CN104408771A - 一种基于三维模型的地下矿山斜坡道构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种基于三维模型的地下矿山斜坡道构建方法，属于采矿工程可视化技术领域，巷道建模是三维矿山信息***的重要组成部分，其建模效果及建模效率直接影响到整个***的运行机制；可立体、直观、准确地表现并反映井下巷道及其空间关系，是矿山测绘、地质、采矿科技工作者的重要工作内容，也是矿山安全、高效、合理开发的重要保障；斜坡道三维模型，为矿山无轨设备运行提供了支撑，是矿山动态仿真的重要组成部分，可为井下人员车辆的运行、定位提供工程环境，为工程信息检索、工程施工组织提供服务。

Description

一种基于三维模型的地下矿山斜坡道构建方法

技术领域

本发明属于采矿工程可视化技术领域，具体涉及一种基于三维模型的地下矿山斜坡道构建方法。

背景技术

无轨设备由于机动、灵活、效率高、自动化程度高，无轨设备在地下矿山应用越来越广泛。随着无轨设备的发展和井下大量使用，为了便于无轨设备运输矿石和出入井下，产生了斜坡道，随着新采矿方法的应用和改进，斜坡道在采矿中起到了很大的作用：

首先，减轻了劳动强度；工人在向采场运送物料时，由斜坡道直达采场，改变了原来由混合溜矿井运送物料的方式，减轻了劳动强度，提高了工作效率；

其次，安全性有了更大的保障；斜坡道经过锚喷及其它支护形式维护后，巷道围岩得以稳固，人员经其进入采场的安全性得到保障；改变了以前由溜矿井进入采场时需爬一定高度且安全性差的梯子；

第三，增强了安全性；斜坡道将原来只有一个紧急安全出口的多个独立采场合并为具有三个或四个安全出口的一个采场；采场发生事故时，人员撤离的渠道增多，安全性增强；

第四，改善了通风条件；原独立单元采场采矿时，每个采场一台压入式风机进行吹烟，炮烟散尽缓慢。使用斜坡道工程采准时，采场多条联络道与斜坡道相通，炮烟散尽快；

斜坡道依据运输线路的布置形成，分为直线式，折返式和螺旋式三种。这三种类型的斜坡道，都由直线段和曲线段组合而成，其中直线段用于改变高程，曲线段用于改变方向和高程。相对于井巷工程而言，其具有独特的特征，因此，斜坡道三维模型构建技术不同于井巷建模。

随着矿业信息化浪潮不断扩大和深入，矿山信息建设的深度和广度越来越大。数字矿山、智能矿山建要求将矿山的开采对象、开采工程、开采环境、开采行为等信息简捷、快速、高效的可视化与动态更新，从而与生产实践保持一致，为数字开采或智能开采提供支撑。矿山斜坡道的建模技术相对较少，当前多采用手工方法建模，效率低下，无法满足工程快速可视化的需求。

巷道是矿山生产的动脉，担负着物资运输、通风、人员流动通道等功能，对矿山的生产安全和经济效益具有直接的影响。矿山巷道分布纵横交错、错综复杂，如何立体、直观、准确地表现巷道并反映其空间关系，是巷道设计的难点。

斜坡道的平面设计图纸，以二维图形表示复杂的井筒、巷道分布，很不直观。当前借助手工的斜坡道三维建模方法，工序繁杂、步骤繁多，构建工作依赖手工试凑，工作量大，构建工作量繁重，自动化程度低。斜坡道的建模，需要对斜坡道的空间形态有较好的理解，需要有雄厚的专业背景知识，方能将平面设计图纸转化为斜坡道三维模型，不利于专业分工与协作。所构建的模型，精度差，时效性差，修改困难，不能与生产保持实时一致，不利于及时呈现生产作业状态。手工建模，无法添加斜坡道的附属工程信息，只能构建斜坡道的空间几何形态，无法呈现工程属性，如工程量，工程施工、工程组织等、工程验收等信息，因此，构建的模型，不能很好的支持工程检索、查询、分析等功能。

发明内容

针对现有技术的缺点，本发明提出一种基于三维模型的地下矿山斜坡道构建方法，以达到为矿山无轨设备运行提供支撑，为井下人员车辆的运行、定位提供工程环境，为工程信息检索、工程施工组织提供服务，为下一步虚拟漫游以及采掘量的估算提供数据来源的目的。

