劉溪鴿 楊天鴻 張鵬海 朱萬(wàn)成

(東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng)110819)

基于計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展起來(lái)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與數(shù)值模擬技術(shù)應(yīng)用于采礦工程領(lǐng)域，為采礦工程的發(fā)展起到了積極的促進(jìn)作用。文獻(xiàn)［1］探討了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在我國(guó)礦業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用前景與接口技術(shù);文獻(xiàn)［2-6］分別就虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在采礦工程領(lǐng)域各個(gè)方面的應(yīng)用情況進(jìn)行了論述;文獻(xiàn)［7-9］結(jié)合采礦工程特點(diǎn)，闡述了數(shù)值模擬技術(shù)在采礦工程中的應(yīng)用現(xiàn)狀;此外，文獻(xiàn)［10］對(duì)采礦工程中常用的數(shù)值模擬軟件進(jìn)行了歸納總結(jié)?？傮w而言，目前關(guān)于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與巖石力學(xué)數(shù)值模擬在采礦工程中的應(yīng)用都相對(duì)獨(dú)立，沒(méi)有很好地實(shí)現(xiàn)二者的有機(jī)結(jié)合與綜合利用。

本研究通過(guò)對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與巖石力學(xué)數(shù)值模擬共性與差異性的比較，分析2 種技術(shù)方法在采礦工程應(yīng)用中各自發(fā)揮的作用，并結(jié)合山東黃金新城金礦的工程實(shí)例，從優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的角度探討虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與巖石力學(xué)數(shù)值模擬結(jié)合應(yīng)用的效果。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心，結(jié)合相關(guān)科學(xué)技術(shù)，生成與一定范圍真實(shí)環(huán)境在視、聽(tīng)、觸感等方面高度近似的數(shù)字化環(huán)境，用戶借助必要的裝備與數(shù)字化環(huán)境中的對(duì)象進(jìn)行交互作用、相互影響，可以產(chǎn)生親臨對(duì)應(yīng)真實(shí)環(huán)境的感受和體驗(yàn)［11］。

所謂“虛擬現(xiàn)實(shí)”，首先需要將現(xiàn)實(shí)世界的研究對(duì)象轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)識(shí)別的數(shù)字信息，然后依據(jù)此信息借助計(jì)算機(jī)軟件建立虛擬的三維模型，最后將各類信息集成到同一個(gè)虛擬展示平臺(tái)并互動(dòng)地進(jìn)行顯示。虛擬現(xiàn)實(shí)的實(shí)現(xiàn)涉及到一系列互相關(guān)聯(lián)的研究領(lǐng)域，比如計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、圖像處理與模式識(shí)別、多傳感器技術(shù)、智能接口技術(shù)、語(yǔ)音處理與音響技術(shù)、人工智能技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等。

虛擬現(xiàn)實(shí)具有多感官調(diào)動(dòng)、沉浸與實(shí)時(shí)交互性的特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)人體產(chǎn)生多種感官的綜合刺激，使得存在于現(xiàn)實(shí)世界的事物與場(chǎng)景在虛擬的環(huán)境中得到最高程度的模仿。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)最早應(yīng)用于軍事、航天等科技前沿領(lǐng)域，隨著計(jì)算機(jī)軟件、硬件的不斷增強(qiáng)以及其應(yīng)用成本的不斷降低，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)逐漸在各個(gè)行業(yè)得到普及。近年來(lái)，虛擬現(xiàn)實(shí)在礦業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用也取得了諸多成果。

目前，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在采礦工程中主要有以下方面的用途:①配合礦山對(duì)人員、設(shè)備的實(shí)時(shí)管理、調(diào)配;②外來(lái)人員參觀展示與新員工的培訓(xùn)教育;③生產(chǎn)事故演示并為救援提供指導(dǎo)等。

