陳小輝

(1.廣東省韶關(guān)市凡口礦測(cè)量科, 廣東 韶關(guān)市 512325；2.中南大學(xué)， 湖南 長(zhǎng)沙 410083)

1 工程巷道模型的構(gòu)建方法

廣義的工程巷道包括井筒(包括豎井、斜井、溜井、措施井、通風(fēng)井、天井等)、斜坡道、中段及分段巷道、硐室等井下工程。根據(jù)礦山測(cè)量原始資料、工程巷道類型不同，工程巷道三維模型建立有三種方法：直接繪制法，中線法和腰線法。

1.1 直接繪制法

對(duì)于原始資料相對(duì)缺乏，工程簡(jiǎn)單的模型如井下硐室三維模型常采用這種方法繪制。首先根據(jù)模型四周的控制點(diǎn)繪制封閉的曲線，再采用實(shí)體模型構(gòu)建方法依次連接曲線構(gòu)成一個(gè)封閉的實(shí)體，由于方法比較簡(jiǎn)單，這里不做詳細(xì)敘述。

1.2 中線法

中線法常用于斷面規(guī)則的井筒、斜坡道及中段實(shí)體模型的構(gòu)建。該方法只需要提供工程的中線和斷面就可以構(gòu)建三維實(shí)體模型，其中中線表示井筒的中心線，巷道底板的中心線，斷面可以是圓形、矩形、三心拱及任意形狀。以凡口南風(fēng)井為例闡述詳細(xì)的中線法建立工程巷道實(shí)體模型步驟如下：

(1) 收集井筒的井口和井底三維坐標(biāo)及斷面形狀。為順利建模，在數(shù)據(jù)準(zhǔn)備階段，從各中段平面圖、開(kāi)拓系統(tǒng)總體平面示意圖和主斜坡道平面圖等中通過(guò)各井筒的平面投影來(lái)確定它們的坐標(biāo)。期間為了盡可能降低由于繪圖誤差而引起坐標(biāo)的不準(zhǔn)確性，通過(guò)多個(gè)平面圖進(jìn)行反復(fù)綜合對(duì)比分析，選取其中最合理的坐標(biāo)作為標(biāo)準(zhǔn)建模。

(2) 繪制井筒斷面圖。南風(fēng)井?dāng)嗝嬉?guī)格為直徑4 m的圓，在Surpac中繪制南風(fēng)井?dāng)嗝鎴D。繪制過(guò)程中注意：斷面的幾何中心一定要在坐標(biāo)原點(diǎn)，即圓心坐標(biāo)為0，0，0，最后保存文件為“直徑4.str”；

(3) 繪制井筒中線。通過(guò)創(chuàng)建點(diǎn)方式繪制南風(fēng)井中線，運(yùn)行菜單：創(chuàng)建/點(diǎn)/通過(guò)坐標(biāo)，彈出“輸入/編輯點(diǎn)”對(duì)話框。選擇你所希望的線號(hào)，輸入南風(fēng)井井口X、Y、Z坐標(biāo)，在描述中可以填寫(xiě)一些相關(guān)的描述信息，比如：南風(fēng)井井口，完成后執(zhí)行，再按相同方法創(chuàng)建井底坐標(biāo)，執(zhí)行后完成南風(fēng)井中線的繪制。

(4) 生成實(shí)體。運(yùn)行菜單：實(shí)體建模/創(chuàng)建三角網(wǎng)/利用中線和斷面生成，彈出“利用中線和斷面聯(lián)三角網(wǎng)”對(duì)話框。

輸入剖面線文件，點(diǎn)擊位置右邊的倒三角，彈出“選擇斷面文件”對(duì)話框。

選擇文件“直徑4.str”，打開(kāi)即可，并完成各項(xiàng)設(shè)置，執(zhí)行后就完成了南風(fēng)井實(shí)體生成。

相比井筒模型，中段巷道模型中線的繪制比較復(fù)雜，需根據(jù)實(shí)測(cè)的巷道頂板坐標(biāo)轉(zhuǎn)換至相應(yīng)的底板坐標(biāo)，并生成巷道中線，再對(duì)中線進(jìn)行線處理，達(dá)到滿足軟件對(duì)線文件的要求，最后利用建立好的巷道斷面來(lái)建立巷道三維實(shí)體模型，采用這種方法構(gòu)建的巷道模型斷面是規(guī)則的，但實(shí)際上巷道兩幫寬度及位置往往是變化的，因此，如果需反映實(shí)測(cè)的巷道兩幫，需采用腰線法構(gòu)建。