一种基于三维模型的地下矿山斜坡道构建方法，包括以下步骤：

步骤1、根据地下矿山斜坡道的平面图数据，确定斜坡道起点平面坐标、每段直道长度、每个弯道的旋转半径和每个弯道的旋转角度，根据上述参数，在计算机中构建斜坡道的平面路径；

步骤2、根据地下矿山斜坡道的平面图数据，确定斜坡道每个直道的坡度和每个弯道的坡度，获得斜坡道起点的高程，具体如下：

步骤2-1、根据地下矿山斜坡道的平面图数据，确定第一直道起点的三维坐标；

步骤2-2、根据该直道长度和坡度，确定该直道终点和起点的高差，进而获得该直道终点的三维坐标；

步骤2-3、将第一弯道平均***若干个点，根据该弯道的起点平面坐标，即第一直道的终点平面坐标、以x轴正方向为始边第一条直道前进方向为终边的角度、弯道的旋转半径和每个弯道的旋转角度，计算获得每个***点的平面坐标，再根据弯道的坡度，计算获得每个***点的三维坐标；

步骤2-4、反复执行步骤2-1至步骤2-3，直至获得斜坡道平面路径上所有点的三维坐标；

步骤2-5、将路径上点的三维坐标进行连接，获得斜坡道的三维路径；

步骤3、根据实际矿山的巷道断面，确定斜坡道断面形状；

步骤4、将斜坡道断面从斜坡道起点，沿斜坡道三维路径进行拉伸，获得斜坡道三维模型；

步骤5、根据获得斜坡道三维模型，构建地下矿山斜坡道，并根据实际施工实时情况，随时修改三维模型参数，实现对三维模型进行更新，并根据更新后的斜坡道三维模型继续进行施工。

步骤2-3所述的计算获得每个***点的平面坐标，具体如下：

当弯道旋转方向为顺时针时：

***点的平面横坐标公式如下：

$P_{\mathrm{jx}}=P_{\mathrm{mx}}+R\sin A_0-R\sin (A_0+\frac{A}{k+1}\×j)---\left(1\right)$

***点的平面纵坐标公式如下：

$P_{\mathrm{jy}}=P_{\mathrm{my}}-R\cos A_0+R\cos (A_0+\frac{A}{k+1}\×j)---\left(2\right)$

当弯道旋转方向为逆时针时：

***点的平面横坐标公式如下：

$P_{\mathrm{jx}}=P_{\mathrm{mx}}-R\sin A_0+R\sin (A_0+\frac{A}{k+1}\×j)---\left(3\right)$

***点的平面纵坐标公式如下：

$P_{\mathrm{jy}}=P_{\mathrm{my}}+R\cos A_0-R\cos (A_0+\frac{A}{k+1}\×j)---\left(4\right)$

其中，P_jx表示第j个***点的平面横坐标，P_jy表示第j个***点的平面纵坐标，j＝1，2，3…k+1，P_mx表示弯道起始点的平面横坐标，P_my表示弯道起始点的平面纵坐标，R表示弯道的旋转半径，A₀表示x方向为始边，以上一直道前进方向为终边的角度，A表示弯道旋转角度，k表示***点的个数。

步骤2-3所述的计算获得每个***点的三维坐标，计算方法如下：

$Z_j=\frac{\mathrm{\π}\×R\×A}{k+1}\×j\×i+Z_m---\left(5\right)$

其中，Z_j表示第j个***点的高程，i表示斜坡道坡度，Z_m表示弯道起始点高程，R表示弯道的旋转半径，A表示弯道旋转角度，k表示***点的个数。

步骤3所述的斜坡道断面形状包括三心拱断面、半圆拱断面、弧形拱断面和矩形断面。

本发明优点：

1)斜坡道是矿山巷道***的重要组成部分之一，巷道***是矿山信息***的重要组成部分，可立体、直观、准确地表现并反映井下巷道及其空间关系，是矿山测绘、地质、采矿科技工作者的重要工作内容，也是矿山安全、高效、合理开发的重要保障；