但是，單純依據(jù)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)還很難做出采礦生產(chǎn)設(shè)計(jì)以及優(yōu)化回采方案，而這恰好是巖石力學(xué)數(shù)值模擬的優(yōu)勢(shì)。

2 巖石力學(xué)數(shù)值模擬

隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和普及應(yīng)用，巖石力學(xué)進(jìn)入了嶄新的發(fā)展階段［12］?；趲r石力學(xué)理論的多種數(shù)值模擬方法，如有限元、離散元、有限差分等方法在采礦工程中均有廣泛的應(yīng)用。

巖石力學(xué)數(shù)值模擬方法是目前解決巖石工程問(wèn)題的有力工具。在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)地監(jiān)測(cè)成本高昂，而且獲得的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在空間和時(shí)間上均受限制。數(shù)值模擬方法以現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的地質(zhì)條件為計(jì)算基礎(chǔ)，將局部零散位置的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)推廣到整體研究區(qū)域，并通過(guò)對(duì)過(guò)去一段時(shí)間巖體變化規(guī)律的模擬預(yù)測(cè)未來(lái)開(kāi)采條件下的巖體變化情況，彌補(bǔ)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的不足。

就目前巖石力學(xué)數(shù)值模擬軟件的功能而言，一般的應(yīng)用程序大致分為如下幾個(gè)部分:模型構(gòu)建與網(wǎng)格劃分(前處理)、參數(shù)輸入與計(jì)算邊界條件確定、數(shù)值模擬計(jì)算、結(jié)果分析與顯示(后處理)。數(shù)值模擬軟件的主要目標(biāo)是做力學(xué)分析、位移分析等，其前處理功能一般相對(duì)簡(jiǎn)單，即數(shù)值模擬軟件建模通常要做簡(jiǎn)化處理。例如，將不規(guī)則的采場(chǎng)簡(jiǎn)化為規(guī)則的六面體、將曲折的巷道簡(jiǎn)化為棱柱體或圓柱體、省略掉次要的工程及設(shè)備等，而交叉、包含、尖角、異形等不規(guī)則模型的建立與計(jì)算一般很難實(shí)現(xiàn)。至于后處理部分，位移場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、關(guān)鍵塊、塑性區(qū)等計(jì)算結(jié)果一般是以切割剖面的形式顯示，這些計(jì)算結(jié)果的顯示區(qū)域也受限于前處理建立的模型。

在巖石力學(xué)數(shù)值模擬軟件的應(yīng)用過(guò)程中，前處理可以通過(guò)建立多種軟件接口、綜合利用實(shí)現(xiàn)復(fù)雜模型的耦合建模，而后處理一般也可以通過(guò)借助圖形圖像處理軟件增強(qiáng)顯示效果。即便如此，數(shù)值模擬的計(jì)算結(jié)果仍然不能夠具象到虛擬現(xiàn)實(shí)的顯示水平。

3 虛擬現(xiàn)實(shí)與數(shù)值模擬的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)性

采礦工程是不斷打破原巖力學(xué)平衡再建立新的力學(xué)平衡的過(guò)程。隨著采礦工程的推進(jìn)，巖體的地應(yīng)力狀態(tài)、地下水、地?zé)?、瓦斯、采空區(qū)范圍等環(huán)境因素均處于不斷變化與演進(jìn)的狀態(tài)之中。因此，在對(duì)采礦工程問(wèn)題進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)演示時(shí)，需要將這些復(fù)雜的信息集成顯示。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)如果只能顯示采礦生產(chǎn)進(jìn)度、采礦工藝方法、人員設(shè)備位置等內(nèi)容，那么，礦山的生產(chǎn)決策就會(huì)缺乏工程穩(wěn)定性、安全性方面的信息支持。

