趙 永 楊天鴻 解聯(lián)庫(kù) 朱根鵬 胡高建 張 飛(1.深部金屬礦山安全開(kāi)采教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽(yáng) 110819；2.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110819；3.北京礦冶研究總院礦山工程研究所，北京 100160；.內(nèi)蒙古赤峰紅嶺有色礦業(yè)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古赤峰 02550)

·機(jī)電與自動(dòng)化·

紅嶺鉛鋅礦的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)

趙 永1,2楊天鴻1,2解聯(lián)庫(kù)2,3朱根鵬4胡高建1,2張 飛1,2
(1.深部金屬礦山安全開(kāi)采教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽(yáng) 110819；2.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110819；3.北京礦冶研究總院礦山工程研究所，北京 100160；4.內(nèi)蒙古赤峰紅嶺有色礦業(yè)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古赤峰 025450)

根據(jù)紅嶺鉛鋅礦的實(shí)際情況，基于VR技術(shù)建立了一整套礦山虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。針對(duì)VR技術(shù)在礦山中應(yīng)用的不足之處，對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)構(gòu)建軟件進(jìn)行了二次開(kāi)發(fā)，加強(qiáng)其對(duì)外部數(shù)據(jù)的集成與可視化，實(shí)現(xiàn)對(duì)微震數(shù)據(jù)、應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)、塑性區(qū)以及理論計(jì)算結(jié)果的真三維顯示。該礦山虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)不僅包含了地表、工業(yè)場(chǎng)地、礦體、井巷、采場(chǎng)以及回采動(dòng)畫(huà)等礦山三維模型場(chǎng)景，還包含了一些數(shù)據(jù)、數(shù)值結(jié)果的顯示，具有虛擬場(chǎng)景漫游、信息查詢(xún)、數(shù)據(jù)立體呈現(xiàn)和交互控制等功能。針對(duì)紅嶺鉛鋅礦的大量采空區(qū)，通過(guò)對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中眾多重要三維數(shù)據(jù)的聯(lián)合解讀和分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)采空區(qū)圍巖穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)以及危險(xiǎn)區(qū)域的確定，提高了VR技術(shù)在礦業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用性。

三維模型 VR技術(shù) 數(shù)據(jù)集成 采空區(qū)穩(wěn)定性

礦體是一個(gè)多介質(zhì)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)空間體，其中一些不連續(xù)的空間結(jié)構(gòu)體展布特征對(duì)采礦活動(dòng)的進(jìn)行尤為重要，且隨著礦石開(kāi)采的不斷進(jìn)行，圍巖運(yùn)動(dòng)以及礦體壓力都在不斷地發(fā)展和變化著，發(fā)生災(zāi)變的條件隨時(shí)可能遇到，且在開(kāi)采過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的時(shí)變地質(zhì)信息數(shù)據(jù)。利用傳統(tǒng)的二維圖表或在各個(gè)系統(tǒng)完全獨(dú)立運(yùn)行的條件下，人們將很難理解復(fù)雜空間中各數(shù)據(jù)集的時(shí)變過(guò)程，難以利用這些數(shù)據(jù)來(lái)推斷地質(zhì)信息在研究區(qū)域內(nèi)的發(fā)育分布規(guī)律。除此之外，礦山巖體具有動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的特點(diǎn)，故對(duì)采空區(qū)穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)不能以單一因素進(jìn)行評(píng)價(jià)，而需綜合多元因素、多手段、全過(guò)程、分階段的動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)。所以急需一門(mén)技術(shù)來(lái)反映地質(zhì)信息、巖石力學(xué)信息、應(yīng)力信息以及聯(lián)合集成多方數(shù)據(jù)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的出現(xiàn)，可適時(shí)地解決這一問(wèn)題。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，將采礦活動(dòng)的各個(gè)環(huán)節(jié)編制成交互性強(qiáng)的可視化系統(tǒng)，可將地質(zhì)資料、礦體模型、巖石力學(xué)、數(shù)值模擬等模塊結(jié)合在一起，供用戶(hù)分析和考慮多方面的因素，可對(duì)各研究區(qū)域的穩(wěn)定性進(jìn)行綜合分析、危險(xiǎn)區(qū)域定位，提高生產(chǎn)進(jìn)度及安全[1]。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)概要

