关于井巷工程三维建模及无缝开挖模拟技术的分析

陈荣铛

（温州建峰矿山工程有限公司，浙江 温州 325807）

作为地质采矿中的重要技术手段，三维可视化技术、虚拟现实技术等近年来被广泛应用于地学领域中，特别其中三维地学建模，亦被称之为3DGM，在井巷工程中可起到重要作用。值得注意的是，由于井巷工程中可能涉及较为复杂的地质构造体，所以目前许多理论与技术的应用尚有待突破，无法真正实现矿山现代化与信息化的目标。所以本文在引入三维建模方法的同时，考虑采用无缝开挖模拟技术，具有十分重要的意义。

1 地质体三维建模

1.1 基于GTP的三维建模

井巷工程中，一般以地质体为主要采掘对象，而地质体中又有多种构造类型，如褶皱、断层等，这两种类型均较为复杂，地层数据信息较多，为采掘工作带来极大难题。对此情况，考虑引入GIT模型，依托其完成地质体模型的构建。从GTP模型看，其构成包含侧面空间四边形三个、平行三角形两个。这种构成方式下，四边形的棱边用于层间钻孔描述，而上下三角形的边线则连接地层面钻孔点。从GTP模型应用优势看，整个建模流程较为简单，可满足自动建模要求，且能适应复杂地质条件。同时，若涉及新钻孔数据，可对GTP生成、C-TIN生成做局部修改，无需重新建模，扩充、维护均极为方便。

1.2 地质体三维建模流程

地质体三维建模中，主要考虑做褶皱地质、含断层地质体的建模，建模中首先应明确相关的概念，包括以下几点。

RPBP建模法，该方法主要强调岩柱体分区，分区下由多个封闭区域形成，对各区域均进行建模。

构模约束面，立足于断层三维建模要求，由多个封闭区域形成，包括褶皱轴面三角形、断层面三角形以及地表面CD-TIN三角形等。

构模柱体，CD-TIN主要由钻孔口形成，假若以Ti表示其中三角形，Ti中3个钻孔点会构建一个柱体空间，被叫做构模柱体。

明确上述概念的基础上，借助GTP模型完成地质体三维模型的构建，整个构建流程为以下几点。

地表面CD-TIN构建，构建中数据源选择钻孔孔口离散点，以DELAUNY法为依据，由三角网TIN生成，此时可将钻孔间联系确定。

对地质体褶皱、断层进行判断。

地质体断层模型构建，若判断中发现为简单断层，取CD-TIN三角形，做GTP的扩展生成，CD-TIN各三角形有构模柱体形成，假若判断结果为复杂断层，模型构建需通过RPBP实现，构建中需对所有断层内切割关系明确，确定建模优先级，在此基础上进行断层构模约束面的构建，通过其“约束”作用，有较多简单断层系形成，这样利用该模型可将复杂的断层结构描述出来。

地质体褶皱层建模，模型构建中通过RPBP方法实现，结合褶皱岩性，构建构模约束面，在此基础上辅以人工三维交互，保证其中的节点被捕捉，能够满足三维地质体模型构建要求。

组建模型，由于构模约束面作用下，由多个封闭区域形成，此时需对其中属性相同的GTP搜寻，做模型的组建。如图1，为断层地质体构建模型图。

2 井巷工程三维建模

2.1 井巷工程模型特征

图1 断层地质体模型构建效果图

井巷工程三维模型构建中，应认识到其断面有多种形态，如梯形、矩形、拱形、圆形等。模型构建时需将模型内各元素与拓扑关系明确，在此基础上以“组件法”完成模型构建过程。从井巷工程模型特征看，主要表现为以下几点。

有两个断面存在于模型单元中，断面可能不平行，且宽、高可能不相同。

巷道构成，包括巷道模型单元两个，以井巷中心线进行连接，各巷道属性均需借助巷道中心线体现出来。

断面特征，尽管断面形状上有一定差异，仍需保持同样的断面离散点数，其目的在于将变断面问题、多类型断面问题解决。

2.2 井巷工程模型构建

根据井巷工程模型单元特征，在模型构建中，可细化为三个步骤，包括：第一，一维中心线。其是整个三维模型构建的基础，构建时既可根据设计图纸获取，也可依托于二维测绘实现。同时，模型构建中要求检测交叉点数据，对中心线拓扑关系明确，使井巷工程中心线网络更加清晰，每一段巷道均利用其中一条线段描述。根据该中心线网络，能够满足巷道漫游路线的构建与最短距离的搜索等要求。第二，双线巷道模型构建。在一维中心线明确的基础上，应按照相关图纸资料，将二维井巷工程双线轮廓明确，以各段巷道参数、方位角、宽度进行巷道边线交点坐标的构建，一般三维模型中底面多边形便是双线巷道。例如，以OC表示巷道，待双线巷道生成后，OC段巷道底面有两个四边形，分别以OCLF、OCKE描述，中心线PC为两个四边形的共边线，对于这两个四边形，实际上为井巷工程单元底面多边形。第三，井巷工程三维模型构建。模型构建中，应以一维中心线、二维双线巷道为基础，使各断面墙高、拱高明确，装配井巷模型，且做三角化处理，使最终的三维模型形成。

3 无缝开挖模拟技术在井巷工程中的应用

矿井工程项目开展中，采用三维地质模型构建方法，主要为满足地质体的实际开挖需求。但如何真正实现，除三维地质模型构建外，还要求做到无缝集成建模。根据既往研究资料中可发现，对于拓扑学，四面体模型相对较为简单，无论拓扑描述或数据结构，完备性与一致性特点均较为明显，所以在无缝集成模拟中，本次研究考虑通过GTP模型转换为四面体模型实现。该模型下，要求引入较多算法，如局部层次求交LHI算法、转换算法等。

具体剖析井巷工程中无缝开挖模拟技术的应用流程，体现在：第一，GTP模型转换。转换目标为四面体模型，转换过程中考虑以“最小项点法”为原则，该原则下要求各地质体GTP模型中将侧面对角线引入，引入过程中需由最小顶点出发，保证侧面对角线首尾连接，不闭合，这样整个GTP单元将以四个四面体模型形式呈现。第二，井巷工程模型转换。转换目标为四面体模型，换转过程要求对模型各元素中的中心线点、顶点明确，使这些点构成三角形簇，在此基础上连接三角形簇顶点，有GTP簇形成，完成模型转换过程。该过程结束后借助相应的四面体模型转换算法，使四面体模型形成。第三，无缝开挖模拟过程。无缝模拟技术具体运用中，需利用局部层次求交方法实现无缝开挖模拟过程，首先，需做模型求交，主要做四面体模型、三角形的求交，将其以三角形间的求交形式呈现，利用局部层次求交法，将以交点位置为依据，如体交点、面交点、线交点、点交点等，然后，做相应的处理。最后，做模型分解，处理层次要求由高维至低维，通常需将体交点优先处理，依次面交点、线交点处理，分解四面体，并做结构调整，保证有具体的显示方式，这样便能满足工程集成可视化要求。

4 结语

三维可视化技术、虚拟现实技术以及无缝开挖模拟技术是当前井巷工程项目开展重要技术保障。特别部分井巷工程中有负责的断层、褶皱层情况，需在三维模型构建下实现工程的可视化，同时在三维模型构建基础上引入无缝开挖模拟技术，利用其做无缝集成建模，使地质体实际开挖需求得以满足，这样既为井巷工程活动提供技术保障，同时对推动矿山现代化、信息化具有积极意义。

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