劉棟梁 張國(guó)艷 王修緣

(金堆城鉬業(yè)公司礦冶分公司露天礦)

基于AutoCAD的三維立體模型系統(tǒng)在礦山的應(yīng)用

劉棟梁 張國(guó)艷 王修緣

(金堆城鉬業(yè)公司礦冶分公司露天礦)

開采環(huán)境三維可視化技術(shù)是數(shù)字化礦山關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)，其形成的軟件系統(tǒng)更是地質(zhì)、測(cè)量專業(yè)技術(shù)人員實(shí)施作業(yè)的重要技術(shù)平臺(tái)。分別從采場(chǎng)現(xiàn)狀模型動(dòng)態(tài)修改、排土場(chǎng)現(xiàn)狀模型動(dòng)態(tài)修改、礦體實(shí)體模型動(dòng)態(tài)修改、巖性實(shí)體模型動(dòng)態(tài)修改、塊體品位模型動(dòng)態(tài)修改、礦量與品位計(jì)算等方面介紹了基于AutoCAD軟件的三維立體模型系統(tǒng)在礦山中的應(yīng)用，為礦山制定開采規(guī)劃以及優(yōu)化開采方案提供參考。

數(shù)字礦山 三維立體模型系統(tǒng) 三維可視化技術(shù) 動(dòng)態(tài)修改

地質(zhì)體一般空間尺寸宏大，掩埋地下，很難進(jìn)行直接觀測(cè)，且隨著礦山生產(chǎn)的不斷進(jìn)行，由此產(chǎn)生了具有組分、品位、巖性、地質(zhì)構(gòu)造、形狀等大量的地質(zhì)屬性信息，該類屬性信息空間分布不均勻，缺乏規(guī)律性，無(wú)法定量給予精確描述。三維可視化技術(shù)可以形象、動(dòng)態(tài)地將地質(zhì)體的空間形態(tài)、位置關(guān)系，屬性信息表示出來，便于技術(shù)人員和管理人員進(jìn)行資源評(píng)價(jià)和開采環(huán)境評(píng)價(jià)[1]。為此，對(duì)基于AutoCAD軟件的三維立體模型系統(tǒng)在礦山方面的應(yīng)用進(jìn)行深入分析，為礦山制定長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃、優(yōu)化開采方案，進(jìn)行資源合理配置提供科學(xué)依據(jù)。

1 采場(chǎng)現(xiàn)狀模型動(dòng)態(tài)修改

隨著礦山生產(chǎn)的推進(jìn)，采場(chǎng)狀態(tài)不斷發(fā)生變化，可采用2種圖件對(duì)采場(chǎng)現(xiàn)狀進(jìn)行描述：①采場(chǎng)現(xiàn)狀圖，由三維地形線構(gòu)成，采用全站儀測(cè)量數(shù)據(jù)，來動(dòng)態(tài)更改地形線，在圖中除坡頂線為虛高外，其余地形線均表示實(shí)際高程；②采場(chǎng)現(xiàn)狀模型圖，表示1個(gè)三維實(shí)體，圖中除坡頂線往往高出實(shí)體外，其他地形線均與實(shí)體一致。采場(chǎng)現(xiàn)狀的變化即為填挖方的變化，每月的測(cè)量驗(yàn)收工作，便是對(duì)采場(chǎng)現(xiàn)狀進(jìn)行動(dòng)態(tài)修改，土方量計(jì)算是通過三維實(shí)體布爾運(yùn)算來完成，其計(jì)算過程是：三角網(wǎng)剖分—生成計(jì)算實(shí)體—生成采出實(shí)體。

1.1 全站儀展點(diǎn)

目前，露天礦山的測(cè)量設(shè)備大多以全站儀為主，在AutoCAD2007軟件中并不具備接受全站儀自動(dòng)展點(diǎn)功能。為此，有必要通過編寫程序?qū)崿F(xiàn)全站儀自動(dòng)展點(diǎn)功能。測(cè)量數(shù)據(jù)文件格式包含編號(hào)、Y坐標(biāo)、X坐標(biāo)、Z坐標(biāo)、描述等要素。但該5類數(shù)據(jù)間均采用“Tab”分隔符分開，而不是簡(jiǎn)單的空格。只要滿足上述格式的數(shù)據(jù)文本文件，均可進(jìn)行全站儀自動(dòng)展點(diǎn)。

1.2 生成三角網(wǎng)