20世紀(jì)80年代初，美國(guó)人Jaron Lanier提出了“Virtual Reality”的概念。Grigore C.Burdea和Philippe Coiffet在《Virtual Reality Technology》把虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)定義為一種高端的人機(jī)接口，包括視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)、嗅覺(jué)和味覺(jué)等多種感覺(jué)通道的實(shí)時(shí)模型和實(shí)時(shí)交互[2]。VR技術(shù)能為礦山用戶(hù)提供一種逼真的三維虛擬礦山環(huán)境，使用戶(hù)不僅可以沉浸在虛擬礦山場(chǎng)景中，產(chǎn)生“身臨其境”的感覺(jué)，還可以與之進(jìn)行實(shí)時(shí)交互，用戶(hù)可以沉浸于數(shù)據(jù)空間，能以更自然、更直接的方式與數(shù)據(jù)交互，這是傳統(tǒng)的二維CAD設(shè)計(jì)圖和預(yù)渲染回放的三維動(dòng)畫(huà)所無(wú)法達(dá)到的[3-4]。我國(guó)礦業(yè)領(lǐng)域VR的研究尚處于初級(jí)階段。近年來(lái)，許多與礦業(yè)有關(guān)的科研院校相繼建立了礦山虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室，在礦山VR領(lǐng)域取得了一定的成績(jī)，例如：東北大學(xué)虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室結(jié)合石人溝鐵礦開(kāi)發(fā)了石人溝鐵礦虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了模型的真三維顯示、漫游、數(shù)據(jù)查詢(xún)，還實(shí)現(xiàn)了對(duì)微震數(shù)據(jù)、安全系數(shù)等重要信息的集成[5]；中國(guó)礦業(yè)大學(xué)與德國(guó)DMT大學(xué)合作，把礦井決策模擬系統(tǒng)STMBERG應(yīng)用于真實(shí)礦井中，可模擬井下火災(zāi)的發(fā)生過(guò)程、變化趨勢(shì)[6]；西安科技大學(xué)采礦數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室研發(fā)了煤礦實(shí)地仿真教學(xué)系統(tǒng)，模擬了礦井從地面到工作面的巷道系統(tǒng)[7]等。

本研究通過(guò)結(jié)合赤峰紅嶺鉛鋅礦的實(shí)際情況，建立虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，真三維的表現(xiàn)礦山數(shù)據(jù)。并通過(guò)對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)構(gòu)建軟件的二次開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)面信息、應(yīng)力場(chǎng)、微震信息等數(shù)據(jù)的三維可視化表達(dá)，可依據(jù)集成結(jié)果對(duì)采空區(qū)圍巖、頂板的穩(wěn)定性進(jìn)行聯(lián)合評(píng)價(jià)，并確定出危險(xiǎn)區(qū)域，加強(qiáng)監(jiān)測(cè)與防護(hù)。擴(kuò)展了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在礦山中的實(shí)際應(yīng)用性，并為采空區(qū)的評(píng)價(jià)提出了一種可行方法。

2 紅嶺鉛鋅礦VR技術(shù)系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)研發(fā)的總體思路

紅嶺鉛鋅礦虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)研發(fā)的思路如圖1所示。

圖1 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)研發(fā)思路

系統(tǒng)構(gòu)建流程可分為5個(gè)階段：

(1)建立紅嶺鉛鋅礦三維模型。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)所收集的資料和數(shù)據(jù)，利用三維建模軟件進(jìn)行整個(gè)礦山的三維模型(地表、建筑、礦體、井巷、采空區(qū)、頂板、礦山設(shè)備等)和制作相關(guān)的采礦工藝動(dòng)畫(huà)。

(2)外部數(shù)據(jù)的集成與可視化。對(duì)數(shù)值模擬得到的應(yīng)力場(chǎng)、塑性區(qū)、位移場(chǎng)，利用3GSM測(cè)試得到的結(jié)構(gòu)面結(jié)果以及初步監(jiān)測(cè)得到的微震信號(hào)等進(jìn)行三維重構(gòu)。將重構(gòu)后的三維模型，集成并可視化到虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中。

