李金河 李角群 盧皎旭 程相琛

(1.中鋼豐寧萬隆礦業(yè)發(fā)展有限公司，河北 承德 068359；2.西安建筑科技大學(xué)，陜西 西安 710055)

0 引言

地下礦開拓設(shè)計(jì)是地下礦山設(shè)計(jì)的重中之重，其設(shè)計(jì)是否科學(xué)、合理直接影響之后的礦山生產(chǎn)。隨著計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)于實(shí)現(xiàn)礦山設(shè)計(jì)的自動(dòng)化、可視化的愿望愈加強(qiáng)烈。在過去相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，對(duì)于地下礦開采設(shè)計(jì)來說，無論初步設(shè)計(jì)或是施工圖設(shè)計(jì)，還都以二維圖紙?jiān)O(shè)計(jì)為主[1]。從早些年采用軸測(cè)圖透視方式構(gòu)建偽三維通風(fēng)系統(tǒng)示意圖，到近些年采用礦業(yè)專業(yè)軟件構(gòu)建三維開拓立體模型，三維設(shè)計(jì)逐步由模擬轉(zhuǎn)向真實(shí)[2]。但其中也暴露一些問題，諸如Surpac、Datamine和3Dmine等構(gòu)建平臺(tái)的多樣性以及給工作人員帶來的操作復(fù)雜性，再加上構(gòu)建系統(tǒng)靈活性相對(duì)不足等[3]。針對(duì)以上實(shí)際問題，提出了基于AutoCAD平臺(tái)的地下礦三維開拓立體模型構(gòu)建技術(shù)并對(duì)其進(jìn)行較全面論述。

1 開發(fā)平臺(tái)選擇

目前礦業(yè)CAD主流方式有兩種：一是基于組件技術(shù)在底層平臺(tái)上的開發(fā)，如由Tech Soft America公司開發(fā)并由Spatial再次銷售的產(chǎn)品HOOPS 3D Application Framework；二是基于某種軟件平臺(tái)的二次開發(fā)，如瑞典Propok在Microstation平臺(tái)上、加拿大Promine在AutoCAD平臺(tái)上開發(fā)的礦山CAD系統(tǒng)。

縱觀目前國內(nèi)應(yīng)用現(xiàn)狀，無論礦業(yè)設(shè)計(jì)單位還是生產(chǎn)單位，還是以AutoCAD作為主要應(yīng)用平臺(tái)，大量的圖紙和數(shù)據(jù)都存儲(chǔ)在DWG文件中，因此選擇在AutoCAD軟件平臺(tái)下進(jìn)行項(xiàng)目研發(fā)有極大的先天優(yōu)勢(shì)。

選擇AutoCAD軟件平臺(tái)下的二次開發(fā)。其主要理由如下：

1)經(jīng)過多年的發(fā)展，AutoCAD已經(jīng)成為國際一流的矢量圖形軟件，其DXF、DWG文件格式也成為工業(yè)圖形標(biāo)準(zhǔn)，主流繪圖設(shè)計(jì)軟件都有其接口；

2)AutoCAD是一個(gè)完全開放平臺(tái)，提供了多種開發(fā)技術(shù)手段；

3)AutoCAD的技術(shù)和更新速度是其他軟件無法比擬的，并有非常豐富的第三方資源；

4)AutoCAD獨(dú)有的擴(kuò)展數(shù)據(jù)技術(shù)，將圖形數(shù)據(jù)與非圖形數(shù)據(jù)完美統(tǒng)一，一張圖紙包含所有信息，無需外部文件存儲(chǔ);

5)AutoCAD在行業(yè)內(nèi)有廣大用戶，都可以熟練應(yīng)用的本軟件完成采礦專業(yè)圖紙?jiān)O(shè)計(jì)。在此平臺(tái)下完成軟件開發(fā)，學(xué)習(xí)成本可以忽略。

2 構(gòu)建地下礦三維開拓立體模型關(guān)鍵技術(shù)

2.1 構(gòu)建三維開拓立體模型圖元

在AutoCAD中提供兩種圖元可以表達(dá)三維模型，一個(gè)是三維面(3DFace)圖元，另一個(gè)是三維實(shí)體(3DSolid)圖元。三維面是由四個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)圍成的一個(gè)空間曲面片，如果將其首位兩點(diǎn)重合就形成三角面，任何復(fù)雜的三維模型都可以有三角面拼接而成。三維實(shí)體是基于ACIS系統(tǒng)構(gòu)建的三維圖元[4，5]。AutoCAD中提供了基本幾何體模型構(gòu)建，同時(shí)也提供了拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃掠和放樣四種建模方式。另外，ACIS系統(tǒng)本身提供三維實(shí)體布爾運(yùn)算，從而可以構(gòu)建更為復(fù)雜的三維模型。通常將由三維面拼接的三維模型稱為“網(wǎng)體模型”，由三維實(shí)體構(gòu)建的三維模型稱為“實(shí)體模型”。需要說明的是，在常見的礦業(yè)軟件中所說的實(shí)體模型都是AutoCAD中的“網(wǎng)體模型”。