2)巷道建模是三维矿山信息***的重要组成部分，其建模效果及建模效率直接影响到整个***的运行机制；

3)巷道***是矿山三维虚拟场景的重要组成部分，是构建数字矿山的基础；

4)建立虚拟环境下的三维巷道实体，为下一步虚拟漫游以及采掘量的估算提供数据来源；

5)斜坡道三维模型，为矿山无轨设备运行提供了支撑，是矿山动态仿真的重要组成部分，可为井下人员车辆的运行、定位提供工程环境，为工程信息检索、工程施工组织提供服务。

附图说明

图1为本发明一种实施例的基于三维模型的地下矿山斜坡道构建方法流程图；

图2为本发明一种实施例的地下矿山斜坡道的平面图；

图3为本发明一种实施例的直线段①②构建示意图；

图4为本发明一种实施例的曲线段②③构建俯视图；

图5为本发明一种实施例的弯道***点算法图；

图6为本发明一种实施例的斜坡道空间位置中心线示意图，其中，图(a)为主视图，图(b)为三维形态图；

图7为本发明一种实施例的斜坡道断面控制参数示意图，其中，图(a)为矩形拱巷道断面图，图(b)为圆弧拱巷道断面图，图(c)为三心拱巷道断面图；图(d)为梯形拱巷道断面图；

图8为本发明一种实施例的斜坡道断面与路径示意图；

图9为本发明一种实施例的斜坡道三维模型示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明一种实施例做进一步说明。

一种基于三维模型的地下矿山斜坡道构建方法，方法流程图如图1所示，包括以下步骤：

步骤1、根据地下矿山斜坡道的平面图数据，确定斜坡道起点平面坐标、每段直道长度、每个弯道的旋转半径和每个弯道的旋转角度，根据上述参数，在计算机中构建斜坡道的平面路径；

本发明实施例中，如图2所示，在XY平面图中，1为斜坡道的倾斜直线段部分。直线段1的起点为拐点①、终点为拐点②，其中，拐点①、②之间的坡度从表1中查出为15‰。①、②两点之间的水平距离L₁，根据平面图上直接量出。则①、②之间的相对高差为h＝15‰·L₁。根据计算结果，设置拐点①、②的Z坐标，结果在XZ视图中如图3所示。

表1

点号	坡度	备注
			1
2	15％	直线段
			3	5‰	曲线段

由于斜坡道的平面路径如下图2所示。所示获取斜坡道的平面图数据时，至少要确定的是每个直道长度以及每个弯道的旋转半径和旋转角度，这样才能在计算机中画出斜坡道的平面路径。

步骤2、根据地下矿山斜坡道的平面图数据，确定斜坡道每个直道的坡度和每个弯道的坡度，获得斜坡道起点的高程，具体如下：

步骤2-1、根据地下矿山斜坡道的平面图数据，确定第一直道起点的三维坐标；

步骤2-2、根据该直道长度和坡度，确定该直道终点和起点的高差，进而获得该直道终点的三维坐标；

本发明实施例中，根据直线段的坡度，计算直线段的起点和终点高差，在保持起点和终点的平面坐标不变的条件下，设置起点和终点的高程坐标，构建空间直线；将直线段恢复到真实的的空间位置。

步骤2-3、将第一弯道平均***若干个点，根据该弯道的起点平面坐标，即第一直道的终点平面坐标、x方向为始边以上一直道前进方向为终边的角度、弯道的旋转半径和每个弯道的旋转角度，计算获得每个***点的平面坐标，再根据弯道的坡度，计算获得每个***点的三维坐标；

本发明实施例中针对曲线段，采用离散曲线段，构建空间曲线的方法。在平面设计图中，曲线段用弧形曲线表示。将该弧形曲线等分为n段(n大于10，n越大，离散的点越多，构建的精度越大，但数据量也越大)，将曲线段离散后获得n+1个点(含曲线段的起始两个点)。依据曲线段的设计坡度，根据曲线段在平面设计中的长度，逐点计算曲线段中***点距离起点的高差，保持曲线段中***点的平面坐标不变，设置其高程，获得每个点的三维坐标。将n+1个三维点顺次连接，构建曲线段的空间位置曲线。