(3)建立數(shù)據(jù)查詢(xún)系統(tǒng)。利用現(xiàn)場(chǎng)收集的地質(zhì)數(shù)據(jù)、圖像數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)與建立的三維模型聯(lián)系起來(lái)，建立數(shù)據(jù)查詢(xún)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)直觀了解模型信息。除此之外，還將數(shù)值模型結(jié)果以及通過(guò)Mathews計(jì)算得到的采空區(qū)穩(wěn)定性信息建立評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)庫(kù)，可直觀了解每個(gè)采場(chǎng)的穩(wěn)定性情況。

(4)交互控制。通過(guò)一系列腳本、窗口、控件的設(shè)置來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的交互式控制，包括模型的顯示與隱藏、場(chǎng)景切換、數(shù)據(jù)查詢(xún)、角色漫游等。

(5)真三維立體顯示。利用東北大學(xué)主動(dòng)立體顯示設(shè)備，真三維地顯示構(gòu)建的紅嶺鉛鋅礦虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，讓用戶(hù)身臨其境地解讀模型之間的立體關(guān)系、采空區(qū)的穩(wěn)定性情況等信息。

2.2 紅嶺鉛鋅礦工程概述

紅嶺鉛鋅礦礦區(qū)位于內(nèi)蒙古赤峰市，屬于矽卡巖型多金屬礦。礦化帶走向55°～59°，傾角較陡65°～85°。礦區(qū)成礦帶是沿大理巖層間及其頂?shù)装宸植?，故礦體的圍巖在1#礦體下盤(pán)和2#礦體下盤(pán)分布有矽質(zhì)板巖、板巖；位于1#礦體的上盤(pán)和2#礦體下盤(pán)分布有大理巖；礦體賦存在矽卡巖帶之中，礦體的直接圍巖為矽卡巖。礦體中夾石有板巖、大理巖和矽卡巖。

2010年之前，礦區(qū)開(kāi)采中段為1、2、3中段，因技術(shù)、規(guī)范、管理以及之前的民采等原因，未形成統(tǒng)一的規(guī)劃開(kāi)采，導(dǎo)致3中段及其以上礦體殘留大量礦柱，嚴(yán)重浪費(fèi)了礦產(chǎn)資源。不僅如此，十幾年的礦山開(kāi)采，采空區(qū)大量存在。據(jù)統(tǒng)計(jì)，863 m中段(5中段)以上采空的礦房有80個(gè)，其中2#礦體24個(gè)，1#礦體56個(gè)。1 035 m(1中段)中段有9個(gè)，995 m(2中段)中段有19個(gè)，955 m(3中段)中段有28個(gè)，905 m中段(4中段)20個(gè)。如圖2所示。

圖2 礦房空間分布

嚴(yán)格地說(shuō)，目前該礦山的采空區(qū)應(yīng)該是采空的礦房，并且大部分礦房沒(méi)有冒頂、片落等現(xiàn)象。然而空區(qū)暴露時(shí)間越長(zhǎng)，礦巖變形越嚴(yán)重，穩(wěn)固性越差?，F(xiàn)在大部分礦房均已無(wú)法進(jìn)入，故無(wú)法對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)的現(xiàn)場(chǎng)勘察。現(xiàn)階段礦區(qū)要回收4中段以上殘留的礦柱，采空區(qū)的穩(wěn)定性對(duì)礦柱的回收起到至關(guān)重要的作用。故需對(duì)采空區(qū)穩(wěn)定性進(jìn)行分析，為礦柱回收方案的選取提供依據(jù)。

2.3 三維場(chǎng)景建立

三維模型的建立可以增強(qiáng)地質(zhì)數(shù)據(jù)的表現(xiàn)力和可用性，為地質(zhì)工作者在三維空間中觀察、分析地質(zhì)現(xiàn)象以及空間分布提供重要手段[8]。