地下礦三維開拓立體模型主要包括：豎井、平巷、斜坡道、硐室等地下采礦工程，以及地表和相關(guān)建筑。地下采礦工程都有共同特征，即由規(guī)則斷面沿某中心線施工完成，此類模型可以采用三維實(shí)體構(gòu)建中拉伸技術(shù)來完成[6]。地表建筑主要指井塔樓建筑模型，可先構(gòu)建基本幾何體模型，再通過實(shí)體布爾運(yùn)算來模型構(gòu)筑。最后是地表曲面，可以依據(jù)地形線數(shù)據(jù)，采用Delaunay三角形剖分算法，由三維面拼接出地表曲面。

2.2 三維開拓立體模型二次開發(fā)技術(shù)

AutoCAD是一個(gè)完全開放平臺(tái)，提供了多種開發(fā)技術(shù)手段，其中應(yīng)用VBA語言，借助AutoCAD ActiveX Automation 接口，進(jìn)行AutoCAD二次開發(fā)是最簡(jiǎn)單易行的手段。VBA開發(fā)速度快，可以快速實(shí)現(xiàn)使用者的想法，而其他語言則可能要2到3倍的時(shí)間。VBA內(nèi)置在AutoCAD 應(yīng)用軟件中，與其有較強(qiáng)的二次開發(fā)接口，開發(fā)者不用單獨(dú)購買開發(fā)工具就可以立即著手開發(fā)，并可以即時(shí)進(jìn)行跟蹤調(diào)試。

在AutoCAD ActiveX Automation 接口中提供了AddExtrudedSolidAlongPath函數(shù)，其功能既是將某截面沿某指定路徑進(jìn)行的拉伸建模操作。此函數(shù)包括形參Profile和Path，其中Profile是指將要拉伸的截面，Path是指拉伸路徑。截面要求必須為面域(Region)圖元，路徑可以是折線也可以是曲線。函數(shù)返回結(jié)果為通過拉伸所形成的三維實(shí)體(3DSolid)圖元。

為了確保模型構(gòu)建正確，截面面域(Region)圖元要設(shè)定基點(diǎn)，即沿路徑拉伸的參照點(diǎn)。其次，截面基點(diǎn)要與路徑起點(diǎn)重合，且路徑首段指向與截面的法向方向一致，即截面與路徑首段成垂直關(guān)系。為確保截面與路徑空間關(guān)系正確，需要使用AutoCAD ActiveX Automation 接口中對(duì)圖元編輯操作函數(shù)，包括函數(shù)Move、Rotate3D和Rotate。函數(shù)Move包括形參Point1和Point2，將Point1設(shè)定為截面基點(diǎn)，將Point2設(shè)定為路徑起點(diǎn)，完成截面基點(diǎn)與路徑起點(diǎn)重合。函數(shù)Rotate3D包括形參Point1、Point2和RotationAngle，由點(diǎn)Point1和Point2確定旋轉(zhuǎn)軸，RotationAngle確定旋轉(zhuǎn)角度，此函數(shù)完成圖元圍繞某坐標(biāo)軸進(jìn)行空間旋轉(zhuǎn)。函數(shù)Rotate包括形參BasePoint和RotationAngle，設(shè)定BasePoint截面基點(diǎn)，RotationAngle確定旋轉(zhuǎn)角度，截面將以此基點(diǎn)進(jìn)行逆時(shí)針(或順時(shí)針)旋轉(zhuǎn)。

根據(jù)上述編程思想，采用VBA語言編制三維井巷模型構(gòu)建模塊，可以完成井下采礦工程立體模型構(gòu)建。為快速完成三維模型構(gòu)建，可以采用構(gòu)建選擇集技術(shù)，對(duì)使用相同截面拉伸的路徑構(gòu)建一個(gè)選擇集，程序自動(dòng)完成選擇集內(nèi)所有采礦工程三維模型構(gòu)筑。

Delaunay剖分是一種三角剖分的標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)它有多種算法。其中逐點(diǎn)插入法是比較經(jīng)典的算法，該算法思路簡(jiǎn)單，易于編程實(shí)現(xiàn)。地表曲面構(gòu)建屬于帶約束的三角形剖分，其思路是：首先將地形線的拐點(diǎn)形成散點(diǎn)集，采用Delaunay剖分算法在無約束條件下構(gòu)建出三角網(wǎng)。然后將地形線的線段形成約束線段集，線段依次插入，判斷線段與三角形網(wǎng)關(guān)系，線段所穿插過的三角形稱為影響三角形，將影響三角形刪除，再將線段與影響三角形的全部頂點(diǎn)連接起來構(gòu)建新的三角形。當(dāng)所有約束線段插入完成后，即完成了帶約束條件下三角形剖分，所形成的三角網(wǎng)即為地表曲面。根據(jù)上述原理，采用VBA語言編制地表曲面構(gòu)建模塊，可以完成三維地表模型構(gòu)建。

