劉新河 李哲寧 于海洋 王 鵬

（河北工程大學，河北省邯鄲市，056038）

3 DMAX在煤礦數(shù)字化中的應用

劉新河 李哲寧 于海洋 王 鵬

（河北工程大學，河北省邯鄲市，056038）

井下三維巷道的可視化是數(shù)字礦山研究領域的關鍵問題之一。詳細闡述了礦山數(shù)字化的建模背景和如何利用3DMAX軟件技術來進行三維巷道建模。

數(shù)字化礦井 3DMAX 巷道建模 三維巷道

隨著信息技術的發(fā)展，人們對建立科學現(xiàn)代化的礦山管理系統(tǒng)提出了更高的要求。其中數(shù)字化礦山技術在礦山實際生產、開發(fā)中發(fā)揮著越來越重要的作用。而數(shù)字化礦山中三維實體可視化，特別是井下巷道的可視化更是研究的重中之重。我國礦山三維可視化建模的研究和應用始于20世紀80年代初，到現(xiàn)在已有較成熟的研究和應用。

1 建模背景

根據2005-2010年計算機文獻檢索情況來看，國內有關三維數(shù)值建模、三維網絡礦圖方面的研究較少，在煤炭工業(yè)中的應用就更少，這對本文的研究提供了廣闊的發(fā)展空間。本文研究基于三維建模技術和虛擬現(xiàn)實理論，結合計算機圖形學，在Windows桌面操作系統(tǒng)環(huán)境下，基于煤礦井下結構布置實際情況，通過3DMAX軟件繪制出基本三維礦井模型。實現(xiàn)了礦井模型的三維可視化與任意角度的展示，對煤礦安全生產、井下生產科學管理具有指導意義。隨著煤炭工業(yè)的高速發(fā)展，對煤礦井下空間布置和煤層空間位置的可視化要求越來越高。通過井下空間數(shù)據的處理，將井下實體對象與相關信息結合起來，借助圖形圖像及3DMAX系統(tǒng)仿真技術，實現(xiàn)空間信息的可視化表達，動態(tài)和實時的三維結構能夠更好地表示井下結構的變化過程，為生產和決策服務。

2 巷道三維建模

建模初期由于時間和技術原因，巷道斷面在Auto-CAD中生成，之后由3DMAX工具欄中“文件”下拉菜單中的 “導入”命令，之后在3DMAX中進行操作。可直接在3DMAX中做出巷道斷面，之后直接對斷面進行 “擠出”操作，生成巷道模型。

本文以半圓拱巷道為例，介紹巷道在3DMAX中的生成、移動和旋轉。為便于理解和顯示，3種巷道的實長均取30 m。

半圓拱巷道的生成：設半圓拱巷道寬為3000 mm，高為3500 mm。在利用 “幾何體”下拉菜單中 “標準基本體”中的 “長方體”和 “管狀體”做出半圓拱巷道草圖，其中長方體的長和寬分別為2000 mm×3000 mm和2400 mm×3500 mm。

管狀體內徑和外徑分別為3000 mm和3500 mm。分別選中兩個長方體和管狀體，單擊 “修改”命令圖標，把高度調整為30000 mm。單擊工具欄 “移動”命令圖標，把各對象移到相應位置。布爾運算前的巷道斷面頂視圖見圖1，布爾運算前的巷道斷面透視圖見圖2。

選中較小的長方體，按 “shift”鍵，單擊小長方體，輸入復制 “副本數(shù)”為2。選中管狀體，單擊 “幾何體”命令按鈕，在其下拉菜單中選擇 “復合對象”，單擊 “布爾”命令按鈕，在其下拉菜單中選擇 “拾取操作對象B”，單擊小長方體進行布爾運算；之后先點擊大長方體，再選擇小長方體進行布爾運算，布爾運算后的巷道斷面頂視圖見圖3，布爾運算后的巷道斷面透視圖見圖4。

為使巷道整體顏色一致，在頂視圖中框選巷道，單擊 “顏色”按鈕，選擇適當?shù)念伾?，得到同顏色的巷道?/p>

拱形巷道的移動：拱形巷道生成后，其拱和兩幫并不是統(tǒng)一整體，需在頂視圖中框選巷道，單擊工具欄中的 “組”按鈕，單擊下拉菜單中的 “成組”選項，此時巷道中心移動到巷道空間的幾何中心。為了使巷道定位準確，選中巷道，單擊 “移動”，在屏幕下方的X、Y中的數(shù)值均改為0。按單擊工具欄 “層次”按鈕，選擇 “軸”按鈕，點擊下拉菜單中的 “僅影響軸”按鈕，把Z的定位坐標值改為0，之后再次單擊 “僅影響軸”按鈕，完成對巷道定位中心的移動。選中巷道，就可跟據實際需要，在屏幕下端的數(shù)據框內輸入巷道端頭的X、Y、Z坐標，再把巷道移動至指定位置。