(1)三維地質(zhì)模型的建立，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)提供的地表地形圖，利用3DMine礦業(yè)工程軟件，對(duì)地表地形圖中的等高線(xiàn)進(jìn)行賦高程、生成DTM面等操作，并生成具有高低起伏的真實(shí)三維地形表面。根據(jù)礦山提供的地質(zhì)剖面圖、勘探線(xiàn)剖面圖，利用3DMine中的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換功能對(duì)中段平面圖和勘探線(xiàn)剖面圖進(jìn)行坐標(biāo)調(diào)整，進(jìn)而利用生成三角網(wǎng)的操作形成礦體、頂板、礦房、間柱等操作。最后在3Ds Max里對(duì)在3DMine中建立的三維模型進(jìn)行材質(zhì)處理，形成具有真實(shí)特性的三維模型。如圖3所示。

圖3 三維地質(zhì)模型

(2)工業(yè)場(chǎng)地模型。根據(jù)地表地形圖中工業(yè)場(chǎng)地的布置以及現(xiàn)場(chǎng)采集的圖像信息，利用建筑設(shè)計(jì)軟件，按照1∶1的比例構(gòu)建工業(yè)場(chǎng)地建筑模型，構(gòu)建完畢后在3Ds Max中對(duì)建筑進(jìn)行紋理映射，使之更加真實(shí)。構(gòu)建后的模型如圖4。

圖4 工業(yè)場(chǎng)地模型

(3)井巷模型的建立。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)提供的中段平面圖，利用3DMine軟件由腰線(xiàn)生成巷道再生成各中段的巷道。利用連接三角網(wǎng)的方式生成主井、副井、回風(fēng)井、箕斗井。另外，為了真實(shí)呈現(xiàn)現(xiàn)實(shí)巷道形態(tài)，為后續(xù)采礦工藝動(dòng)畫(huà)提供場(chǎng)景，并為結(jié)構(gòu)面的展示提供真實(shí)的環(huán)境，故需在3Ds Max中利用FFD、噪波等操作對(duì)863、905、955 m水平部分區(qū)段進(jìn)行重新構(gòu)建，生成具有凹凸立體感的巷道。

(4)設(shè)備模型。根據(jù)從現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的設(shè)備尺寸與采集的實(shí)體圖像建立設(shè)備模型并賦予相應(yīng)材質(zhì)，建立設(shè)備模型的目的是為了后續(xù)采礦工藝動(dòng)畫(huà)的制作提供素材。設(shè)備模型的建立與采礦工藝動(dòng)畫(huà)的制作，都在3Ds Max中進(jìn)行。將抽象的地下工程已生動(dòng)的三維動(dòng)畫(huà)展示給用戶(hù)，對(duì)礦山的教學(xué)和培訓(xùn)有一定的幫助作用。圖5為采場(chǎng)內(nèi)的鏟運(yùn)機(jī)正在運(yùn)搬礦石，圖6為礦車(chē)在等待放礦機(jī)放礦。

圖5 鏟運(yùn)機(jī)運(yùn)搬

圖6 礦車(chē)運(yùn)輸

2.4 數(shù)據(jù)集成

將多種數(shù)據(jù)信息集成到一個(gè)可視化平臺(tái)中供人們?nèi)?、綜合的分析，不僅是提高防災(zāi)抗災(zāi)能力中十分關(guān)鍵和亟待解決的問(wèn)題，還是將各個(gè)系統(tǒng)發(fā)揮到最大、最有力的途徑。由此可見(jiàn)集成大量的外部數(shù)據(jù)是穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的重中之重。

(1)巖體結(jié)構(gòu)面測(cè)量結(jié)果的集成與可視化。工程巖體的軟弱結(jié)構(gòu)面，對(duì)巖體穩(wěn)定性影響較大，其形狀、力學(xué)性質(zhì)及空間組合條件，在某種程度上控制著礦山地壓活動(dòng)與巖體的冒落過(guò)程。應(yīng)用ShapeMetriX 3D對(duì)紅嶺鉛鋅礦進(jìn)行結(jié)構(gòu)面調(diào)查，獲得結(jié)構(gòu)面的詳細(xì)信息為采空區(qū)穩(wěn)定性研究提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。對(duì)結(jié)構(gòu)面調(diào)查的結(jié)果進(jìn)行三維重構(gòu)，并可視化到虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，直觀地了解特殊區(qū)段的巖體狀況并可查詢(xún)結(jié)構(gòu)面結(jié)果。如圖7所示。