1.3 腰線法

中線法生成的巷道模型往往不能準(zhǔn)確地反映各中段水平巷道實(shí)際邊界及頂?shù)装鍖?shí)際標(biāo)高，模型邊界與實(shí)際邊界不符，而腰線法主要依據(jù)實(shí)測(cè)中段巷道平面圖，頂?shù)装鍢?biāo)高嚴(yán)格按照測(cè)點(diǎn)標(biāo)高進(jìn)行處理，避免采用中線法建立的巷道斷面規(guī)格相同的缺陷，能根據(jù)巷道兩幫實(shí)測(cè)邊線構(gòu)建實(shí)際的巷道模型，是建立井下中段、分段巷道模型的最佳方法。

2 原始資料收集及處理

2.1 各中段平面圖的CAD處理

因?yàn)樵贾卸纹矫鎴D中所包含的信息非常多，所以首先將原始CAD圖中關(guān)于巷道的信息提取出來(lái)(僅提取巷道和測(cè)點(diǎn))，將原圖中與巷道無(wú)關(guān)的圖層隱藏，復(fù)制剩余的圖層到一新文件中，并保存為DXF格式(Surpac只能識(shí)別DXF文件，而不能識(shí)別DWG文件)，刪除圖中的多余信息，比如天井、風(fēng)井以及圖中的數(shù)字和漢字，處理結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 -400 m中段平面CAD處理結(jié)果

2.2 各中段平面圖的Surpac處理

(1) 文件格式轉(zhuǎn)換。將DXF文件在Surpac中轉(zhuǎn)化為.str線文件格式；

(2) 提取測(cè)點(diǎn)。提取出文件中有用的測(cè)點(diǎn)，保存為 “-400 m中段巷道測(cè)點(diǎn).str”，巷道線保存為“-400 m中段巷道.str”；

(3) 刪除多余點(diǎn)。刪除除巷道外的其他多余點(diǎn)；

(4) 線串重新編號(hào)。由于CAD圖是經(jīng)矢量化得到的，進(jìn)入Surpac后生成許多不同顏色的線串，為方便處理，需統(tǒng)一修改線號(hào)。運(yùn)行菜單：編輯/線串/重新編號(hào)范圍。在對(duì)話框中統(tǒng)一編為2號(hào)(此編號(hào)可隨意選擇，此處編為2號(hào)是為了方便顯示，因?yàn)?號(hào)線為白色，顯示不清晰)。

(5) 閉合線段。根據(jù)Surpac要求，所有巷道邊界線必須閉合，使用編輯線功能將巷道線文件中的所有開(kāi)放的線段閉合，并聯(lián)結(jié)為一個(gè)整體；

(6) 標(biāo)準(zhǔn)化線段。由于線文件中點(diǎn)的分布不均，有些點(diǎn)過(guò)于密集或疏散，因此有必要將線段標(biāo)準(zhǔn)化。運(yùn)行菜單：編輯/線段/標(biāo)準(zhǔn)化線段。彈出“標(biāo)準(zhǔn)化線段”對(duì)話框。經(jīng)過(guò)多次測(cè)試之后，取點(diǎn)與點(diǎn)之間最大距離為10 m，最小為1 m，這樣使Surpac圖與原圖誤差較小，而又不影響后面的處理計(jì)算。在標(biāo)準(zhǔn)化完成后，再把原圖與標(biāo)準(zhǔn)化后的圖調(diào)到一起，做一些細(xì)節(jié)上的修改，以保證最大限度與原圖巷道邊界一致；

