大屯锡矿井巷工程三维建模方法与探讨_夏泽.pdf

41Mine engineering矿山工程大屯锡矿井巷工程三维建模方法与探讨夏泽摘要：井巷工程质量水平对矿山安全生产作业过程具有关键性作用。井巷工程是数字化矿山建设的重要组成部分，可以为后续开采过程提供安全经济的可靠数据支撑。三维数字化软件的使用范围日益广阔，应用价值较高。因此，可以使用三维数字化软件完成井巷工程三维建模，为安生高效井下开采起到保驾护航的作用。本文主要阐述了大屯锡矿井巷工程三维建模方案及有效开展方式。关键词：大屯锡矿井巷工程；三维建模方法；项目开展方案在建设数字化矿山的过程中，井巷工程三维模型应用范围越发广泛，对于模型的精准程度日益提高。大屯锡矿正在朝着现代化与信息化矿山的方向不断前进。在实际应用中，需要充分发挥出各种软件的优势与长处，实现精细化点云建模的目标。1 项目开展背景分析井巷工程是矿山生产运输、通讯、排水、通风、充填、供水、压气的重要渠道之一，在矿山安全、高效开采过程中发挥着“眼睛”的作用。井巷工程三维实体模型是数字化矿山安全生产系统的重要组成部分，能够给大屯锡矿开拓设计、计算采掘工程量、地质储量估算、生成自动工程图、地质找矿设计等提供有力数据支撑。测量图件由原来的手工绘制到二维平面图再到三维图件的转变，由1张A3纸到10MB内存的CAD图形到海量点云数据生成的上百MB内存的三维实体模型信息的推进。测量图件数据量逐渐增加，运行图件耗费时间日益增进，导致Dinmine软件出现图件卡死、打不开、运行缓慢等情况，这在一定程度上阻碍了三维数字化软件的顺利推广的进程，也降低三维数字化矿山的推进速度，造成了生产设计图出图的低效率、高费时等情况。2 项目开展意义分析优化由海量点云数据生成的巷道模型，可以在不同精度情况下随意缩小、转变角度、随意切割任意剖面模型，提取多方面的数据信息，加快井巷工程中三维模型的运行速度，降低电脑系统配置，不断提高系统的工作效率以及人员的工作质量。在数字化矿山任务建设过程中，井巷工程三维模型应用范围日益广泛，GeoSLAM手持三维扫描仪的使用频率不断提高，生成的数字化模型日趋精准。为了在矿山生产过程中顺利推进应用三维数字化软件，为实际生产过程提供重要保障，需要不断优化井巷工程生成的三维模型机制，获得理想的优化效果。2.1大屯锡矿发展现状目前大屯锡矿建立了矿体模型、井巷模型、地表模型及高效钻孔数据库，有效提高矿山测量、采集等方面的研究精确程度，为矿山开采提供科学有效的数据支撑，提高设计生产过程的合理程度，有效指导生产。矿山数字化三维软件能够实现矿床三维地质建模、计算储量与动态管理、测量验收与结合数据成图等任务，设计地下开采系统与单体、回采爆破过程、生产计划编制过程，求解计算并优化矿井通风系统，优化露天矿井开采边界及采剥顺序，使用可视化的方式展现出工程图表，提高了项目工程的数字化与智能化水平。2.2大屯锡矿实际生产力及未来发展方向大屯锡矿的信息化及现代化程度不断提高，当前矿山搜集数据主要包括全站仪井下控制测量数据及反映井下工程系统空间位置关系的手持式激光扫描设备及实时井巷点云数据信息，在三维可视化Dimine制图软件的配合作用下保存并使用此类数据信息。选择科学合理的点云数据解算软件，建立三维建模参数搭载平台，通过规范使用点云数据信息，可以创建井巷工程的模型过程，提高测量Dimine测量历史数据的标准化程度，将测量成果上传到协同平台上，为后续生产过程奠定基础。2.3大屯锡矿巷道建模推广及成果效益分析该项目可以标准化测量Dimine巷道模型，提高点云建模过程的统一程度，保证建模参数的一致性，切实优化井下巷道工程三维数据信息。提高点云数据的采集精确程度，使用点云数据进行建模，统一将其上传到平台，提高整个流程的标准化及规规范化程度。该项目可以直接优化井巷工程的三维模型，提高模型的打开速度和提升整个系统的工作效率。通过各种参数优化，解决井巷工程模型存在冗余的问题。同时解决了随着建模持续化的推进模型数据占据系统内存的根本问题。