三维可视化技术在矿山开采设计中的应用

张云亮

（苏州中材非金属矿工业设计研究院有限公司，江苏 苏州 215151）

在计算机技术飞速发展的背景下，三维立体化矿山工程设计软件被广泛应用在矿山管理和生产中，比如：3DMined、Dimine、SD等软件的发明和应用，可三维立体化的显示矿山内部空间的赋存状态，清楚直观的展现矿层和地表地形之间的空间位置关系，从而提升空间分析功能，进一步揭示矿层信息，优化矿山三维模型，为下一步开采设计提供必要的技术指导。基于此，开展三维可视化技术在矿山开采设计中的应用研究就显得尤为必要。

1 案例分析

某矿山，矿体层达到6层，每个矿层厚度不一，矿产资源优劣差距较大。在矿山内部存在断层、褶曲发育等现象。受到多种因素的共同影响和干扰，矿体资源赋存条件比较差，巷道的开拓量比较大，且巷道之间的层位关系复杂多变，大大提升了矿山开采设计难度。为更加清楚直观掌握矿山开拓情况，把控矿体资源赋存情况，高质量、高效率完矿山开采设计工作。采用了先进的三维可视化技术，本文主要论述此项技术在矿山工作面进、回风巷设计中的应用，具体如下。

2 三维可视化技术相关概述

三维可视化技术是一种用于描述和解释地下地质现象及特征的一种新型技术，多应用在工程建模、矿山开采设计中，是目前描绘和理解模型的主要技术。是数据体的三维立体表征形式，并非简单的模拟技术。目前三维可视化技术软件种类多样，如：Multi Gen Creator、Vega、Cool3D、VRMap3等。其中VRMap3应用平台更加便宜，由图灵公司自主研发的3D GIS软件，可在计算机上实现三维可视景观，解决如何在一个相对完整的三维地理信息系统上构建各专业应用平台，该矿上其在矿山开采设计中就应用了VRMap3取得了良好效果，值得大力推广应用。

3 三维可视化技术在矿山开采设计中的应用

3.1 在井下巷道开拓设计中的应用

传统矿山井下巷道开拓设计多采用二维技术，在现有地质材料、矿体资源揭露数据的基础上，通过设计师个人经验和现场数据分析来设计。然后在具体施工中，主要是通过设计巷道开采掘进来揭露原有设计和变更，以保证巷道的精度。但采用三维可视化技术，能够把巷道模型、矿山模型等相互结合[1]。然后在整个三维模型空间中，进行开拓设计、单一工作面的回采设计。再借助巷道坐标参数、巷道走势剖面图画线，即可快速形成平面巷道线，按照相应的指定断面形态，形成三维立体化模型，实现矿山采矿设计的参数化、智能化、可视化。

和二维设计相比，三维可视化设计不但提升了设计精度和速度，而且实现了不多采、不丢采的设计原则，有效解决了传统设计方法被动、盲目的局面。

3.2 构建地表地形模型

构建地表地形模型也矿上开采设计的核心工序，主要依据是地表地形的等高线，先对Auto CAD中获得的地形文件进行预处理，编辑等高线等，然后形成DTM表，并对相关文件进行渲染操作，得到符合矿山实际情况的地表地形模型，具体构建步骤为：整理地形文件：对获得的地形文件进行整理、优化、分析管理，通过合并和删除不常用图层，保存常用图层，为构建地表地形模型做准备。编辑等高线：对间断线、重复线、重复点等相关问题集中处理，获得精确的地表地形数据。等高线赋高程：通过等值线赋高程和赋Z值相互结合的方法，命令对等高线进行高程赋值。建立地表地形模型：在计算机相关软件系统中执行生产DTM表面命令，Gouraud渲染对建立的模型进行圆滑处理。现实化处理：在构建好的地表地形模型表面，粘贴上卫星图片，或者按照矿山实际情况，构建相关矿体资源分布模型。

3.3 矿体层模型建立

为更加立体化、真实化矿体层模型，需要先建立钻孔数据库，以控制矿体层模型走势。

主要通过3Dmine来创建地质数据库，按照矿体资源勘察钻孔资料构建，定位表、测斜表、岩性表、化验表等。其中定位表中的内容包括：开孔坐标E、开孔坐标N、开孔坐标Z、最大孔深、轨迹类型等。测斜表的内容包括：工程号、岩性、深度等。岩性表中包括：工程号、水分、含硫组分、发热量等。化验表中包括：工程号、深度、方位角、倾斜角等。通过获取钻孔数据库中主要煤层的顶底板点，再借助克里格算法，就可以拟合出矿体资源顶底表面模型，从而实现单一层矿体和全矿层模型的构建。

3.4 井下巷道实体模型的构建

利用VRMap3应用平台可建立起巷道实体模型，具体构建方法有三种，其一是手工绘制，可在任意空间位置点，点击鼠标形成井下巷道模型。其二是巷道中线法，通过已经生成的巷道中线和断面，形成不同类型的井下实体巷道。其三巷道腰线法，如果一直巷道两侧腰线的具体位置，要求巷道最外侧腰线为闭合线，通过点击闭合线，也可以形成巷道模型。在矿山开采设计中，由于井下巷道结果比较复杂，VRMap3应用平台中采用腰线生成井下巷道实体模型难度较大，手工绘制难以保证设计精度。因此，要尽量采用巷道中线法来构建井下巷道模型。在VRMap3应用平台中逐步输入巷道顶板导线线，从而形成巷道地板中线，从而将地表地形模型、矿层模型、井下巷道实体模型相互结合，就是实现三维可视化，从而清楚直观的获知各矿体、井下巷道、地表构筑物之间的三维空间位置关系。

3.5 矿山开采设计准确性控制措施

矿山开采三维可视化设计的关键在于，如何建立符合实际要求、仿真度更高的矿体模型。矿体资源层分布模型是提取勘探钻孔各矿层顶底板点，然后通过数据的内插、外推等，形成DEM表面模型。因此，影响三维可视化设计效果的因素是勘探钻孔的数量。钻孔数量越多，顶底板点数据就越多，矿体层的结构分布模型也就越真实。但在矿山实际开采中存在以下问题：第一，勘探钻孔稀疏。就案例矿山而言，丼内布置了6条勘探线，但钻孔地表水平间距为最小处为100m，最大处超过400m。第二，部分勘探钻孔在施工中存在打丢、施工深度不足等问题，导致一部分矿体层信息丢失。

为提升矿山开采三维可视化设计效果，可从两个方面同时入手：第一，采用相同勘探线，且相邻的两个钻孔层位间距的求平均值的方法，估算缺失矿体深度、厚度等。从而弥补部分勘探钻孔矿层数据的缺失情况。第二，可利用已经揭露矿层地质编录图虚拟勘探钻孔，从而矿层模型进行修正，从而大幅度提升矿层的拟合程度，进而指导相邻工作面巷道设计。

4 结语

综上所述，本文结合实际案例，分析了三维可视化技术在矿山开采设计中的应用，分析结果表明，通过VRMap3应用平台，可建立矿山开采地表地形模型、钻孔数据库、矿体层结构模型、井下巷道实体模型等。将三维可视化技术科学合理的应用到矿山开采设计中可有效提升设计效果，清楚直观的各矿体资源层的信息，提升拟合程度，为矿山开采设计提供真实有效的数据支持和理论参考。