基于AutoCAD的三维立体模型系统在矿山的应用

刘栋梁 张国艳 王修缘

(金堆城钼业公司矿冶分公司露天矿)

基于AutoCAD的三维立体模型系统在矿山的应用

刘栋梁 张国艳 王修缘

(金堆城钼业公司矿冶分公司露天矿)

开采环境三维可视化技术是数字化矿山关键技术的基础，其形成的软件系统更是地质、测量专业技术人员实施作业的重要技术平台。分别从采场现状模型动态修改、排土场现状模型动态修改、矿体实体模型动态修改、岩性实体模型动态修改、块体品位模型动态修改、矿量与品位计算等方面介绍了基于AutoCAD软件的三维立体模型系统在矿山中的应用，为矿山制定开采规划以及优化开采方案提供参考。

数字矿山 三维立体模型系统 三维可视化技术 动态修改

地质体一般空间尺寸宏大，掩埋地下，很难进行直接观测，且随着矿山生产的不断进行，由此产生了具有组分、品位、岩性、地质构造、形状等大量的地质属性信息，该类属性信息空间分布不均匀，缺乏规律性，无法定量给予精确描述。三维可视化技术可以形象、动态地将地质体的空间形态、位置关系，属性信息表示出来，便于技术人员和管理人员进行资源评价和开采环境评价[1]。为此，对基于AutoCAD软件的三维立体模型系统在矿山方面的应用进行深入分析，为矿山制定长远规划、优化开采方案，进行资源合理配置提供科学依据。

1 采场现状模型动态修改

随着矿山生产的推进，采场状态不断发生变化，可采用2种图件对采场现状进行描述：①采场现状图，由三维地形线构成，采用全站仪测量数据，来动态更改地形线，在图中除坡顶线为虚高外，其余地形线均表示实际高程；②采场现状模型图，表示1个三维实体，图中除坡顶线往往高出实体外，其他地形线均与实体一致。采场现状的变化即为填挖方的变化，每月的测量验收工作，便是对采场现状进行动态修改，土方量计算是通过三维实体布尔运算来完成，其计算过程是：三角网剖分—生成计算实体—生成采出实体。

1.1 全站仪展点

目前，露天矿山的测量设备大多以全站仪为主，在AutoCAD2007软件中并不具备接受全站仪自动展点功能。为此，有必要通过编写程序实现全站仪自动展点功能。测量数据文件格式包含编号、Y坐标、X坐标、Z坐标、描述等要素。但该5类数据间均采用“Tab”分隔符分开，而不是简单的空格。只要满足上述格式的数据文本文件，均可进行全站仪自动展点。

1.2 生成三角网

为了构建计算实体，生成三角网成为最为关键的一步。根据测量验收的特点，设计了3种实现生成三角网的功能：①第1种，是由1条三维线生成三角网，该功能主要针对平台建网，三维线内可以存在离散高程点(必须存在于“dlay”层中)参与建网，建网采用的是有约束三角形剖分方式；②第2种，由2条三维线生成三角网，主要是针对坡面进行建网，仅坡顶与坡底线参与建网，建网采用的是追赶法三角形剖分方式；③第3种，由3条三维线生成三角网，实际是对前2种方法的有机组合[2]。

在建网过程中务必保证三角网不存现“漏洞”和“自相交”现象。在坡面建网过程中，采用追赶法三角形剖分方式，如图1所示。

图1 追赶法三角形剖分示意

首先以2条线的端点连线1作为起始边，进而判断连线2与连线3的长短，保留较短的线作为三角形的另1条边，由连线1、连线2、连线4构成三角形；然后再以连线2为起始边继续搜索，直至建网完毕。事实上，每次都在寻找较短的连线作为三角形的另1条边的同时也是下1次搜索三角形的起始边。生成三角网的效果与2条线的相对位置以及点的疏密有直接关系。

为了确保所建三角形的正确性，在AutoCAD2007软件的“工具”栏中设计了查找三角形网“漏洞”和“自相交”功能，经过修正后的三角网见图2。

图2 生成的三角网

1.3 构建计算实体

计算实体实质上虚构出来的1个三维实体，目的是为了便于进行布尔运算。在台阶被采剥推进了一块区域后，可根据现有的3条线，构建出目前台阶状态的三角网，由于推进前台阶坡顶线是虚拟高度，并不是模型图的真实情况，对于构建“计算实体”没有实际意义，因此可采用以三角网为底面，构建1个足够高(高出台阶)的柱体，即计算实体，见图3。