3 杏山鐵礦三維開拓立體模型構(gòu)建

3.1 杏山鐵礦概述

2006年杏山鐵礦開始由露天轉(zhuǎn)入地下開采，歷經(jīng)5年建設(shè)，于2011年建成投產(chǎn)。設(shè)計(jì)開采規(guī)模為年產(chǎn)原礦320萬t，有利于開發(fā)利用深部資源,提高首鋼生產(chǎn)礦石自給能力,為首鋼可持續(xù)發(fā)展提供資源保障。

杏山鐵礦采用主副井+斜坡道聯(lián)合開拓，井下采用中央進(jìn)風(fēng)兩翼對(duì)角抽出式通風(fēng)系統(tǒng)。采礦方法為無底柱分段崩落法，分段高度18 m，進(jìn)路間距20 m。礦山一期生產(chǎn)主要開拓工程包括：-30 m中段、-105 m中段、-180 m中段、-330 m井底車場(chǎng)、主斜坡道、主井、副井、回風(fēng)井、以及溜井等。

3.2 構(gòu)建三維開拓立體模型一般流程

構(gòu)建三維開拓立體模型需要相應(yīng)的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備，并按如下流程進(jìn)行構(gòu)建：

1)地表曲面構(gòu)建。首先完成地形等高線數(shù)據(jù)整理，再采用構(gòu)建地表曲面模塊完成地表曲面構(gòu)建。

2)地表建筑物構(gòu)建。先構(gòu)建基本幾何體模型，再通過實(shí)體布爾運(yùn)算來模型構(gòu)筑。

3)平巷模型構(gòu)建。預(yù)先繪制合適比例的平巷斷面圖，形成截面面域并設(shè)定基點(diǎn)。將中段平巷中心線設(shè)定在合適標(biāo)高，采用三維井巷模型構(gòu)建模塊自動(dòng)完成中段平巷三維模型構(gòu)筑。

4)斜坡道模型構(gòu)建。預(yù)先繪制合適比例的斜坡道斷面圖，形成截面面域并設(shè)定基點(diǎn)。根據(jù)斜坡道三維中心線，采用三維井巷模型構(gòu)建模塊自動(dòng)完成斜坡道三維模型構(gòu)筑。

5)豎井(斜井)模型構(gòu)建。預(yù)先繪制合適比例的豎井(斜井)斷面圖，形成截面面域并設(shè)定基點(diǎn)。根據(jù)豎井(斜井)三維中心線，采用三維井巷模型構(gòu)建模塊自動(dòng)完成豎井(斜井)三維模型構(gòu)筑。

6)將上述模型組合在一個(gè)文檔中，形成完整的地下礦三維開拓立體模型。

3.3 杏山鐵礦三維開拓立體模型構(gòu)建

為順利實(shí)現(xiàn)礦山三維開拓立體模型構(gòu)建，首先完成基本數(shù)據(jù)圖件準(zhǔn)備。包括建立巷道斷面、井筒斷面圖庫；三維地形圖；各中段采礦工程布置圖；斜坡道布置圖；主副井、風(fēng)井、溜井等豎井布置圖。其次按三維開拓立體模型構(gòu)建流程，分別完成地表模型、各中段采礦工程模型、斜坡道模型以及豎井模型構(gòu)建。最后將以上所有模型組合在一起，完成杏山鐵礦三維開拓立體模型構(gòu)建，如圖1所示。

圖1 杏山鐵礦三維開拓立體模型圖

3.4小結(jié)

在杏山鐵礦設(shè)計(jì)中，由于杏山鐵礦礦體賦存條件特殊性，無法采用四組相互交叉勘探線剖面完成Surpac軟件下礦體模型構(gòu)建，礦山整體設(shè)計(jì)都在AutoCAD平臺(tái)下完成。設(shè)計(jì)中包括了巷道斷面、井筒斷面；各中段采礦工程布置；斜坡道布置；主副井、回風(fēng)井、溜井布置；以及三維地形數(shù)據(jù)等。直接利用以上礦山設(shè)計(jì)圖紙，無需數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，在AutoCAD平臺(tái)下可靈活方便地完成杏山鐵礦三維開拓立體模型構(gòu)建。

4 結(jié)語

通過對(duì)地下礦三維開拓立體模型構(gòu)建技術(shù)研究，得到以下結(jié)果：

1)基于AutoCAD軟件平臺(tái)下，通過二次開發(fā)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)地下礦三維開拓立體模型構(gòu)建，從而獲得非常直觀的可視化效果。

2)當(dāng)三維開拓系統(tǒng)的平向與豎向范圍差距較大時(shí)，適當(dāng)擴(kuò)大采礦工程斷面，可改善可視化效果。適當(dāng)改變中段標(biāo)高位置，擴(kuò)大中段間距，以防止中段過于密集交叉影響可視化效果。

3)在AutoCAD軟件平臺(tái)下，無需數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，直接利用礦山設(shè)計(jì)圖紙，按流程分步構(gòu)建三維開拓立體模型，操作靈活方便，由較強(qiáng)實(shí)用性。