CN106124263A - 一种地下矿山采空区相似材料3d模型的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种地下矿山采空区相似材料3D模型的制作方法采用以下步骤：1）利用三维激光扫描仪CMS获取地下采空区的边界坐标信息（X,Y,Z）；2）在计算机中建立采空区3D数字实体模型；3）用3D打印机按比例打印出采空区石蜡模型（5）；4）将采空区石蜡模型（5）按照空间位置摆放，将配比好的岩体相似材料（6）混合搅拌均匀后浇筑到搭建好的模板内，制作出岩体相似材料模型；5）相似材料模型养护达到设定的强度后，利用加热法将采空区石蜡模型（5）加热并从石蜡熔出口（7）中熔出，最终制作出采空区采空区相似材料3D模型（8）。本发明解决了采空区稳定性分析相似材料模拟实验中建模的几何相似条件，大大提高了相似材料模拟实验的可靠程度和模拟结果的准确性。
Description
技术领域
本发明涉及一种地下矿山采空区相似模型的制作方法，尤其涉及多中段不规则金属矿山采空区（群）进行物理相似模拟实验的3D建模试验方法，可在金属、非金属、化工、煤炭矿山的采空区、地下工程硐室等物理相似模拟实验建模时灵活应用。
背景技术
地下矿山采空区是人为开采矿产资源后在地表以下产生的“空洞”，矿山采空区是矿山安全生产事故发生的一个主要诱因。采空区在高地压、高应力的作用下产生的大面积冒顶、片帮、塌陷和闭合变形等都是重要的地质灾害，严重影响矿山正常生产运作和井下工作人员的生命安全，采空区的存在使得矿山的安全生产面临重大安全隐患，采空区的稳定性评估和破坏方式研究是采空区治理工程的基础工作，这方面工作最常用的手段为相似材料模拟实验法。
目前，采空区模型的建立有基于点云数据的采空区三维建模算法、基于Surpac的采空区模型建立法。如《有色金属》(矿山部分)2009年7月第4期发表的“基于Surpac的坑道与采空区模型建立及其应用”一文中，详细介绍了广西高峰锡矿105号矿体坑道模型以及采空区模型建立的基本过程，运用Surpac建立采空区模型,在Surpac软件的三维显示区显示采空区实体模型。但采用该文建立的模型，仍然只能在计算机中显示，无法制成实物模型，因而也就无法对实物模型采用相似模拟方法在实验室内进行试验研究，从而影响到研究的可靠程度和模拟结果的准确性。
几何相似是相似材料模拟实验中首要的相似条件，采空区稳定性分析需要建立准确的真实形态采空区3D相似模型，而目前采空区稳定性分析中相似材料模拟试验中均采用简化标准模型，这种模型的实验模拟研究成果往往和现实情况差距巨大。
发明内容
本发明的目的，就是针对目前采空区稳定性分析和破坏规律相似材料模拟实验研究中，无法建立真实形态的采空区模型的难题，而提供一种地下矿山采空区相似材料3D模型的制作方法。
为实现本发明的上述目的，本发明一种地下矿山采空区相似材料3D模型的制作方法采用以下工艺、步骤实现：
1）采空区三维测量：利用三维激光扫描仪CMS对地下采空区进行360°球形精确测量，获取地下采空区的边界坐标信息（X,Y,Z）。
2）采空区3D数字模型建立：将获取的地下采空区的边界坐标信息（X,Y,Z）进行处理后，输入到三维矿业软件3Dmine中，在计算机中建立采空区3D数字实体模型。
3）采空区石蜡模型的打印：用3D打印机按需求比例将采空区3D数字实体模型打印成采空区石蜡模型。
4）制作岩体相似材料模型：将采空区石蜡模型按照空间位置摆放，周围搭建模板，并在模板底部预留一个石蜡溶出口，将配比好的岩体相似材料混合搅拌均匀后浇筑到搭建好的模板内，制作出岩体相似材料模型。所述的岩体相似材料是由水泥、石膏、河沙、导热粉按比例混合制成。
5）石蜡模型熔出：相似材料模型养护达到设定的强度后，利用加热法将采空区石蜡模型加热并从石蜡熔出口中熔出，最终制作出采空区采空区相似材料3D模型。相似材料模型的养护时间一般为26-30天，以28天为佳。
为了保证采空区三维测量的精准性，在上述1）步骤，采空区测量的扫描参数设置为垂直方向上每1°记录一个坐标值，水平方向上每1°扫描一组数据，共获取360组数据，每组数据存储360个坐标点。
在上述3）步骤，采用工业级3D打印机用52号或54号石蜡原料按需求比例打印出的三维的采空区石蜡模型为佳。