采礦工程問(wèn)題涉及采場(chǎng)、巷道等工程的穩(wěn)定性分析、采礦方案優(yōu)化、地質(zhì)災(zāi)害預(yù)防和治理等方面的內(nèi)容。巖石力學(xué)數(shù)值模擬技術(shù)是以巖體安全性評(píng)估為主要目標(biāo)的分析工具，雖然數(shù)值模擬可以根據(jù)采礦進(jìn)度的不同計(jì)算出不同工況下的地應(yīng)力、地下水、地?zé)岬刃畔?，但是，不能結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際狀況顯示。

在指導(dǎo)采礦生產(chǎn)、改善采場(chǎng)和圍巖穩(wěn)定性方面，虛擬現(xiàn)實(shí)不能提供應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)、塑性區(qū)等信息;在顯示效果方面，數(shù)值模擬不能夠達(dá)到虛擬現(xiàn)實(shí)的顯示水平。因此，在采礦工程中實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)與數(shù)值模擬在技術(shù)上的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，將為工程實(shí)踐提供更大的幫助。

虛擬現(xiàn)實(shí)作為一個(gè)綜合展示平臺(tái)，可以將所有信息集成在一起，然后根據(jù)需要進(jìn)行顯示。數(shù)值模擬的結(jié)果加入到虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)之上，既增強(qiáng)了數(shù)值模擬的顯示效果，也使得虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)得到了更充分的利用。

此外，采礦工程的生命周期一般比較長(zhǎng)，一般情況下，礦山從基建到閉坑時(shí)間長(zhǎng)度為幾十年至上百年。隨著采礦活動(dòng)的進(jìn)行，雖然礦山工作面及采空區(qū)等情況一直處于變動(dòng)之中，但是，礦山的整體面貌受限于礦體的固有形態(tài)、礦山的地理位置等客觀條件，一般變化不大。這為虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的繼承性提供了很好的基礎(chǔ)，即當(dāng)一個(gè)礦山的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)建立完成，隨著開(kāi)采活動(dòng)的不斷進(jìn)行，只需對(duì)已建立完成的系統(tǒng)做局部信息更新即可，不必整體重建。

4 工程應(yīng)用實(shí)例

本研究基于東北大學(xué)VRP 虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)，分別完成對(duì)山東黃金新城金礦的實(shí)體建模以及數(shù)值模擬結(jié)果的集成，外部整體顯示如圖1。地表、礦體、斷層、豎井、斜坡道與主要巷道工程經(jīng)3DMine 軟件建模被導(dǎo)入到虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中。

圖1 新城金礦虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)整體效果Fig.1 General picture of the virtual reality system in Xincheng Gold Mine

建立虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，一方面有助于新城金礦制定整體的回采方案，另一方面可以為建立區(qū)域數(shù)值計(jì)算模型作指導(dǎo)并最終將數(shù)值計(jì)算結(jié)果整合到虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中進(jìn)行集成顯示。

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)掃面得到的巖體結(jié)構(gòu)面進(jìn)行分組處理，根據(jù)走向、傾向的不同用不同顏色加以標(biāo)示，使之便于觀察統(tǒng)計(jì)。將掃描得到的節(jié)理面集成到VRP 編輯器中，實(shí)現(xiàn)巖體結(jié)構(gòu)面的三維重構(gòu)，效果如圖2 所示。同時(shí)，將采場(chǎng)及巷道結(jié)構(gòu)面掃描的結(jié)果轉(zhuǎn)化為數(shù)字信息，作為巖體分級(jí)的量化依據(jù)。

圖2 結(jié)構(gòu)面三維展示Fig.2 Three-dimensional display of the rock joints

對(duì)礦體模型按照實(shí)際的回采順序進(jìn)行虛擬“回采”，并用動(dòng)畫(huà)效果顯示，如圖3。一方面可以顯示采礦生產(chǎn)進(jìn)度和總體設(shè)計(jì)規(guī)劃;另一方面可以結(jié)合不同回采階段顯示某一特定狀態(tài)下的采場(chǎng)與巷道工程的受力情況，便于隨時(shí)合理地調(diào)整采礦生產(chǎn)安排。