3 绘制矿山井巷工程实体模型的几种方法分析3.1使用软件绘制矿山井巷工程实体模型首先，可以使用AutoCAD制图软件绘制实体模型。当前，42Mine engineering矿山工程国内大多数矿山井巷工程都是使用全站仪设备完成控制测量任务的，使用支距方法测量获取关于实体模型的相关数据信息，拉近巷道掘进方向干线，使用AutoCAD绘图软件开发的小程序绘制巷道纵向横断切面图形。其次，可以使用Surpac矿业工程软件绘制实体模型。Surpac大型数字化矿山软件旨在开发出资源规划与矿产管理系统，在资源评估、矿山规划及生产计划管理等过程中发挥着重要作用，贯彻在矿山生产全生命周期范围之中。再次，可以根据轮廓线或者中心线绘制井巷工程三维模型，将其导入到Dimine软件系统中使用工具栏中的实体模型及创建三角网络功能，绘制出井巷工程的实体模型、顶板模型及底板模型信息。可以根据中心线绘制出井巷工程的三维模型。3.2三维激光扫描仪器测量井巷工程模型随着科学技术的进步与发展，三维激光扫描测量技术受到了追捧与关注。全数字化优势突出，给矿井测量工作提供了崭新的思路与方法。首先，移动式三维激光扫描仪。手持便携式激光扫描一起具有SLAM系统，能够完成移动式实时快速测量任务，获得高精度、高质量的单位点云数据信息。该设备主要由手持探头、采集设备组成，测量距离可达30m，测量范围广泛，每分钟可以采集43200各点云数据。三维激光扫描仪能够解决适应未知环境的缺陷，在空间运动中具有不确定性特征，可以通过重复测量观测地图特点，实现定位及构建地图的目标。扫描仪器的扫描过程没有控制点，需要从一个方向匀速运动到观测区的终点，返回起始位置，停止扫描工作，获得区域内部井巷工程的三维坐标点信息。其次，全站式三维激光扫描仪的测量精度较高，具有自动追踪与校准的功能，是一台高速激光扫描、全景扫描与内置广角相机扫描的功能，具有高精度自动化测量功能，可以实现精细扫描的目标，可以将全站仪和扫描仪的功能有机整合在一起，获得曲面特征点的数据信息。再次，三维激光扫描仪CMS400，CMS空区三维扫描系统采集到成千上万个用于确定空区尺寸、方位、体积的三维坐标点，并用这些点绘制详细的工程图。通用的数据格式，可以确保CMS数据导入到任何软件进行处理。将其导入到Dimine软件系统中使用工具栏中的实体模型及创建三角网络功能，绘制出井巷工程、溜井、采空区的实体模型，然后提取各类模型信息。3.3不同建模方法的比较分析（1）软件建模需要根据导线间控制点使用支距方法获得井巷工程断面的详细信息。实际工作过程中，每个断面数据的间距大小为3m 5m，对于测量设备的性能要求较低，可以使用皮尺完成数据搜集包含但不限于距离、左支距、有右支距、巷道高、特征点全高。该方法获得的数据量较小，内业处理过程相对简单，难以反映出完整的井巷工作状况，导致模型与现实差距较大。（2）移动式三维激光扫描仪建模可以在短时间内完成矿山三维数字模型点云数据测量，有助于提高测量效率，在空间条件复杂的情况下具有较高的使用价值。该方法的测量过程简单，点云密度较高，可以完整详细的反映出地下空间状态，给数字化开采及管理过程提供完整详细的三维数据信息。将数据存储成DXF格式。4 项目研究内容及实施方法分析4.1排查电脑运行系统卡顿原因在一坑坑口办公室进行三个方案的研讨。首先需打开运行数度最慢的大屯锡矿大马芦1720中段的巷道以及采空区模型，将其作为排查过程的重要数据支撑，以平方公里的方式将模型图划分为七个不同的部分，将其保存为dmf类型文件，详细记录每个文件占用的内存数据及打开时间信息，分析文件大小与打开时间之间的关系，绘制关系图形。实际上，文件内容本身是影响文件打开速度的主要原因，但不是唯一原因。其次，可以选择具有代表性的巷道模型，如上坡、下坡、水平等，1480中段斜坡道，使用Dimine巷道模型中的腰线方法建立新的巷道模型，比较不同模型的特点，分析模型的三角面片结构，总结每个模型的属性信息，分析模型要素的相异性，删除原始文件的要素类别，将其保存下来并重新开始，从而提高模型的打开速度。