基于AutoCAD构建地下矿三维开拓立体模型

李金河 李角群 卢皎旭 程相琛

(1.中钢丰宁万隆矿业发展有限公司，河北 承德 068359；2.西安建筑科技大学，陕西 西安 710055)

0 引言

地下矿开拓设计是地下矿山设计的重中之重，其设计是否科学、合理直接影响之后的矿山生产。随着计算机图形技术的不断发展，对于实现矿山设计的自动化、可视化的愿望愈加强烈。在过去相当长的时间内，对于地下矿开采设计来说，无论初步设计或是施工图设计，还都以二维图纸设计为主[1]。从早些年采用轴测图透视方式构建伪三维通风系统示意图，到近些年采用矿业专业软件构建三维开拓立体模型，三维设计逐步由模拟转向真实[2]。但其中也暴露一些问题，诸如Surpac、Datamine和3Dmine等构建平台的多样性以及给工作人员带来的操作复杂性，再加上构建系统灵活性相对不足等[3]。针对以上实际问题，提出了基于AutoCAD平台的地下矿三维开拓立体模型构建技术并对其进行较全面论述。

1 开发平台选择

目前矿业CAD主流方式有两种：一是基于组件技术在底层平台上的开发，如由Tech Soft America公司开发并由Spatial再次销售的产品HOOPS 3D Application Framework；二是基于某种软件平台的二次开发，如瑞典Propok在Microstation平台上、加拿大Promine在AutoCAD平台上开发的矿山CAD系统。

纵观目前国内应用现状，无论矿业设计单位还是生产单位，还是以AutoCAD作为主要应用平台，大量的图纸和数据都存储在DWG文件中，因此选择在AutoCAD软件平台下进行项目研发有极大的先天优势。

选择AutoCAD软件平台下的二次开发。其主要理由如下：

1)经过多年的发展，AutoCAD已经成为国际一流的矢量图形软件，其DXF、DWG文件格式也成为工业图形标准，主流绘图设计软件都有其接口；

2)AutoCAD是一个完全开放平台，提供了多种开发技术手段；

3)AutoCAD的技术和更新速度是其他软件无法比拟的，并有非常丰富的第三方资源；

4)AutoCAD独有的扩展数据技术，将图形数据与非图形数据完美统一，一张图纸包含所有信息，无需外部文件存储;

5)AutoCAD在行业内有广大用户，都可以熟练应用的本软件完成采矿专业图纸设计。在此平台下完成软件开发，学习成本可以忽略。

2 构建地下矿三维开拓立体模型关键技术

2.1 构建三维开拓立体模型图元

在AutoCAD中提供两种图元可以表达三维模型，一个是三维面(3DFace)图元，另一个是三维实体(3DSolid)图元。三维面是由四个坐标点围成的一个空间曲面片，如果将其首位两点重合就形成三角面，任何复杂的三维模型都可以有三角面拼接而成。三维实体是基于ACIS系统构建的三维图元[4，5]。AutoCAD中提供了基本几何体模型构建，同时也提供了拉伸、旋转、扫掠和放样四种建模方式。另外，ACIS系统本身提供三维实体布尔运算，从而可以构建更为复杂的三维模型。通常将由三维面拼接的三维模型称为“网体模型”，由三维实体构建的三维模型称为“实体模型”。需要说明的是，在常见的矿业软件中所说的实体模型都是AutoCAD中的“网体模型”。

地下矿三维开拓立体模型主要包括：竖井、平巷、斜坡道、硐室等地下采矿工程，以及地表和相关建筑。地下采矿工程都有共同特征，即由规则断面沿某中心线施工完成，此类模型可以采用三维实体构建中拉伸技术来完成[6]。地表建筑主要指井塔楼建筑模型，可先构建基本几何体模型，再通过实体布尔运算来模型构筑。最后是地表曲面，可以依据地形线数据，采用Delaunay三角形剖分算法，由三维面拼接出地表曲面。

2.2 三维开拓立体模型二次开发技术

AutoCAD是一个完全开放平台，提供了多种开发技术手段，其中应用VBA语言，借助AutoCAD ActiveX Automation 接口，进行AutoCAD二次开发是最简单易行的手段。VBA开发速度快，可以快速实现使用者的想法，而其他语言则可能要2到3倍的时间。VBA内置在AutoCAD 应用软件中，与其有较强的二次开发接口，开发者不用单独购买开发工具就可以立即着手开发，并可以即时进行跟踪调试。

在AutoCAD ActiveX Automation 接口中提供了AddExtrudedSolidAlongPath函数，其功能既是将某截面沿某指定路径进行的拉伸建模操作。此函数包括形参Profile和Path，其中Profile是指将要拉伸的截面，Path是指拉伸路径。截面要求必须为面域(Region)图元，路径可以是折线也可以是曲线。函数返回结果为通过拉伸所形成的三维实体(3DSolid)图元。