圖7 巖體結(jié)構(gòu)面的可視化

(2)數(shù)值模擬結(jié)果的集成與可視化。通過(guò)編寫(xiě)程序代碼，對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)構(gòu)建軟件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，將應(yīng)力場(chǎng)、塑性區(qū)等數(shù)據(jù)集成并可視化虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中。真三維的顯示數(shù)值場(chǎng)景，直觀地顯示應(yīng)力集中區(qū)域以及集中程度等信息，便于加強(qiáng)開(kāi)采區(qū)域的監(jiān)管與防護(hù)。如圖8所示。

(3)微震數(shù)據(jù)的集成與可視化。由于微震是礦巖變形、裂紋開(kāi)裂及擴(kuò)展過(guò)程的伴生現(xiàn)象，微震事件的位置與強(qiáng)度反映了巖體內(nèi)的變形或破壞的位置及其強(qiáng)度。利用東北大學(xué)虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)的定位程序，獲取微震事件的坐標(biāo)，以微震小球的形式集成到可視化系統(tǒng)中。集成微震數(shù)據(jù)不僅能夠起到監(jiān)測(cè)災(zāi)害的目標(biāo)，還能起到預(yù)警的作用。圖9為微震

圖8 應(yīng)力場(chǎng)可視化

數(shù)據(jù)的可視化結(jié)果。

圖9 微震數(shù)據(jù)可視化

除此之外，系統(tǒng)對(duì)巖石力學(xué)數(shù)據(jù)、巖體力學(xué)數(shù)據(jù)以及關(guān)鍵塊體都進(jìn)行了集成與可視化，便于用戶(hù)對(duì)礦體性質(zhì)不僅有感性的認(rèn)識(shí)還具有理性的認(rèn)識(shí)。

2.5 數(shù)據(jù)庫(kù)信息查詢(xún)

VR技術(shù)可以將礦山的數(shù)據(jù)信息真三維呈現(xiàn)給用戶(hù)，但是單純的觀看三維模型無(wú)法全面、準(zhǔn)確地了解所有信息。有些重要信息是無(wú)法通過(guò)三維圖形“看”出來(lái)的，例如采場(chǎng)特征、礦石儲(chǔ)量、人員信息等。故有必要建立一個(gè)包含所有重要信息的數(shù)據(jù)庫(kù)，并且要實(shí)時(shí)更新，真實(shí)、準(zhǔn)確地呈現(xiàn)數(shù)據(jù)。信息查詢(xún)系統(tǒng)的建立是通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)中模型與數(shù)據(jù)庫(kù)的ADO接口實(shí)現(xiàn)的。通過(guò)將模型與數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行鏈接，實(shí)現(xiàn)雙擊模型查詢(xún)對(duì)應(yīng)區(qū)域的數(shù)據(jù)信息(如圖10)。

圖10 采空區(qū)信息查詢(xún)

2.6 交互控制

將三維模型、動(dòng)畫(huà)導(dǎo)入虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)構(gòu)建軟件中，并完成數(shù)據(jù)庫(kù)查詢(xún)系統(tǒng)的制作后，需要建立一套完整的人性化控制系統(tǒng)——交互控制，以達(dá)到用戶(hù)對(duì)虛擬場(chǎng)景的交互控制，如人員的虛擬漫游、動(dòng)畫(huà)的播放、結(jié)構(gòu)面計(jì)算過(guò)程的演示、數(shù)值模擬結(jié)果各剖面結(jié)果的展示等等。這些功能都可以通過(guò)自主編寫(xiě)腳本來(lái)實(shí)現(xiàn)，最終通過(guò)設(shè)置相應(yīng)控件來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)腳本的控制。最終建成的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)如圖11所示。