為了構(gòu)建計(jì)算實(shí)體，生成三角網(wǎng)成為最為關(guān)鍵的一步。根據(jù)測(cè)量驗(yàn)收的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了3種實(shí)現(xiàn)生成三角網(wǎng)的功能：①第1種，是由1條三維線生成三角網(wǎng)，該功能主要針對(duì)平臺(tái)建網(wǎng)，三維線內(nèi)可以存在離散高程點(diǎn)(必須存在于“dlay”層中)參與建網(wǎng)，建網(wǎng)采用的是有約束三角形剖分方式；②第2種，由2條三維線生成三角網(wǎng)，主要是針對(duì)坡面進(jìn)行建網(wǎng)，僅坡頂與坡底線參與建網(wǎng)，建網(wǎng)采用的是追趕法三角形剖分方式；③第3種，由3條三維線生成三角網(wǎng)，實(shí)際是對(duì)前2種方法的有機(jī)組合[2]。

在建網(wǎng)過程中務(wù)必保證三角網(wǎng)不存現(xiàn)“漏洞”和“自相交”現(xiàn)象。在坡面建網(wǎng)過程中，采用追趕法三角形剖分方式，如圖1所示。

圖1 追趕法三角形剖分示意

首先以2條線的端點(diǎn)連線1作為起始邊，進(jìn)而判斷連線2與連線3的長(zhǎng)短，保留較短的線作為三角形的另1條邊，由連線1、連線2、連線4構(gòu)成三角形；然后再以連線2為起始邊繼續(xù)搜索，直至建網(wǎng)完畢。事實(shí)上，每次都在尋找較短的連線作為三角形的另1條邊的同時(shí)也是下1次搜索三角形的起始邊。生成三角網(wǎng)的效果與2條線的相對(duì)位置以及點(diǎn)的疏密有直接關(guān)系。

為了確保所建三角形的正確性，在AutoCAD2007軟件的“工具”欄中設(shè)計(jì)了查找三角形網(wǎng)“漏洞”和“自相交”功能，經(jīng)過修正后的三角網(wǎng)見圖2。

圖2 生成的三角網(wǎng)

1.3 構(gòu)建計(jì)算實(shí)體

計(jì)算實(shí)體實(shí)質(zhì)上虛構(gòu)出來的1個(gè)三維實(shí)體，目的是為了便于進(jìn)行布爾運(yùn)算。在臺(tái)階被采剝推進(jìn)了一塊區(qū)域后，可根據(jù)現(xiàn)有的3條線，構(gòu)建出目前臺(tái)階狀態(tài)的三角網(wǎng)，由于推進(jìn)前臺(tái)階坡頂線是虛擬高度，并不是模型圖的真實(shí)情況，對(duì)于構(gòu)建“計(jì)算實(shí)體”沒有實(shí)際意義，因此可采用以三角網(wǎng)為底面，構(gòu)建1個(gè)足夠高(高出臺(tái)階)的柱體，即計(jì)算實(shí)體，見圖3。

圖3 計(jì)算實(shí)體示意

1.4 生成驗(yàn)收實(shí)體

將計(jì)算實(shí)體與采場(chǎng)實(shí)體進(jìn)行交運(yùn)算，其結(jié)果便為所需要的采出實(shí)體，見圖4。

圖4 采出實(shí)體示意

1.5 驗(yàn)收計(jì)算報(bào)表

將采出實(shí)體與礦體模型進(jìn)行布爾運(yùn)算，其結(jié)果便為含有礦量的采出實(shí)體，通過統(tǒng)計(jì)得到礦量計(jì)算結(jié)果，見圖5。

1.6 采場(chǎng)現(xiàn)狀模型修改

完成了測(cè)量驗(yàn)收工作之后，對(duì)采場(chǎng)現(xiàn)狀模型進(jìn)行更新。為此，編寫了相應(yīng)的功能模塊，為了提高運(yùn)算速度，模塊采用后臺(tái)運(yùn)行方式。

2 塊體品位模型動(dòng)態(tài)修改

礦床模型的修改包括礦體形態(tài)的修改塊體品位的修改2個(gè)方面。

圖5 測(cè)量驗(yàn)收計(jì)算結(jié)果

2.1 塊體品位模型分類

根據(jù)露天礦的實(shí)際需求，建立了Mo、 S、Pb、Cu、Fe等5種元素的塊體品位模型。根據(jù)采場(chǎng)現(xiàn)狀的變化，單獨(dú)建立1個(gè)現(xiàn)狀品位模型，該模型與塊體品位模型不同之處在于，將已采出部分的塊體品位設(shè)置成“-1”，以便區(qū)分出采空區(qū)與未開采區(qū)，可通過該模型來實(shí)現(xiàn)采場(chǎng)綜合品位等值線的繪制。