(7) 圖層清理。清理圖中的跨接、重復(fù)點(diǎn)及聚結(jié)點(diǎn)，保證巷道順利生成實(shí)體。運(yùn)行菜單：編輯/圖層/清理，清理面板，這是線文件處理中最重要的一步，因?yàn)槿魏我稽c(diǎn)的錯(cuò)誤都將導(dǎo)致DTM不能生成。尤其是重復(fù)點(diǎn)的清理，選擇重復(fù)點(diǎn)的最大捕捉距離為0.05 m，因?yàn)閮牲c(diǎn)距離小于0.05 m是不能生成DTM的；

(8) 調(diào)整線段方向。根據(jù)DTM剪切對(duì)線的要求，最外圍的線段和里面所有的線段方向必須相反，這里取外圍線段為順時(shí)針，里面所有線段為逆時(shí)針。運(yùn)行菜單：線文件工具/更改線串方向，所有線段都選擇逆時(shí)針(之后只需再把外圍大圈調(diào)為順時(shí)針即可)；

(9) 圖層運(yùn)算。運(yùn)行菜單：編輯/圖層/運(yùn)算，彈出“圖層運(yùn)算”對(duì)話框，輸入Z=-400，點(diǎn)擊執(zhí)行；

(10) 修改線高程。同時(shí)調(diào)入“-400 m中段巷道.str”和“-400 m中段巷道測(cè)點(diǎn).str”，根據(jù)測(cè)點(diǎn)的標(biāo)高修改巷道邊界線。這一步非常繁瑣，需要足夠的細(xì)心和耐心。修改方法主要是根據(jù)測(cè)點(diǎn)先修改測(cè)點(diǎn)周圍巷道上點(diǎn)的高程，再采用更改線坡度功能修改兩個(gè)測(cè)點(diǎn)中間的點(diǎn)的高程，逐個(gè)進(jìn)行修改，完成這步后即完成了巷道底板線的編輯，保存為“-400 m中段巷道底板.str”。

(11) 編輯巷道頂板。為了更加接近三心拱的形狀，這里沒(méi)有采用常用的中線來(lái)形成拱，而是用2條并行的擴(kuò)展線來(lái)確定拱的形狀，向中間擴(kuò)展的距離依據(jù)巷道寬度來(lái)定，約為巷道寬度的1/3，通常向內(nèi)擴(kuò)展1～1.5 m，具體按不同的巷道規(guī)格來(lái)進(jìn)行選擇。

將“-400 m中段巷道底板.str”文件重新保存為“-400 m中段巷道頂板.str”，并根據(jù)巷道規(guī)格統(tǒng)一對(duì)線文件高程進(jìn)行修改，并進(jìn)行線段擴(kuò)展。運(yùn)行菜單編輯/線段/擴(kuò)展范圍，得到“線段拓展”對(duì)話框，線段范圍0-9999表示包括了所有的線，偏移量為-1 m，執(zhí)行后再把得到的線文件重新編號(hào)，另外保存為“-400 m中段巷道拱.str”，再將“-400 m中段巷道頂板.str”和“-400 m中段巷道拱.str”調(diào)入同一圖層，保存為“-400 m中段巷道頂板.str”文件；

(12) 對(duì)“-400 m中段巷道頂板.str”文件進(jìn)行清理，主要檢查是否存在跨接、重復(fù)點(diǎn)和聚結(jié)點(diǎn)。因?yàn)榫€段在擴(kuò)展過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)很多重疊交叉的地方，具體方法前面已經(jīng)敘述，這里就不再介紹；

(13) 對(duì)“-400 m中段巷道頂板.str”進(jìn)行圖層運(yùn)算。

以上工作全部完成后，即完成了-400 m中段巷道線文件的編輯，接著就可以生成頂?shù)装灞砻婺Ｐ?簡(jiǎn)稱DTM)。

3 工程巷道模型構(gòu)建

根據(jù)實(shí)測(cè)巷道實(shí)體模型建立的方法，要求頂?shù)装寰€文件分別生成DTM，再將它們連接在一起形成真正的實(shí)體(簡(jiǎn)稱3DM)。生成DTM的具體方法如下：