圖11 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)界面

2.7 采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

采空區(qū)穩(wěn)定性分析方法有多種，如工程類(lèi)比法、數(shù)值模擬法、穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)、預(yù)計(jì)法、不確定系統(tǒng)分析法[9]。采用Mathews穩(wěn)定圖法和數(shù)值模擬對(duì)紅嶺鉛鋅礦采場(chǎng)穩(wěn)定性進(jìn)行綜合分析。Mathews穩(wěn)定圖法是一種相對(duì)簡(jiǎn)單、理論上并不嚴(yán)密而基于實(shí)踐的一個(gè)計(jì)算方法，計(jì)算過(guò)程以2個(gè)因子——穩(wěn)定數(shù)N和水力半徑R的計(jì)算為基礎(chǔ)，然后將這2個(gè)因子繪制在劃分為穩(wěn)定區(qū)、過(guò)渡區(qū)和崩落區(qū)的圖上，得出穩(wěn)定性結(jié)果[10-12]。利用VR技術(shù)將以上數(shù)據(jù)可視化到虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，對(duì)所有可視化數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合解讀，綜合分析采空區(qū)穩(wěn)定性，并確定出危險(xiǎn)區(qū)域。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)巖體調(diào)查情況、巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)以及由各中段平面圖得到的采空區(qū)幾何性質(zhì)、巖體RMR值、Q分級(jí)結(jié)果、結(jié)構(gòu)面參數(shù)等數(shù)據(jù)，利用Mathews穩(wěn)定圖法，求出各采空區(qū)的上盤(pán)圍巖穩(wěn)定性情況。將計(jì)算結(jié)果編制成數(shù)據(jù)庫(kù)集成到可視化系統(tǒng)中，以便與數(shù)值模擬一起進(jìn)行聯(lián)合解讀。圖12為集成的Mathews計(jì)算結(jié)果(考慮文章篇幅，只列出3中段計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)庫(kù))。

從圖12中可以看出，絕大多數(shù)采場(chǎng)處于穩(wěn)定區(qū)，個(gè)別采場(chǎng)圍巖穩(wěn)定性處于過(guò)渡區(qū)。3中段3102、3103、3104、3105采場(chǎng)處于過(guò)渡區(qū)，巖性為白理巖，巖性較弱；采場(chǎng)尺寸比同巖性采場(chǎng)尺寸大，暴露面積大，穩(wěn)定性差。4中段4204、4102、4103、4102、4100采場(chǎng)處于過(guò)渡區(qū)，分析原因與3中段相同。因此，對(duì)上述采場(chǎng)需考慮加強(qiáng)支護(hù)來(lái)維持上盤(pán)圍巖的穩(wěn)定性。

從圖8中可以看出局部礦房頂板有明顯拉應(yīng)力集中，其中三中段3109、3110采場(chǎng)，四中段4103、4104、4106、4108采場(chǎng)拉應(yīng)力最大值約為1.2 MPa，四

圖12 集成的Mathews計(jì)算結(jié)果

中段4102、4105采場(chǎng)拉應(yīng)力集中更為明顯，約為1.47 MPa，但最大拉應(yīng)力也小于巖體抗拉強(qiáng)度2 MPa。采場(chǎng)頂板足以維持自穩(wěn)。

從圖13中可以分析得到，在回采3、4中段礦房后，局部頂柱及圍巖上盤(pán)出現(xiàn)塑性區(qū)，發(fā)生塑性區(qū)的位置與出現(xiàn)較大拉應(yīng)力位置相對(duì)應(yīng)。主要發(fā)生位置為4中段4102、4105、4106、4107、4108礦房頂板，4100、4102、4103礦房上盤(pán)也出現(xiàn)局部塑形破壞，與利用Mathews穩(wěn)定圖法計(jì)算得到的過(guò)渡區(qū)相對(duì)應(yīng)。出現(xiàn)塑形破壞主要原因是采場(chǎng)頂板或者上盤(pán)圍巖跨度較大造成的。出現(xiàn)的塑性區(qū)未出現(xiàn)大面積連通現(xiàn)象，不足以引起大規(guī)?？逅?。

圖13 塑性區(qū)可視化

從圖14(a)中可以看出，在4中段4102、4104、4105、4108采場(chǎng)頂板出現(xiàn)明顯的位移沉降，與出現(xiàn)塑性破壞以及拉應(yīng)力集中位置相對(duì)應(yīng)，最大位移為3 mm。從圖14(b)可以看出在礦體較薄但沿走向跨度較大的4200、4100、4101、4102/4103采場(chǎng)頂板也有1.5 mm沉降，這些采場(chǎng)處于過(guò)渡區(qū)。