2.2 塊體品位模型動(dòng)態(tài)修改

在平盤品位分布圖庫(kù)中，所有炮孔均繪制到相應(yīng)的平盤中，以塊體的平均品位來為本塊體進(jìn)行賦值，結(jié)果見圖6。

圖6 塊體品位模型動(dòng)態(tài)修改結(jié)果

2.3 現(xiàn)狀地表模型建立

在現(xiàn)狀品位模型中將已采出的塊體品位賦值為“-1”的前提是獲取采空區(qū)與未開采區(qū)的臨界面信息。由于塊體的高為12 m，因此現(xiàn)狀地表模型無(wú)需嚴(yán)格通過有約束三角形剖分來建立，可AutoCAD軟件中建立Mesh網(wǎng)體作為地表模型，即采空區(qū)與未開采區(qū)的臨界面模型。該功能模塊已經(jīng)設(shè)定了地表模型的大小和位置，僅需開采現(xiàn)狀圖就隨便可生成Mesh網(wǎng)體，以“DB_M”文件格式進(jìn)行保存[3]。

2.4 現(xiàn)狀品位模型建立

將平面中的所有塊體從上至下進(jìn)行搜索，當(dāng)塊體的質(zhì)心Z值高于地表模型Mesh網(wǎng)體時(shí)，塊體的品位被賦值為“-1”；當(dāng)某層塊體的質(zhì)心Z值高于地表模型Mesh網(wǎng)體時(shí)，則停止本塊體的垂向搜索，繼續(xù)其他塊體的搜索，直至所有平面塊體搜索完畢，形成1個(gè)“GradeBlk_Mo_1”現(xiàn)狀品位模型文件進(jìn)行保存?，F(xiàn)狀塊體品位模型見圖7。

3 礦量與品位計(jì)算

在地質(zhì)工作中，任意區(qū)域的礦量與品位計(jì)算是非常必要的。文中礦量計(jì)算是基于分層礦體實(shí)體的，而非基于塊體的累計(jì)；品位的計(jì)算則是根據(jù)塊體品位模型或炮孔品位來進(jìn)行計(jì)算。

圖7 現(xiàn)狀塊體品位模型

3.1 塊體品位計(jì)算

計(jì)算原理是判斷代表塊體的中心點(diǎn)是否落在所指定的區(qū)域內(nèi)，計(jì)算落在區(qū)域內(nèi)所有塊體的品位平均值。

3.2 炮孔品位計(jì)算

與塊體品位計(jì)算不同，計(jì)算炮孔品位需要有炮孔數(shù)據(jù)支持。計(jì)算原理是判斷炮孔是否完全落在所指定區(qū)域內(nèi)，計(jì)算落在區(qū)域內(nèi)所有炮孔的品位平均值。通過計(jì)算可以得到落在區(qū)域內(nèi)炮孔數(shù)目，以及各種元素平均值等數(shù)據(jù)。

3.3 任意區(qū)域礦體計(jì)算

礦量計(jì)算的原理是將計(jì)算區(qū)域建立起1個(gè)柱形的計(jì)算實(shí)體，將平面圖中所有礦體實(shí)體與其進(jìn)行布爾交運(yùn)算，從而得到礦體在區(qū)域內(nèi)的體積，功能是采剝計(jì)劃編制中礦量計(jì)算的基礎(chǔ)。

4 結(jié) 語(yǔ)

三維立體模型系統(tǒng)的引進(jìn)，更為直觀準(zhǔn)確的反應(yīng)了采礦場(chǎng)的現(xiàn)狀及生產(chǎn)情況，極大提高了礦山技術(shù)人員的工作效率。但要求礦山技術(shù)人員更為熟練地掌握AutoCAD2007軟件的各個(gè)模塊功能，對(duì)于各模塊中的功能的改進(jìn)有必要借助相關(guān)語(yǔ)言進(jìn)行二次開發(fā)實(shí)現(xiàn)。

[1] 胡 挺，吳立軍.CATIA二次開發(fā)技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006.

[2] 杜秀川，王 嫚.JSP網(wǎng)絡(luò)編程:基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的WEB開發(fā)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006.

[3] 和平鴿工作室.OpenGl高級(jí)變成與可視化系統(tǒng)開發(fā)[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2003.

2014-11-17)

劉棟梁(1983—)，男，工程師，714102 陜西省華縣。