因此，模型的要素信息会影响模型的打开速度，但并不是影响其流畅性的唯一因素。再次，可以选择具有代表性的空区模型，1720中段大马芦空区，使用Dimine空区模型中六面体化以及抽稀功能，删除冗余的点云文件以及多余的三角面片，删除飞点，分析模型要素的特性，依据现场的井巷工程特点，优化模型结构，从而提高模型的打开速度。使用手持式三维激光扫描仪器获得的数据类型多为点云数据信息，会影响巷道模型的打开速度。可以使用实验对比的方式测量生成模型的点云密度参数信息，分析构成模型的三角面片数量，优化Dimine模型参数。经过以上三种方案对比，发现不同的参数设置会影响模型的实际打开运行速度。4.2测试点云密度参数、三角面片参数及Dimine优化参数使用实验对比的方法测试生成模型的点云密度参数信息，创建模型的三角形片参数信息，优化Dimine模型参数，测试点云密度信息，利用软件导出模型，保留原来模型的20%，使得构成模型的三角形面数量不超过一定数量，使用GeomagicControl2015软件建立具体的巷道模型，固定Dimine优化参数，选择不同参数设置。将其设置固定设置为0.25，选择0.1、2、543Mine engineering矿山工程三种优化参数，测试显示，需要选择200m左右的巷道。选择参数0.1，解算时间大约为10min；选择参数2，则解算时间大约为20min，选择参数为5，则解算时间大约为40min。通过以上三种方案对比，得出参数设置不同，结算时间不同，根据大屯锡矿的实际生产需求，最终确定，选择方案1即可满足生产。4.3点云数据处理研究在一坑坑口办公室选择点云数据处理软件研究点云处理过程的先后顺序。通过对比不同点云处理过程的优势，获得关于控制点匹配程度及精度评判过程报告。如果不同控制点坐标的匹配程度较差，将其转化成为绝对坐标，通过软件获得某些点的绝对坐标。通过各种数据处理方法，提高不同坐标体系的匹配性，对数据信息进行抽稀处理，可以得出以下结论。（1）需要对点云做降噪处理操作，转换坐标体系，提高数据体系的精确程度，使其高于先做坐标匹配再做降噪抽稀的点云数据体系。抽稀和点云降噪可以在一定程度上避免孤立点云的出现，加快坐标转化进程，提高坐标体系的精确程度。（2）需要研究抽稀参数及坐标匹配程度的相关信息。测试结果表明，可以使用软件有效降燥抽稀，大幅减少点云体系的数据量，提高电脑运行的速度与效率。均衡抽稀方法可以提高点云边界数据的清晰程度，使得点云数据在空间中分布的更加均匀，提高点云数据的可靠程度。4.4模型封装及成果归档研究首先，需要研究巷道点云数据精细化建模及模型处理优化程度。常用的三维建模软件有geomagiccontrol和3dreshaper。比较两种封装软件的特点，可以得知在点云精细化建模及模型优化方面，前者的优势更加突出，能够有效去除巷道模型内部的多余点，自动检测模型信息，统计模型存在的问题，优化过程较为简单，具有一键优化的特征。其次，需要研究模型导出成果上Dimine传协作平台。经过多次参数测试过程，可以将模型以dxf文件形式导出，无需对原始点云数据进行降噪与精细化建模过程即可精确计算巷道体积。在得到巷道体积之后，需要对导出的模型进行面片抽稀与优化，降低模型占用内存面积，在三维商业软件辅助作用下实现存储与归档的目标，满足数字化矿山生产的根本需求。5 项目创新点及取得的效益分析5.1项目的创新性与先进性模型精度与模型使用速度在一定程度上是相互冲突的，通过优化点云建模参数体系，可以在两者之间找到一个平衡点，确保模型数据量与使用精度相互匹配，满足模型应用的基本需求。同时，需要规范井巷工程模型的三维建模构成，选择科学合理的云建模软件，满足井巷工程模型的应用需求，提高当前数据的兼容性与使用效率。该项目模拟出了点云数据的建模过程，有效平衡了井巷工程模型精度与数据量大小，可以在不同的应用场景下选择合适的建模软件，这是该项目主要的创新之处