图3 计算实体示意

1.4 生成验收实体

将计算实体与采场实体进行交运算，其结果便为所需要的采出实体，见图4。

图4 采出实体示意

1.5 验收计算报表

将采出实体与矿体模型进行布尔运算，其结果便为含有矿量的采出实体，通过统计得到矿量计算结果，见图5。

1.6 采场现状模型修改

完成了测量验收工作之后，对采场现状模型进行更新。为此，编写了相应的功能模块，为了提高运算速度，模块采用后台运行方式。

2 块体品位模型动态修改

矿床模型的修改包括矿体形态的修改块体品位的修改2个方面。

图5 测量验收计算结果

2.1 块体品位模型分类

根据露天矿的实际需求，建立了Mo、 S、Pb、Cu、Fe等5种元素的块体品位模型。根据采场现状的变化，单独建立1个现状品位模型，该模型与块体品位模型不同之处在于，将已采出部分的块体品位设置成“-1”，以便区分出采空区与未开采区，可通过该模型来实现采场综合品位等值线的绘制。

2.2 块体品位模型动态修改

在平盘品位分布图库中，所有炮孔均绘制到相应的平盘中，以块体的平均品位来为本块体进行赋值，结果见图6。

图6 块体品位模型动态修改结果

2.3 现状地表模型建立

在现状品位模型中将已采出的块体品位赋值为“-1”的前提是获取采空区与未开采区的临界面信息。由于块体的高为12 m，因此现状地表模型无需严格通过有约束三角形剖分来建立，可AutoCAD软件中建立Mesh网体作为地表模型，即采空区与未开采区的临界面模型。该功能模块已经设定了地表模型的大小和位置，仅需开采现状图就随便可生成Mesh网体，以“DB_M”文件格式进行保存[3]。

2.4 现状品位模型建立

将平面中的所有块体从上至下进行搜索，当块体的质心Z值高于地表模型Mesh网体时，块体的品位被赋值为“-1”；当某层块体的质心Z值高于地表模型Mesh网体时，则停止本块体的垂向搜索，继续其他块体的搜索，直至所有平面块体搜索完毕，形成1个“GradeBlk_Mo_1”现状品位模型文件进行保存。现状块体品位模型见图7。

3 矿量与品位计算

在地质工作中，任意区域的矿量与品位计算是非常必要的。文中矿量计算是基于分层矿体实体的，而非基于块体的累计；品位的计算则是根据块体品位模型或炮孔品位来进行计算。

图7 现状块体品位模型

3.1 块体品位计算

计算原理是判断代表块体的中心点是否落在所指定的区域内，计算落在区域内所有块体的品位平均值。

3.2 炮孔品位计算

与块体品位计算不同，计算炮孔品位需要有炮孔数据支持。计算原理是判断炮孔是否完全落在所指定区域内，计算落在区域内所有炮孔的品位平均值。通过计算可以得到落在区域内炮孔数目，以及各种元素平均值等数据。

3.3 任意区域矿体计算

矿量计算的原理是将计算区域建立起1个柱形的计算实体，将平面图中所有矿体实体与其进行布尔交运算，从而得到矿体在区域内的体积，功能是采剥计划编制中矿量计算的基础。

4 结 语

三维立体模型系统的引进，更为直观准确的反应了采矿场的现状及生产情况，极大提高了矿山技术人员的工作效率。但要求矿山技术人员更为熟练地掌握AutoCAD2007软件的各个模块功能，对于各模块中的功能的改进有必要借助相关语言进行二次开发实现。

[1] 胡 挺，吴立军.CATIA二次开发技术基础[M].北京：电子工业出版社，2006.

[2] 杜秀川，王 嫚.JSP网络编程:基于数据驱动的WEB开发[M].北京：电子工业出版社，2006.

[3] 和平鸽工作室.OpenGl高级变成与可视化系统开发[M].北京：中国水利水电出版社，2003.

2014-11-17)

刘栋梁(1983—)，男，工程师，714102 陕西省华县。