拱形巷道的角度調整：假設巷道上端頭定位在20 m、30 m、40 m，巷道底板中心線與水平面夾角為32°，其在水平面上的投影與Y軸所成角度為44.5°。當巷道端頭移動到指定位置后，單擊工具欄上的 “選擇并旋轉”命令按鈕，在屏幕下端的X、Y、Z各軸旋轉角度參數(shù)欄中分別輸入122、0、44.5，因為巷道生成時的延伸方向為Z軸正向，要使巷道底板中線與水平面成32°夾角，則巷道需沿X軸旋轉90°＋32°＝122°。輸入數(shù)據后得到的三視及透視圖，拱形巷道的定位見圖5。

圖5 拱形巷道的定位

本文只是針對一個巷道進行了建模分析，而巷道的實際情況卻都是不同的，但建模方法卻是一樣，最后再把各個巷道進行銜接，在這個過程中會遇到一些問題需要注意：

（1）各段巷道編號應準確有序，在圖紙上測量巷道長度時應力求準確，并做好原始數(shù)據的存檔。

（2）準確測算出各段巷道上端頭的空間坐標，確保巷道搭接良好。

（3）由于巷道段數(shù)較多，數(shù)據量大，建模時應多加注意，防止因輸錯參數(shù)導致巷道位置錯誤。

（4）巷道系統(tǒng)建模后期，巷道段數(shù)增多，如果電腦配置較低，電腦反應變慢，可把一些無關巷道設置成隱藏，待需要時再使其顯示。

（5）對于一些關聯(lián)緊密、數(shù)量較多、長度較短的巷道，可使其成組，減少調整巷道位置時的工作量。

（6）在左視圖或前視圖中調整巷道位置時，為了使巷道搭接準確，可隱藏阻礙視線的巷道。

3 意義

煤礦地下生產作業(yè)的人員集中，煤礦生產環(huán)境災害的多樣性、不確定性、高發(fā)性和突發(fā)性，地質條件復雜，突發(fā)事故較多，一線工人技術素質較低，這些使得煤礦生產安全管理要求嚴、風險高、決策難度大且有諸多不確定的因素。這意味著煤炭生產安全管理的實質是一個包含了決策者、生產者、生產設備和生產環(huán)境的帶有很多不確定性和模糊性決策因素的復雜管理系統(tǒng)工程。礦山生產屬于真三維操作，地下巷道作為礦山中最重要的空間要素，將巷道布置進行真三維可視化，模擬井下關鍵生產設備及區(qū)域的生產過程，生成三維立體圖形，人們可以更加深刻地了解井下現(xiàn)場實際工作環(huán)境，明確各采掘工程之間的位置和關系，從而更好地進行生產組織與管理、災害預測與評估和礦山事故分析與再現(xiàn)，對提高礦山生產管理水平、確保礦山安全生產和系統(tǒng)優(yōu)化設計等具有重要的實用價值。

本文從巷道建模、立體顯示等功能出發(fā)，結合3DMAX技術闡述了其具體實現(xiàn)過程。實踐證明，本文中所述方法可以有效對三維巷道進行建模，提高數(shù)字礦山中巷道的信息化管理水平。同時本文的研究成功將會對煤礦職工安全生產技術培訓、遠程教育、礦井設計優(yōu)化、搶險救災、信息查詢及管理決策提供有力技術支持，為礦井的安全生產，科學管理發(fā)揮重要作用。促使礦井生產向安全、高效、高產的方向發(fā)展，充分體現(xiàn)以人為本、先進技術必須與人相結合的科學管理思想。

［1］韓瑞棟.煤礦三維可視化系統(tǒng)關鍵技術研究與實現(xiàn)［D］.濟南：山東科技大學，2007

［2］張志華.礦山測量數(shù)據處理與三維巷道建模方法研究 ［D］.西安：西安科技大學，2006

［3］梅志恒.數(shù)字礦山巷道三維管理的研究與設計 ［D］.武漢：中國地質大學 （武漢）信息工程學院，2009

The application of 3DMAX on digital mine

Liu Xinhe，Li Zhening，Yu Haiyang，Wang Peng
（Hebei University of Engineering，Handan，Hebei 056038，China）

The digital mine has been a research hotspot in recent years，while the underground tunnel in three-dimensional visualization（3D）is one of the key issues in the field.This article describes in detail the meaning of the digital mine and how to use 3DMAX to conduct threedimensional tunnel modeling.

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TD67

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劉新河 （1954-）男，河北邯鄲人，教授，現(xiàn)從事采礦工程專業(yè)的教學與科學研究工作。

（責任編輯 張艷華）