凡口矿井下工程巷道模型的构建

陈小辉

(1.广东省韶关市凡口矿测量科, 广东 韶关市 512325；2.中南大学， 湖南 长沙 410083)

1 工程巷道模型的构建方法

广义的工程巷道包括井筒(包括竖井、斜井、溜井、措施井、通风井、天井等)、斜坡道、中段及分段巷道、硐室等井下工程。根据矿山测量原始资料、工程巷道类型不同，工程巷道三维模型建立有三种方法：直接绘制法，中线法和腰线法。

1.1 直接绘制法

对于原始资料相对缺乏，工程简单的模型如井下硐室三维模型常采用这种方法绘制。首先根据模型四周的控制点绘制封闭的曲线，再采用实体模型构建方法依次连接曲线构成一个封闭的实体，由于方法比较简单，这里不做详细叙述。

1.2 中线法

中线法常用于断面规则的井筒、斜坡道及中段实体模型的构建。该方法只需要提供工程的中线和断面就可以构建三维实体模型，其中中线表示井筒的中心线，巷道底板的中心线，断面可以是圆形、矩形、三心拱及任意形状。以凡口南风井为例阐述详细的中线法建立工程巷道实体模型步骤如下：

(1) 收集井筒的井口和井底三维坐标及断面形状。为顺利建模，在数据准备阶段，从各中段平面图、开拓系统总体平面示意图和主斜坡道平面图等中通过各井筒的平面投影来确定它们的坐标。期间为了尽可能降低由于绘图误差而引起坐标的不准确性，通过多个平面图进行反复综合对比分析，选取其中最合理的坐标作为标准建模。

(2) 绘制井筒断面图。南风井断面规格为直径4 m的圆，在Surpac中绘制南风井断面图。绘制过程中注意：断面的几何中心一定要在坐标原点，即圆心坐标为0，0，0，最后保存文件为“直径4.str”；

(3) 绘制井筒中线。通过创建点方式绘制南风井中线，运行菜单：创建/点/通过坐标，弹出“输入/编辑点”对话框。选择你所希望的线号，输入南风井井口X、Y、Z坐标，在描述中可以填写一些相关的描述信息，比如：南风井井口，完成后执行，再按相同方法创建井底坐标，执行后完成南风井中线的绘制。

(4) 生成实体。运行菜单：实体建模/创建三角网/利用中线和断面生成，弹出“利用中线和断面联三角网”对话框。

输入剖面线文件，点击位置右边的倒三角，弹出“选择断面文件”对话框。

选择文件“直径4.str”，打开即可，并完成各项设置，执行后就完成了南风井实体生成。

相比井筒模型，中段巷道模型中线的绘制比较复杂，需根据实测的巷道顶板坐标转换至相应的底板坐标，并生成巷道中线，再对中线进行线处理，达到满足软件对线文件的要求，最后利用建立好的巷道断面来建立巷道三维实体模型，采用这种方法构建的巷道模型断面是规则的，但实际上巷道两帮宽度及位置往往是变化的，因此，如果需反映实测的巷道两帮，需采用腰线法构建。

1.3 腰线法

中线法生成的巷道模型往往不能准确地反映各中段水平巷道实际边界及顶底板实际标高，模型边界与实际边界不符，而腰线法主要依据实测中段巷道平面图，顶底板标高严格按照测点标高进行处理，避免采用中线法建立的巷道断面规格相同的缺陷，能根据巷道两帮实测边线构建实际的巷道模型，是建立井下中段、分段巷道模型的最佳方法。

2 原始资料收集及处理

2.1 各中段平面图的CAD处理

因为原始中段平面图中所包含的信息非常多，所以首先将原始CAD图中关于巷道的信息提取出来(仅提取巷道和测点)，将原图中与巷道无关的图层隐藏，复制剩余的图层到一新文件中，并保存为DXF格式(Surpac只能识别DXF文件，而不能识别DWG文件)，删除图中的多余信息，比如天井、风井以及图中的数字和汉字，处理结果见图1。

图1 -400 m中段平面CAD处理结果

2.2 各中段平面图的Surpac处理

(1) 文件格式转换。将DXF文件在Surpac中转化为.str线文件格式；

(2) 提取测点。提取出文件中有用的测点，保存为 “-400 m中段巷道测点.str”，巷道线保存为“-400 m中段巷道.str”；

(3) 删除多余点。删除除巷道外的其他多余点；

(4) 线串重新编号。由于CAD图是经矢量化得到的，进入Surpac后生成许多不同颜色的线串，为方便处理，需统一修改线号。运行菜单：编辑/线串/重新编号范围。在对话框中统一编为2号(此编号可随意选择，此处编为2号是为了方便显示，因为1号线为白色，显示不清晰)。

(5) 闭合线段。根据Surpac要求，所有巷道边界线必须闭合，使用编辑线功能将巷道线文件中的所有开放的线段闭合，并联结为一个整体；

(6) 标准化线段。由于线文件中点的分布不均，有些点过于密集或疏散，因此有必要将线段标准化。运行菜单：编辑/线段/标准化线段。弹出“标准化线段”对话框。经过多次测试之后，取点与点之间最大距离为10 m，最小为1 m，这样使Surpac图与原图误差较小，而又不影响后面的处理计算。在标准化完成后，再把原图与标准化后的图调到一起，做一些细节上的修改，以保证最大限度与原图巷道边界一致；

(7) 图层清理。清理图中的跨接、重复点及聚结点，保证巷道顺利生成实体。运行菜单：编辑/图层/清理，清理面板，这是线文件处理中最重要的一步，因为任何一点的错误都将导致DTM不能生成。尤其是重复点的清理，选择重复点的最大捕捉距离为0.05 m，因为两点距离小于0.05 m是不能生成DTM的；

