立三維模型。在進行巷道三維模型建立時，先將設計巷道斷面粘貼在除“俯視”外的任意一個視圖方向，通過“移動”工具，選擇設計巷道斷面底板輪廓線與直墻處的交點作為移動基點，將設計巷道斷面移動到實測巷道同一條腰線上，通過“三維旋轉”工具將巷道斷面旋轉到與實測巷道腰線走向基本一致的方向，每條實測巷道腰線只需放置2 個設計斷面即可；利用“掃掠”功能，選擇實測巷道同一條腰線上放置的2個設計斷面，選擇實測巷道腰線作為“掃掠”路徑，計算機即可根據選擇的巷道腰線方向生成三維巷道模型，見圖2。

1.3 礦體三維模型建立

礦體三維模型的建立，需要根據提供的礦體地質剖面圖，粘貼到實測平面圖的相應坐標點上，利用“放樣”工具生成礦體三維模型。首先，將處理好的實測平面圖轉換到“右視”視圖上，選擇要進行回采礦體的全部剖面及相應坐標點，將回采礦體的所有剖面及坐標點粘貼到實測圖“右視”視圖平面上；完成礦體剖面圖在“右視”視圖平面上的粘貼后，將圖形轉換為“西南等軸”方向，利用前面建立的三維圖框坐標網格做為參照，對應三維坐標網格中勘探線與Y坐標的交點，將粘貼在“右視”視圖上的礦體剖面移動至實測平面圖相應坐標點，得到礦體剖面在空間上的三維形態；利用“放樣”工具從右至左（或從左至右）依次選擇礦體剖面，生成礦體三維模型，見圖3。礦體三維模型建立時，礦體剖面可能因連接角問題而造成偽閉合現象，因此必須保證礦體剖面是閉合的，否則無法利用“放樣”功能生成礦體三維模型［4］。

2 AutoCAD三維采礦設計

2.1 分段礦房劃分

分段礦房法是在礦塊的垂直方向，再劃分為若干分段，在每個分段水平上布置礦房和礦柱，各分段采下的礦石分別從各分段的出礦巷道運出［5］。在進行分段礦房劃分前，應先進行實測巷道及礦體三維模型建立，并以建立的模型為基礎進行礦房劃分。

該礦山設計中段高度為40 m，F267 礦體沿傾向延伸30～40 m，確定本次工程布置分段高度為10 m，分別為780，790，800 m 分段，見圖4。確定好分段高度后，將建立的礦體三維模型實體轉換為“前視圖”，分別在780，790，800 m 標高做剖切線，選擇“剖切”工具，將礦體三維實體模型按3 種標高分別進行剖切，同時建立剖切面圖層以放置各分段剖切面，作為后期各分段采準工程平面設計的依據；完成分段礦房劃分后，將建立的三維模型切換為“俯視”視圖方向，分別對780，790，800 m 標高的礦體剖面進行提取，運用“復制面”工具在相同的“基點”下復制面，得到各分段礦體剖面圖，并放置在事先建立好的相應圖層中，方便設計時關閉暫時用不到的剖面，以免影響設計觀察。各分段提取的礦體剖面見圖5。

2.2 采準工程布置

采準工程是為采出礦塊中的礦石而開掘出來用于礦石運輸、行人、通風及運送材料的巷道。根據得到的780，790，800 m 標高的剖面圖以及確定的分段高度進行采準工程布置。根據各分段剖面圖，在俯視方向從780 m 標高平面開始進行各分段平面采準工程布置，并為設計的巷道腰線賦高程值，得到各分段采準工程平面布置圖；同理進行790，800 m 標高采準工程平面設計，見圖6。在設計過程中利用“受約束的動態觀察”工具，從不同視角觀察設計巷道的布置與礦體空間賦存情況是否合理，并不斷優化設計方案。

完成各分段的采準工程布置后，將各分段的設計巷道圖層全部打開，利用“受約束的動態觀察”工具對設計巷道、已有巷道、礦體空間賦存形態整個采準系統進行三維可視化觀察，并對巷道設計的合理性、經濟性、空間對應關系進行優化，得到最終采準工程布置方案，最終采準工程布置方案空間布置情況見圖7。

2.3 采準系統三維模型建立

完成采準工程布置方案設計后，對各分段設計巷道進行三維模型建立，為后續對實體剖切、打印出圖做準備。根據最終確定的采準工程布置方案，參照之前AutoCAD 三維采礦設計建模思路，對設計巷道進行三維模型建立，形成最終“采準系統三維模型”，見圖8。利用建立的整體采準系統三維模型，可根據出圖需要，將三維模型轉換到需要的設計目標出圖位置視角，對三維模型目標出圖位置進行剖切并提取剖切面，將提取的剖面復制到新建AutoCAD文檔中，對剖切面進行處理后得到相應的設計目標出圖位置的采準工程設計平面圖［3］。圖9 為沿剖面縱向剖切后在前視方向觀察的剖切面；圖10 為對剖切面進行提取和處理后得到的剖面設計平面圖。

3 技術經濟評價

在采切比控制上，AutoCAD三維建模功能為采礦設計提供了可視化的操作，在進行采準工程布置時，可以從三維空間觀察巷道布置是否合理，避免了多余的工程浪費，從而降低采切比；另一方面，三維可視化設計可以使采準巷道布置與已有巷道結合得更加合理，從而提高采場生產能力。進行工程量統計時，使用AutoCAD“工具”中的“查詢”功能，可以對建立的“采準系統三維模型”中的采準巷道長度、礦塊體積等數據直接進行查詢獲取，將查詢的數據進行統計整理得到相應的工程量。如設計巷道長度可以使用“查詢”功能直接讀取；礦塊礦量可以使用“查詢”功能直接讀取礦塊三維模型的體積，再將礦塊體積乘礦石比重，即可得到礦塊礦量。本次設計實例各項技術經濟指標見表1。

4 結語

利用AutoCAD 繪圖軟件三維建模功能輔助進行采礦設計，在無需數據庫支撐的情況下實現三維模型建立，可將采礦設計由傳統平面設計向三維可視化設計轉變，對數字化礦山采礦設計具有一定借鑒意義。