陳榮鐺

（溫州建峰礦山工程有限公司，浙江 溫州 325807）

作為地質(zhì)采礦中的重要技術(shù)手段，三維可視化技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)等近年來被廣泛應用于地學領域中，特別其中三維地學建模，亦被稱之為3DGM，在井巷工程中可起到重要作用。值得注意的是，由于井巷工程中可能涉及較為復雜的地質(zhì)構(gòu)造體，所以目前許多理論與技術(shù)的應用尚有待突破，無法真正實現(xiàn)礦山現(xiàn)代化與信息化的目標。所以本文在引入三維建模方法的同時，考慮采用無縫開挖模擬技術(shù)，具有十分重要的意義。

1 地質(zhì)體三維建模

1.1 基于GTP的三維建模

井巷工程中，一般以地質(zhì)體為主要采掘?qū)ο?，而地質(zhì)體中又有多種構(gòu)造類型，如褶皺、斷層等，這兩種類型均較為復雜，地層數(shù)據(jù)信息較多，為采掘工作帶來極大難題。對此情況，考慮引入GIT模型，依托其完成地質(zhì)體模型的構(gòu)建。從GTP模型看，其構(gòu)成包含側(cè)面空間四邊形三個、平行三角形兩個。這種構(gòu)成方式下，四邊形的棱邊用于層間鉆孔描述，而上下三角形的邊線則連接地層面鉆孔點。從GTP模型應用優(yōu)勢看，整個建模流程較為簡單，可滿足自動建模要求，且能適應復雜地質(zhì)條件。同時，若涉及新鉆孔數(shù)據(jù)，可對GTP生成、C-TIN生成做局部修改，無需重新建模，擴充、維護均極為方便。

1.2 地質(zhì)體三維建模流程

地質(zhì)體三維建模中，主要考慮做褶皺地質(zhì)、含斷層地質(zhì)體的建模，建模中首先應明確相關的概念，包括以下幾點。

RPBP建模法，該方法主要強調(diào)巖柱體分區(qū)，分區(qū)下由多個封閉區(qū)域形成，對各區(qū)域均進行建模。

構(gòu)模約束面，立足于斷層三維建模要求，由多個封閉區(qū)域形成，包括褶皺軸面三角形、斷層面三角形以及地表面CD-TIN三角形等。

構(gòu)模柱體，CD-TIN主要由鉆孔口形成，假若以Ti表示其中三角形，Ti中3個鉆孔點會構(gòu)建一個柱體空間，被叫做構(gòu)模柱體。

明確上述概念的基礎上，借助GTP模型完成地質(zhì)體三維模型的構(gòu)建，整個構(gòu)建流程為以下幾點。

地表面CD-TIN構(gòu)建，構(gòu)建中數(shù)據(jù)源選擇鉆孔孔口離散點，以DELAUNY法為依據(jù)，由三角網(wǎng)TIN生成，此時可將鉆孔間聯(lián)系確定。

對地質(zhì)體褶皺、斷層進行判斷。

地質(zhì)體斷層模型構(gòu)建，若判斷中發(fā)現(xiàn)為簡單斷層，取CD-TIN三角形，做GTP的擴展生成，CD-TIN各三角形有構(gòu)模柱體形成，假若判斷結(jié)果為復雜斷層，模型構(gòu)建需通過RPBP實現(xiàn)，構(gòu)建中需對所有斷層內(nèi)切割關系明確，確定建模優(yōu)先級，在此基礎上進行斷層構(gòu)模約束面的構(gòu)建，通過其“約束”作用，有較多簡單斷層系形成，這樣利用該模型可將復雜的斷層結(jié)構(gòu)描述出來。

地質(zhì)體褶皺層建模，模型構(gòu)建中通過RPBP方法實現(xiàn)，結(jié)合褶皺巖性，構(gòu)建構(gòu)模約束面，在此基礎上輔以人工三維交互，保證其中的節(jié)點被捕捉，能夠滿足三維地質(zhì)體模型構(gòu)建要求。

組建模型，由于構(gòu)模約束面作用下，由多個封閉區(qū)域形成，此時需對其中屬性相同的GTP搜尋，做模型的組建。如圖1，為斷層地質(zhì)體構(gòu)建模型圖。

2 井巷工程三維建模

2.1 井巷工程模型特征

圖1 斷層地質(zhì)體模型構(gòu)建效果圖

井巷工程三維模型構(gòu)建中，應認識到其斷面有多種形態(tài)，如梯形、矩形、拱形、圓形等。模型構(gòu)建時需將模型內(nèi)各元素與拓撲關系明確，在此基礎上以“組件法”完成模型構(gòu)建過程。從井巷工程模型特征看，主要表現(xiàn)為以下幾點。