圖3 礦體回采進(jìn)度Fig.3 The orebody mining progress

應(yīng)用FLAC 數(shù)值模擬軟件計(jì)算的應(yīng)力云圖與應(yīng)用ShapeMetriX 3D 軟件計(jì)算獲得的關(guān)鍵塊信息，集成顯示在巷道模型中，如圖4、圖5 所示。根據(jù)關(guān)鍵塊體與應(yīng)力云圖等信息，礦山巷道與采場(chǎng)的支護(hù)工作可以有更加科學(xué)的依據(jù)。將數(shù)值模擬得到的應(yīng)力場(chǎng)數(shù)據(jù)集成到虛擬場(chǎng)景中，隨著采礦過(guò)程的動(dòng)態(tài)發(fā)展，可直觀形象地展示出采空區(qū)及巷道的形成對(duì)圍巖體內(nèi)原始地應(yīng)力場(chǎng)的擾動(dòng)情況，再現(xiàn)深部采礦引起的地壓變化過(guò)程。在此基礎(chǔ)之上，新城金礦采礦工程師可以在生產(chǎn)設(shè)計(jì)過(guò)程中第一時(shí)間直觀地獲得應(yīng)力場(chǎng)信息，有助于提高生產(chǎn)決策的安全性。

圖4 巷道外部應(yīng)力云圖與關(guān)鍵塊信息Fig.4 Stress nephogram and the key rock of roadway in the external tunnel

圖5 巷道內(nèi)部應(yīng)力云圖與關(guān)鍵塊信息Fig.5 Stress nephogram and the key rock of roadway in the internal tunnel

對(duì)工程關(guān)心區(qū)域進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)信息可以以列表的形式在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中顯示，如圖6 所示。此類監(jiān)測(cè)信息也可以隨著采礦生產(chǎn)而實(shí)時(shí)更新。

新城金礦虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的建立，可以使應(yīng)力云圖、關(guān)鍵塊、位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等信息根據(jù)礦體回采及巷道工程施工的推進(jìn)實(shí)時(shí)更新，為礦山確定整體與局部的開(kāi)采方案提供便利。

圖6 巷道位移監(jiān)測(cè)信息顯示Fig.6 Displacement monitoring information of the tunnel

新城金礦虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)是帶有虛擬漫游、數(shù)據(jù)查詢和交互控制功能的礦山數(shù)字化系統(tǒng)。通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將礦山生產(chǎn)過(guò)程中的工程地質(zhì)條件、礦體形態(tài)、巷道及采區(qū)位置、開(kāi)采進(jìn)度等大量三維數(shù)據(jù)集成為動(dòng)態(tài)可視化的三維模型，并與圍巖應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值仿真、巷道位移監(jiān)測(cè)等手段結(jié)合，建立了完善的礦山三維可視化平臺(tái)。新城金礦虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)如下幾方面的功能:①提供充分的礦床形態(tài)、礦巖屬性、地質(zhì)構(gòu)造信息，可以方便用戶對(duì)礦山數(shù)據(jù)的觀察和理解;②通過(guò)集成相關(guān)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行綜合判斷分析可幫助人們發(fā)現(xiàn)礦山生產(chǎn)過(guò)程中的安全隱患;③作為礦山安全培訓(xùn)平臺(tái);④為礦山下步開(kāi)采提供技術(shù)支撐。

5 結(jié) 論

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與數(shù)值模擬技術(shù)在采礦工程中均有比較廣泛的應(yīng)用。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有顯示逼真、互動(dòng)性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，數(shù)值模擬可以提供位移場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)等重要的安全性信息，將兩者在采礦工程中結(jié)合應(yīng)用、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)可以獲得很好的效果。基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和數(shù)值仿真技術(shù)的礦山數(shù)據(jù)分析處理與集成系統(tǒng)是礦山數(shù)字化向智能化方向發(fā)展的趨勢(shì)，數(shù)值模擬結(jié)果的信息導(dǎo)入對(duì)新城金礦提高現(xiàn)代化水平和生產(chǎn)效率、用高新技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)等都具有重要意義。

［1］ 毛杏飛，王 斌.虛擬現(xiàn)實(shí)在礦業(yè)中的應(yīng)用探討［J］. 企業(yè)技術(shù)開(kāi)發(fā)，1998(11):4-7.