(1) 調(diào)入“-400 m中段巷道底板.str”。運(yùn)行菜單：DTM工具/由當(dāng)前層創(chuàng)建DTM。

(2) DTM剪切。選擇菜單：DTM工具/DTM剪切或相交/用線剪切DTM，然后選中最外面線，得到底板DTM剪切結(jié)果圖。

(3) 把以上生成的DTM保存并關(guān)閉后，再調(diào)入“-400 m中段巷道頂板.str”，按上面相同的步驟生成頂板DTM剪切前效果圖。

(4) 將上面生成的“-400 m中段巷道底板.dtm”和“-400 m中段巷道頂板. dtm”調(diào)入同一個(gè)圖層，并保存為“-400m中段巷道.dtm”文件，如圖2所示。

圖2 合并之前的顯示

(5) 選擇在段間連三角網(wǎng)，彈出對(duì)話框，設(shè)置體8和三角網(wǎng)1(為了便于觀察三角網(wǎng)連接情況，將體號(hào)設(shè)置為8)，點(diǎn)擊“執(zhí)行”，分別選擇頂?shù)装婢€。

(6) 按照相同的方法依次完成-400 m中段頂?shù)装逯g所有的三角網(wǎng)連接工作，最后將體號(hào)網(wǎng)號(hào)都設(shè)置為1，至此-400m中段巷道實(shí)體模型生成已經(jīng)全部完成，結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 -400 m中段巷道實(shí)體模型

為了方便模型的使用，針對(duì)所有中段或者分段均另外單獨(dú)建立了標(biāo)注文件。按住CTRL鍵，將模型與標(biāo)注線文件一同調(diào)入Surpac，然后通過(guò)運(yùn)行菜單：顯示/點(diǎn)/描述，或者點(diǎn)擊工具欄圖標(biāo)，來(lái)顯示標(biāo)注內(nèi)容。

將所有中段處理完成后，再調(diào)入同一個(gè)圖層，得到最后的結(jié)果。

4 工程巷道模型的更新

凡口礦于2007年采用腰線法構(gòu)建了-320 m以下全部的中段、分段巷道實(shí)體模型，鑒于目前井下新增了一些工程，在原有巷道實(shí)體模型的基礎(chǔ)上，選擇并確定了合理的更新工程巷道模型的技術(shù)。

4.1 工程巷道新增工程的特點(diǎn)

對(duì)于井下新增工程，主要有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

(1) 對(duì)已開(kāi)拓中段的工程巷道，新增工程主要為局部回風(fēng)巷、穿脈進(jìn)路、硐室、措施井、天井等，工程比較分散，但與原有工程緊密聯(lián)系；

(2) 對(duì)原沒(méi)有開(kāi)拓中段的工程巷道，全部為新增工程，新增工程自身聯(lián)系緊密；

(3) 新增工程的斷面基本與原有巷道斷面保持一致。

4.2 工程巷道模型的更新方法

鑒于新增工程的特點(diǎn)，特制定如下更新方法：

(1) 對(duì)自身聯(lián)系緊密，旁邊沒(méi)有原有巷道的新增工程，采用腰線法構(gòu)建；

(2) 對(duì)分散、旁邊有原有巷道的新增工程，考慮重建原有巷道的復(fù)雜性，決定保留原有巷道不變，只對(duì)新增工程進(jìn)行實(shí)體模型構(gòu)建，再與原有巷道進(jìn)行布爾運(yùn)算，使其形成一個(gè)整體。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊鴻翼,劉亮明,趙義來(lái). 基于Kriging和Marching cube算法的地學(xué)三維形態(tài)模擬[J].中國(guó)圖象圖形學(xué)報(bào),2008(03).

[2]王顯祥,王光杰,閆永利,等. 三維可視化在CSAMT勘探中的應(yīng)用[J].地球物理學(xué)進(jìn)展,2012(01):296-303.

[3]花 杰,邢廷炎,芮小平. CSAMT數(shù)據(jù)三維可視化的方法[J].地球物理學(xué)進(jìn)展,2012(04):1743-1753.

[4]王明華,白 云. 三維地質(zhì)建模研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].土工基礎(chǔ),2006(04):68-70.

[5]明 鏡. 三維地質(zhì)建模技術(shù)研究[J].地理與地理信息科學(xué),2011(04):14-18,56..