有兩個斷面存在于模型單元中，斷面可能不平行，且寬、高可能不相同。

巷道構(gòu)成，包括巷道模型單元兩個，以井巷中心線進行連接，各巷道屬性均需借助巷道中心線體現(xiàn)出來。

斷面特征，盡管斷面形狀上有一定差異，仍需保持同樣的斷面離散點數(shù)，其目的在于將變斷面問題、多類型斷面問題解決。

2.2 井巷工程模型構(gòu)建

根據(jù)井巷工程模型單元特征，在模型構(gòu)建中，可細化為三個步驟，包括：第一，一維中心線。其是整個三維模型構(gòu)建的基礎，構(gòu)建時既可根據(jù)設計圖紙獲取，也可依托于二維測繪實現(xiàn)。同時，模型構(gòu)建中要求檢測交叉點數(shù)據(jù)，對中心線拓撲關系明確，使井巷工程中心線網(wǎng)絡更加清晰，每一段巷道均利用其中一條線段描述。根據(jù)該中心線網(wǎng)絡，能夠滿足巷道漫游路線的構(gòu)建與最短距離的搜索等要求。第二，雙線巷道模型構(gòu)建。在一維中心線明確的基礎上，應按照相關圖紙資料，將二維井巷工程雙線輪廓明確，以各段巷道參數(shù)、方位角、寬度進行巷道邊線交點坐標的構(gòu)建，一般三維模型中底面多邊形便是雙線巷道。例如，以OC表示巷道，待雙線巷道生成后，OC段巷道底面有兩個四邊形，分別以OCLF、OCKE描述，中心線PC為兩個四邊形的共邊線，對于這兩個四邊形，實際上為井巷工程單元底面多邊形。第三，井巷工程三維模型構(gòu)建。模型構(gòu)建中，應以一維中心線、二維雙線巷道為基礎，使各斷面墻高、拱高明確，裝配井巷模型，且做三角化處理，使最終的三維模型形成。

3 無縫開挖模擬技術(shù)在井巷工程中的應用

礦井工程項目開展中，采用三維地質(zhì)模型構(gòu)建方法，主要為滿足地質(zhì)體的實際開挖需求。但如何真正實現(xiàn)，除三維地質(zhì)模型構(gòu)建外，還要求做到無縫集成建模。根據(jù)既往研究資料中可發(fā)現(xiàn)，對于拓撲學，四面體模型相對較為簡單，無論拓撲描述或數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，完備性與一致性特點均較為明顯，所以在無縫集成模擬中，本次研究考慮通過GTP模型轉(zhuǎn)換為四面體模型實現(xiàn)。該模型下，要求引入較多算法，如局部層次求交LHI算法、轉(zhuǎn)換算法等。

具體剖析井巷工程中無縫開挖模擬技術(shù)的應用流程，體現(xiàn)在：第一，GTP模型轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換目標為四面體模型，轉(zhuǎn)換過程中考慮以“最小項點法”為原則，該原則下要求各地質(zhì)體GTP模型中將側(cè)面對角線引入，引入過程中需由最小頂點出發(fā)，保證側(cè)面對角線首尾連接，不閉合，這樣整個GTP單元將以四個四面體模型形式呈現(xiàn)。第二，井巷工程模型轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換目標為四面體模型，換轉(zhuǎn)過程要求對模型各元素中的中心線點、頂點明確，使這些點構(gòu)成三角形簇，在此基礎上連接三角形簇頂點，有GTP簇形成，完成模型轉(zhuǎn)換過程。該過程結(jié)束后借助相應的四面體模型轉(zhuǎn)換算法，使四面體模型形成。第三，無縫開挖模擬過程。無縫模擬技術(shù)具體運用中，需利用局部層次求交方法實現(xiàn)無縫開挖模擬過程，首先，需做模型求交，主要做四面體模型、三角形的求交，將其以三角形間的求交形式呈現(xiàn)，利用局部層次求交法，將以交點位置為依據(jù)，如體交點、面交點、線交點、點交點等，然后，做相應的處理。最后，做模型分解，處理層次要求由高維至低維，通常需將體交點優(yōu)先處理，依次面交點、線交點處理，分解四面體，并做結(jié)構(gòu)調(diào)整，保證有具體的顯示方式，這樣便能滿足工程集成可視化要求。

4 結(jié)語

三維可視化技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)以及無縫開挖模擬技術(shù)是當前井巷工程項目開展重要技術(shù)保障。特別部分井巷工程中有負責的斷層、褶皺層情況，需在三維模型構(gòu)建下實現(xiàn)工程的可視化，同時在三維模型構(gòu)建基礎上引入無縫開挖模擬技術(shù)，利用其做無縫集成建模，使地質(zhì)體實際開挖需求得以滿足，這樣既為井巷工程活動提供技術(shù)保障，同時對推動礦山現(xiàn)代化、信息化具有積極意義。

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