本发明实施例中，如图2所示，在XY平面图中曲线段2，对应拐点为②、③之间的部分。拐点②、③之间的坡度从表1中查出为5‰，如图4所示，将曲线段离散成10个点，则计算曲线段②③的弧长L₂，将L₂等分为11等分，则新***点N₁的高程h₁为点N₁距离拐点②的曲线长LN₁与坡度的乘积，即h₁＝5‰·LN₁。同理计算出N2、…、N10、拐点③的高程。在保持各点XY坐标不变的条件下，设置各点的Z坐标。

如图5所示，Pm为弯道起点；Pn为弯道终点；Pj为第j个***点，本发明实施例中，计算获得每个***点的平面坐标，具体如下：

当弯道旋转方向为顺时针时：

***点的平面横坐标公式如下：

$P_{\mathrm{jx}}=P_{\mathrm{mx}}+R\sin A_0-R\sin (A_0+\frac{A}{k+1}\×j)---\left(1\right)$

***点的平面纵坐标公式如下：

$P_{\mathrm{jy}}=P_{\mathrm{my}}-R\cos A_0+R\cos (A_0+\frac{A}{k+1}\×j)---\left(2\right)$

当弯道旋转方向为逆时针时：

***点的平面横坐标公式如下：

$P_{\mathrm{jx}}=P_{\mathrm{mx}}-R\sin A_0+R\sin (A_0+\frac{A}{k+1}\×j)---\left(3\right)$

***点的平面纵坐标公式如下：

$P_{\mathrm{jy}}=P_{\mathrm{my}}+R\cos A_0-R\cos (A_0+\frac{A}{k+1}\×j)---\left(4\right)$

其中，P_jx表示第j个***点的平面横坐标，P_jy表示第j个***点的平面纵坐标，j＝1，2，3…k+1，P_mx表示弯道起始点的平面横坐标，P_my表示弯道起始点的平面纵坐标，R表示弯道的旋转半径，A₀表示x方向为始边，以上一直道前进方向为终边的角度，A表示弯道旋转角度，k表示***点的个数。

计算获得每个***点的三维坐标，计算方法如下：

$Z_j=\frac{\mathrm{\π}\×R\×A}{k+1}\×j\×i+Z_m---\left(5\right)$

其中，Z_j表示第j个***点的高程，i表示斜坡道坡度，Z_m表示弯道起始点高程，R表示弯道的旋转半径，A表示弯道旋转角度，k表示***点的个数。

步骤2-4、反复执行步骤2-1至步骤2-3，直至获得斜坡道平面路径上所有点的三维坐标；

本发明实施例中，将XY平面中所有斜坡道的设计路径转变为空间形态，结果如图6中图(a)和图(b)所示。同时将所有拐点的拓扑关系存储在对应的数据结构，以利于动态的更新和修改。

步骤2-5、将路径上点的三维坐标进行连接，获得斜坡道的三维路径；

步骤3、根据实际矿山的巷道断面，确定斜坡道断面形状；

如图7中图(a)、图(b)、图(c)和图(d)所示，本发明实施例中，所述的斜坡道断面形状包括矩形断面、圆弧拱断面、三心拱断面和梯形拱断面。

步骤4、将斜坡道断面从斜坡道起点，延斜坡道三维路径进行拉伸，获得斜坡道三维模型；

本发明实施例中，根据斜坡道的断面形状、断面规格生成垂直与中心线的巷道断面轮廓线，利用斜坡道断面轮廓线沿空间曲线进行拉伸，形成斜坡道三维模型。

斜坡道的断面类型和断面参数如图7及表2所示，以斜坡道中心线的空间形态的前两点所构建的直线为外法线，保证断面与中心线前两点垂直，构建斜坡道断面，结果如图8所示。

表2 斜坡道基元参数控制表

序号	参数	备注
			1	矩形断面
	断面宽度
				断面高度
2	半圆拱断面
				断面宽度
	直墙高
				拱类型	半圆拱、1/3拱、1/4拱、1/5拱
3	三心拱
				断面宽度
	直墙高
				拱类型	1/3拱、1/4拱、1/5拱
4	平面约束	相对高程形式输出
				起点	Xyz
	起点高程
				坡度	Xyz
	功能判断	斜坡道/联络道
				巷道类型	直线段/弧段
	终点