圖14 位移場(chǎng)三維可視化

綜上所述，綜合Mathews穩(wěn)定圖法的計(jì)算結(jié)果以及數(shù)值模擬結(jié)果，應(yīng)對(duì)3中段3102、3103、3104、3105采場(chǎng)，4中段4204、4102、4103、4101、4100采場(chǎng)圍巖進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。應(yīng)重點(diǎn)對(duì)4中段4102、4105、4106、4107、4108采場(chǎng)頂板進(jìn)行監(jiān)測(cè)，加強(qiáng)監(jiān)管與防護(hù)措施，這些采場(chǎng)不僅有拉應(yīng)力集中、位移沉降也比較大。

4 結(jié) 論

(1)利用VR技術(shù)構(gòu)建了紅嶺鉛鋅礦虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，不僅建成了大量的三維模型、虛擬礦山場(chǎng)景，而且將繁冗的數(shù)據(jù)信息以真三維的形式呈現(xiàn)出來(lái)?？煞奖懵?lián)合解讀，增強(qiáng)三維數(shù)據(jù)的立體表現(xiàn)，便于對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、表達(dá)和利用。

(2)對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)構(gòu)建軟件進(jìn)行了二次開(kāi)發(fā)，增強(qiáng)了其對(duì)外部數(shù)據(jù)的集成性，使其能夠集成應(yīng)力場(chǎng)數(shù)據(jù)、位移場(chǎng)數(shù)據(jù)以及微震數(shù)據(jù)。提高了VR技術(shù)在礦業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用性，實(shí)現(xiàn)了利用VR技術(shù)集成外部數(shù)據(jù)對(duì)采空區(qū)圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行聯(lián)合解讀、輔助分析。

(3)根據(jù)聯(lián)合Mathews穩(wěn)定圖法的計(jì)算結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果的應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)、塑性區(qū)數(shù)據(jù)，綜合分析出應(yīng)對(duì)3中段3102、3103、3104、3105采場(chǎng)，4中段4204、4102、4103、4101、4100采場(chǎng)上盤(pán)圍巖加強(qiáng)支護(hù)。對(duì)4中段4102、4105、4106、4107、4108采場(chǎng)頂板進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)，加強(qiáng)監(jiān)管與防護(hù)措施。

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(責(zé)任編輯 徐志宏)

Hongling Lead-zinc Mine′s Virtual Reality Technology

Zhao Yong1,2Yang Tianhong1,2Xie Lianku2,3Zhu Genpeng4Hu Gaojian1,2Zhang Fei1,2
(1.KeyLaboratoryofMinistryofEducationonSafeMiningofDeepMetalMines,Shenyang110819,China;2.SchoolofResource&CivilEngineering,NortheasternUniversity,Shenyang110819,China;3.InstituteofMiningEngineering,BeijingGeneralResearchInstituteofMinging&Metallurgy,Beijing100160China；4.ChifengHonglingNonferrousMetalMiningCo.,Ltd.,Chifeng025450China)

Combining with actual situation of Hongling Lead-zinc Mine,a set of mine virtual reality system based on the virtual reality technique was built.According to the shortcomings of the application of virtual reality technology in mine,the virtual reality software was secondly developed to strengthen the integration and visualization of the external data and to realize the true 3D display of seismic data,the stress field,displacement field,plastic zone and the theoretical results.This mine virtual reality system not only contains the 3D mine model scene,such as surface,industrial sites,ore,stope and drift,mining technology of animation,but also includes a display of some data,the numerical results.The system has the functions of virtual scene roaming,information query,data stereo presentation and interaction control function etc.Due to a large number of mined out area in Hongling Lead-zinc Mine,the stability of goaf is evaluated,the dangerous area is determined to improve the application of virtual reality technology in mining areas,through the interpretation and analysis of these important 3D data.

Three dimensional model,VR technology，Data integration,Goaf stability

2014-10-10

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)項(xiàng)目(編號(hào)：2013CB227902)，國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào)：1174045)，國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(編號(hào)：51174045)。

趙 永(1991—)，男，博士研究生。

TD 862.2,TD 862.3,TP391.9

A

1001-1250(2015)-01-098-06