(8) 调整线段方向。根据DTM剪切对线的要求，最外围的线段和里面所有的线段方向必须相反，这里取外围线段为顺时针，里面所有线段为逆时针。运行菜单：线文件工具/更改线串方向，所有线段都选择逆时针(之后只需再把外围大圈调为顺时针即可)；

(9) 图层运算。运行菜单：编辑/图层/运算，弹出“图层运算”对话框，输入Z=-400，点击执行；

(10) 修改线高程。同时调入“-400 m中段巷道.str”和“-400 m中段巷道测点.str”，根据测点的标高修改巷道边界线。这一步非常繁琐，需要足够的细心和耐心。修改方法主要是根据测点先修改测点周围巷道上点的高程，再采用更改线坡度功能修改两个测点中间的点的高程，逐个进行修改，完成这步后即完成了巷道底板线的编辑，保存为“-400 m中段巷道底板.str”。

(11) 编辑巷道顶板。为了更加接近三心拱的形状，这里没有采用常用的中线来形成拱，而是用2条并行的扩展线来确定拱的形状，向中间扩展的距离依据巷道宽度来定，约为巷道宽度的1/3，通常向内扩展1～1.5 m，具体按不同的巷道规格来进行选择。

将“-400 m中段巷道底板.str”文件重新保存为“-400 m中段巷道顶板.str”，并根据巷道规格统一对线文件高程进行修改，并进行线段扩展。运行菜单编辑/线段/扩展范围，得到“线段拓展”对话框，线段范围0-9999表示包括了所有的线，偏移量为-1 m，执行后再把得到的线文件重新编号，另外保存为“-400 m中段巷道拱.str”，再将“-400 m中段巷道顶板.str”和“-400 m中段巷道拱.str”调入同一图层，保存为“-400 m中段巷道顶板.str”文件；

(12) 对“-400 m中段巷道顶板.str”文件进行清理，主要检查是否存在跨接、重复点和聚结点。因为线段在扩展过程中，会出现很多重叠交叉的地方，具体方法前面已经叙述，这里就不再介绍；

(13) 对“-400 m中段巷道顶板.str”进行图层运算。

以上工作全部完成后，即完成了-400 m中段巷道线文件的编辑，接着就可以生成顶底板表面模型(简称DTM)。

3 工程巷道模型构建

根据实测巷道实体模型建立的方法，要求顶底板线文件分别生成DTM，再将它们连接在一起形成真正的实体(简称3DM)。生成DTM的具体方法如下：

(1) 调入“-400 m中段巷道底板.str”。运行菜单：DTM工具/由当前层创建DTM。

(2) DTM剪切。选择菜单：DTM工具/DTM剪切或相交/用线剪切DTM，然后选中最外面线，得到底板DTM剪切结果图。

(3) 把以上生成的DTM保存并关闭后，再调入“-400 m中段巷道顶板.str”，按上面相同的步骤生成顶板DTM剪切前效果图。

(4) 将上面生成的“-400 m中段巷道底板.dtm”和“-400 m中段巷道顶板. dtm”调入同一个图层，并保存为“-400m中段巷道.dtm”文件，如图2所示。

图2 合并之前的显示

(5) 选择在段间连三角网，弹出对话框，设置体8和三角网1(为了便于观察三角网连接情况，将体号设置为8)，点击“执行”，分别选择顶底版线。

(6) 按照相同的方法依次完成-400 m中段顶底板之间所有的三角网连接工作，最后将体号网号都设置为1，至此-400m中段巷道实体模型生成已经全部完成，结果见图3。

图3 -400 m中段巷道实体模型

为了方便模型的使用，针对所有中段或者分段均另外单独建立了标注文件。按住CTRL键，将模型与标注线文件一同调入Surpac，然后通过运行菜单：显示/点/描述，或者点击工具栏图标，来显示标注内容。

将所有中段处理完成后，再调入同一个图层，得到最后的结果。

4 工程巷道模型的更新

凡口矿于2007年采用腰线法构建了-320 m以下全部的中段、分段巷道实体模型，鉴于目前井下新增了一些工程，在原有巷道实体模型的基础上，选择并确定了合理的更新工程巷道模型的技术。

4.1 工程巷道新增工程的特点

对于井下新增工程，主要有以下几个特点：

(1) 对已开拓中段的工程巷道，新增工程主要为局部回风巷、穿脉进路、硐室、措施井、天井等，工程比较分散，但与原有工程紧密联系；

(2) 对原没有开拓中段的工程巷道，全部为新增工程，新增工程自身联系紧密；

(3) 新增工程的断面基本与原有巷道断面保持一致。

4.2 工程巷道模型的更新方法

鉴于新增工程的特点，特制定如下更新方法：

(1) 对自身联系紧密，旁边没有原有巷道的新增工程，采用腰线法构建；

(2) 对分散、旁边有原有巷道的新增工程，考虑重建原有巷道的复杂性，决定保留原有巷道不变，只对新增工程进行实体模型构建，再与原有巷道进行布尔运算，使其形成一个整体。

参考文献：

[1]杨鸿翼,刘亮明,赵义来. 基于Kriging和Marching cube算法的地学三维形态模拟[J].中国图象图形学报,2008(03).

[2]王显祥,王光杰,闫永利,等. 三维可视化在CSAMT勘探中的应用[J].地球物理学进展,2012(01):296-303.

[3]花 杰,邢廷炎,芮小平. CSAMT数据三维可视化的方法[J].地球物理学进展,2012(04):1743-1753.

[4]王明华,白 云. 三维地质建模研究现状与发展趋势[J].土工基础,2006(04):68-70.

[5]明 镜. 三维地质建模技术研究[J].地理与地理信息科学,2011(04):14-18,56..