利用固定断面沿中心线拉伸即可构建斜坡道三维模型，如图9所示。

步骤5、根据获得斜坡道三维模型，构建地下矿山斜坡道，并根据实际施工实时情况，随时修改三维模型参数，实现对三维模型进行更新，并根据更新后的斜坡道三维模型继续进行施工。

Claims (4)

1.一种基于三维模型的地下矿山斜坡道构建方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、根据地下矿山斜坡道的平面图数据，确定斜坡道起点平面坐标、每段直道长度、每个弯道的旋转半径和每个弯道的旋转角度，根据上述参数，在计算机三维坐标系中构建斜坡道的平面路径；

步骤2、根据地下矿山斜坡道的平面图数据，确定斜坡道每个直道的坡度和每个弯道的坡度，获得斜坡道起点的高程，具体如下：

步骤2-1、根据地下矿山斜坡道的平面图数据，确定第一直道起点的三维坐标；

步骤2-2、根据该直道长度和坡度，确定该直道终点和起点的高差，进而获得该直道终点的三维坐标；

步骤2-3、将第一弯道平均***若干个点，根据该弯道的起点平面坐标，即第一直道的终点平面坐标、以x轴正方向为始边第一条直道前进方向为终边的角度、弯道的旋转半径和每个弯道的旋转角度，计算获得每个***点的平面坐标，再根据弯道的坡度，计算获得每个***点的三维坐标；

步骤2-4、反复执行步骤2-1至步骤2-3，直至获得斜坡道平面路径上所有点的三维坐标；

步骤2-5、将路径上点的三维坐标进行连接，获得斜坡道的三维路径；

步骤3、根据实际矿山的巷道断面，确定斜坡道断面形状；

步骤4、将斜坡道断面从斜坡道起点，沿斜坡道三维路径进行拉伸，获得斜坡道三维模型；

步骤5、根据获得斜坡道三维模型，构建地下矿山斜坡道，并根据实际施工实时情况，随时修改三维模型参数，实现对三维模型进行更新，并根据更新后的斜坡道三维模型继续进行施工。

2.根据权利要求1所述的基于三维模型的地下矿山斜坡道构建方法，其特征在于，步骤2-3所述的计算获得每个***点的平面坐标，具体如下：

当弯道旋转方向为顺时针时：

***点的平面横坐标公式如下：

$P_{\mathrm{jx}}=P_{\mathrm{mx}}+R\sin A_0-R\sin (A_0+\frac{A}{k+1}\×j)---\left(1\right)$

***点的平面纵坐标公式如下：

$P_{\mathrm{jy}}=P_{\mathrm{my}}-R\cos A_0+R\cos (A_0+\frac{A}{k+1}\×j)---\left(2\right)$

当弯道旋转方向为逆时针时：

***点的平面横坐标公式如下：

$P_{\mathrm{jx}}=P_{\mathrm{mx}}-R\sin A_0+R\sin (A_0+\frac{A}{k+1}\×j)---\left(3\right)$

***点的平面纵坐标公式如下：

$P_{\mathrm{jy}}=P_{\mathrm{my}}+R\cos A_0-R\cos (A_0+\frac{A}{k+1}\×j)---\left(4\right)$

其中，P_jx表示第j个***点的平面横坐标，P_jy表示第j个***点的平面纵坐标，j＝1，2，3...k+1，P_mx表示弯道起始点的平面横坐标，P_my表示弯道起始点的平面纵坐标，R表示弯道的旋转半径，A₀表示x方向为始边，以上一直道前进方向为终边的角度，A表示弯道旋转角度，k表示***点的个数。

3.根据权利要求1所述的基于三维模型的地下矿山斜坡道构建方法，其特征在于，步骤2-3所述的计算获得每个***点的三维坐标，计算方法如下：

$Z_j=\frac{\mathrm{\π}\×R\×A}{k+1}\×j\×i+Z_m---\left(5\right)$

其中，Z_j表示第j个***点的高程，i表示斜坡道坡度，Z_m表示弯道起始点高程，R表示弯道的旋转半径，A表示弯道旋转角度，k表示***点的个数。

4.根据权利要求1所述的基于三维模型的地下矿山斜坡道构建方法，其特征在于，步骤3所述的斜坡道断面形状包括矩形拱断面、圆弧拱断面、三心拱断面和梯形拱断面。