为了确保模型构建正确，截面面域(Region)图元要设定基点，即沿路径拉伸的参照点。其次，截面基点要与路径起点重合，且路径首段指向与截面的法向方向一致，即截面与路径首段成垂直关系。为确保截面与路径空间关系正确，需要使用AutoCAD ActiveX Automation 接口中对图元编辑操作函数，包括函数Move、Rotate3D和Rotate。函数Move包括形参Point1和Point2，将Point1设定为截面基点，将Point2设定为路径起点，完成截面基点与路径起点重合。函数Rotate3D包括形参Point1、Point2和RotationAngle，由点Point1和Point2确定旋转轴，RotationAngle确定旋转角度，此函数完成图元围绕某坐标轴进行空间旋转。函数Rotate包括形参BasePoint和RotationAngle，设定BasePoint截面基点，RotationAngle确定旋转角度，截面将以此基点进行逆时针(或顺时针)旋转。

根据上述编程思想，采用VBA语言编制三维井巷模型构建模块，可以完成井下采矿工程立体模型构建。为快速完成三维模型构建，可以采用构建选择集技术，对使用相同截面拉伸的路径构建一个选择集，程序自动完成选择集内所有采矿工程三维模型构筑。

Delaunay剖分是一种三角剖分的标准，实现它有多种算法。其中逐点插入法是比较经典的算法，该算法思路简单，易于编程实现。地表曲面构建属于带约束的三角形剖分，其思路是：首先将地形线的拐点形成散点集，采用Delaunay剖分算法在无约束条件下构建出三角网。然后将地形线的线段形成约束线段集，线段依次插入，判断线段与三角形网关系，线段所穿插过的三角形称为影响三角形，将影响三角形删除，再将线段与影响三角形的全部顶点连接起来构建新的三角形。当所有约束线段插入完成后，即完成了带约束条件下三角形剖分，所形成的三角网即为地表曲面。根据上述原理，采用VBA语言编制地表曲面构建模块，可以完成三维地表模型构建。

3 杏山铁矿三维开拓立体模型构建

3.1 杏山铁矿概述

2006年杏山铁矿开始由露天转入地下开采，历经5年建设，于2011年建成投产。设计开采规模为年产原矿320万t，有利于开发利用深部资源,提高首钢生产矿石自给能力,为首钢可持续发展提供资源保障。

杏山铁矿采用主副井+斜坡道联合开拓，井下采用中央进风两翼对角抽出式通风系统。采矿方法为无底柱分段崩落法，分段高度18 m，进路间距20 m。矿山一期生产主要开拓工程包括：-30 m中段、-105 m中段、-180 m中段、-330 m井底车场、主斜坡道、主井、副井、回风井、以及溜井等。

3.2 构建三维开拓立体模型一般流程

构建三维开拓立体模型需要相应的数据准备，并按如下流程进行构建：

1)地表曲面构建。首先完成地形等高线数据整理，再采用构建地表曲面模块完成地表曲面构建。

2)地表建筑物构建。先构建基本几何体模型，再通过实体布尔运算来模型构筑。

3)平巷模型构建。预先绘制合适比例的平巷断面图，形成截面面域并设定基点。将中段平巷中心线设定在合适标高，采用三维井巷模型构建模块自动完成中段平巷三维模型构筑。

4)斜坡道模型构建。预先绘制合适比例的斜坡道断面图，形成截面面域并设定基点。根据斜坡道三维中心线，采用三维井巷模型构建模块自动完成斜坡道三维模型构筑。

5)竖井(斜井)模型构建。预先绘制合适比例的竖井(斜井)断面图，形成截面面域并设定基点。根据竖井(斜井)三维中心线，采用三维井巷模型构建模块自动完成竖井(斜井)三维模型构筑。

6)将上述模型组合在一个文档中，形成完整的地下矿三维开拓立体模型。

3.3 杏山铁矿三维开拓立体模型构建

为顺利实现矿山三维开拓立体模型构建，首先完成基本数据图件准备。包括建立巷道断面、井筒断面图库；三维地形图；各中段采矿工程布置图；斜坡道布置图；主副井、风井、溜井等竖井布置图。其次按三维开拓立体模型构建流程，分别完成地表模型、各中段采矿工程模型、斜坡道模型以及竖井模型构建。最后将以上所有模型组合在一起，完成杏山铁矿三维开拓立体模型构建，如图1所示。

图1 杏山铁矿三维开拓立体模型图

3.4小结

在杏山铁矿设计中，由于杏山铁矿矿体赋存条件特殊性，无法采用四组相互交叉勘探线剖面完成Surpac软件下矿体模型构建，矿山整体设计都在AutoCAD平台下完成。设计中包括了巷道断面、井筒断面；各中段采矿工程布置；斜坡道布置；主副井、回风井、溜井布置；以及三维地形数据等。直接利用以上矿山设计图纸，无需数据转换，在AutoCAD平台下可灵活方便地完成杏山铁矿三维开拓立体模型构建。

4 结语

通过对地下矿三维开拓立体模型构建技术研究，得到以下结果：

1)基于AutoCAD软件平台下，通过二次开发技术可以实现地下矿三维开拓立体模型构建，从而获得非常直观的可视化效果。

2)当三维开拓系统的平向与竖向范围差距较大时，适当扩大采矿工程断面，可改善可视化效果。适当改变中段标高位置，扩大中段间距，以防止中段过于密集交叉影响可视化效果。

3)在AutoCAD软件平台下，无需数据转换，直接利用矿山设计图纸，按流程分步构建三维开拓立体模型，操作灵活方便，由较强实用性。