Mao Xingfei，Wang Bin. Virtual reality application in mining［J］.Technological Development of Enterprise，1998(11):4-7.

［2］ 朱景和，袁懷雨.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在礦業(yè)中的應(yīng)用［J］.有色礦山，2002，31(3):42-44.

Zhu Jinghe，Yuan Huaiyu.Application of virtual reality technology in mining industry［J］.Nonferrous Mines，2002，31(3):42-44.

［3］ 王玉懷，李祥儀.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及其在礦業(yè)中的應(yīng)用［J］. 煤炭工程，2001(11):62-63.

Wang Yuhuai，Li Xiangyi.Virtual reality technology and its application in mining［J］.Coal Engineering，2001(11):62-63.

［4］ 顧海霞，萬(wàn) 瑋.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在礦業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用現(xiàn)狀綜述［J］.電腦知識(shí)與技術(shù)，2008，4(6):1511-1512.

Gu Haixia，Wan Wei.Summarizing the application status quo of virtual reality technology in mining field［J］.Computer Knowledge and Technology，2008，4(6):1511-1512.

［5］ 鹿 浩，羅周全，楊 彪，等. 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及其在礦業(yè)中的應(yīng)用［J］.中國(guó)鎢業(yè)，2007，22(4):22-25.

Lu Hao，Luo Zhouquan，Yang Biao，et al.On virtual reality technology and its application in mining［J］.China Tungsten Industry，2007，22(4):22-25.

［6］ 李孝東.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展及其在礦業(yè)中的應(yīng)用［J］.煤炭技術(shù)，2002，21(12):1-3.

Li Xiaodong.Development of virtual reality technology and its application in mining engineering［J］.Coal Technology，2002，21(12):1-3.

［7］ 岳 濱，郭忠林.數(shù)值模擬在采礦工程中的應(yīng)用［J］.礦業(yè)工程，2008，6(6):5-7.

Yue Bin，Guo Zhonglin.Application in numerical simulation of mining engineering［J］.Mining Engineering，2008，6(6):5-7.

［8］ 吳國(guó)興.數(shù)值模擬方法在采礦工程中的應(yīng)用［J］. 世界有色金屬，2010(6):70-71.

Wu Guoxing.Application of the numerical simulation method in the mining engineering［J］.World Nonferrous Metals，2010(6):70-71.

［9］ 施曉龍.采礦工程數(shù)值模擬的發(fā)展與現(xiàn)狀研究［J］.黑龍江科技信息，2014(9):17.

Shi Xiaolong. Development and current situation of the numerical simulation research in mining engineering［J］.Heilongjiang Science and Technology Information，2014(9):17.

［10］ 王志根.采礦工程數(shù)值模擬的發(fā)展與現(xiàn)狀［J］.科技信息，2010(14):786.

Wang Zhigen.Development and current situation of numerical simulation in mining engineering［J］. Science ＆ Technology Information，2010(14):786.

［11］ 趙沁平.虛擬現(xiàn)實(shí)綜述［J］.中國(guó)科學(xué)(F 輯):信息科學(xué).2009，39(1):2-46.

Zhao Qinping. Virtual reality review［J］. Chinese Science (F album):Information Science.2009，33(1)6:2-46.

［12］ 蔡美峰，何滿潮，劉東燕.巖石力學(xué)與工程［M］.北京:科學(xué)出版社，2002.

Cai Meifeng，He Manchao，Liu Dongyan. Rock Mechanics and Engineering［M］.Beijing:Science Press，2002.