在上述4）步骤中，室内环境温度控制在18°C-0°C范围，以15°C-5°C为佳。超过温度需要对环境进行降温处理。
本发明一种地下矿山采空区相似材料3D模型的制作方法，采用以上技术方案后具有积极效果：
（1）该方法解决了采空区稳定性分析相似材料模拟实验中建模的几何相似条件，大大提高了相似材料模拟实验的可靠程度和模拟结果的准确性。
（2）消除了目前矿山采空区稳定性分析和破坏方式相似材料试验研究中采用采空区简化标准模型的弊端，解决了以往无法建立与真实采空区空间形态一致的3D模型难题。本方法相当于将地下复杂形状的采空区按照需求相似比例复制到实验室内，为试验结果的准确性提供了非常可靠的基础。
附图说明
图1为地下采空区三维测量示意图；
图2为建立的采空区3D数字实体模型；
图3为地下采空区石蜡模型；
图4为采用本发明一种地下矿山采空区相似材料3D模型的制作方法制作的采空区相似材料3D模型。
附图标记：1－三维激光扫描仪CMS；2－采空区通道；3－地下采空区；4－采空区3D数字实体模型；5－采空区石蜡模型；6－岩体相似材料；7－石蜡熔出口；8-采空区相似材料3D模型。
具体实施方式
为进一步描述本发明，下面结合附图和实施例对本发明一种地下矿山采空区相似材料3D模型的制作方法作更详细的描述。
由图1所示的地下采空区三维测量示意图并结合图2、图3、图4看出，本发明一种地下矿山采空区相似材料3D模型的制作方法，其特征在于采用以下工艺、步骤：
第一步：将三维激光扫描仪CMS 1通过采空区通道2架设在地下采空区3内，设置扫描参数，垂直方向上每经过1°记录一个坐标值，水平方向上每旋转1°扫描一组数据，然后开始进行360°球形无盲点扫描，扫描工作会获取360组数据，每组数据共存储360个点的边界坐标信息（X,Y,Z）。
第二步：地下采空区3扫描完成后，导出收集的地下采空区3边界坐标信息（X,Y,Z）数据，将数据输入到三维矿业软件3Dmine中，经过对离散点的去除处理，将坐标点连接成面，在计算机中建立采空区3D数字实体模型4。
第三步：采空区3D数值实体模型4作为输出原型，设置3D打印比例尺，利用工业级3D打印机按比例将采空区3D数字实体模型4打印成采空区石蜡模型5，打印原料技术规格要求为52号或54号石蜡。
第四步：采空区石蜡模型5打印完成后，将采空区石蜡模型5按照真实空间位置摆放，周围搭建模板，并在模板底部预留一个石蜡溶出口7，将配比好的岩体相似材料6混合搅拌均匀后浇筑到搭建好的模板内，制作出岩体相似材料模型。模型制作环境温度要求低于18°C，冬季较好，以15°C-0°C为佳，夏季则要求在密闭低温环境中。
第五步：相似材料模型浇筑完成后，养护28天，利用加热法将采空区石蜡模型5从底端石蜡溶出口7加热熔出，最终制作出采空区采空区相似材料3D模型8。
然后在实验室内进行相关试验研究。
Claims (5)
1.一种地下矿山采空区相似材料3D模型的制作方法，其特征在于采用以下工艺、步骤：
1）采空区三维测量：利用三维激光扫描仪CMS（1）对地下采空区（3）进行360°球形精确测量，获取地下采空区（3）的边界坐标信息（X,Y,Z）；
2）采空区3D数字模型建立：将获取的地下采空区（3）的边界坐标信息（X,Y,Z）进行处理后，输入到三维矿业软件3Dmine中，在计算机中建立采空区3D数字实体模型（4）；
3）采空区石蜡模型的打印：用3D打印机按需求比例将采空区3D数字实体模型（4）打印成采空区石蜡模型（5）；
4）制作岩体相似材料模型：将采空区石蜡模型（5）按照空间位置摆放，周围搭建模板，并在模板底部预留一个石蜡溶出口（7），将配比好的岩体相似材料（6）混合搅拌均匀后浇筑到搭建好的模板内，制作出岩体相似材料模型；
5）石蜡模型熔出：相似材料模型养护达到设定的强度后，利用加热法将采空区石蜡模型（5）加热并从石蜡熔出口（7）中熔出，最终制作出采空区采空区相似材料3D模型（8）。
2.如权利要求1所述的一种地下矿山采空区相似材料3D模型的制作方法，其特征在于：在上述1）步骤，采空区测量的扫描参数设置为垂直方向上每1°记录一个坐标值，水平方向上每1°扫描一组数据，共获取360组数据，每组数据存储360个坐标点。
3.如权利要求1或2所述的一种地下矿山采空区相似材料3D模型的制作方法，其特征在于：在上述3）步骤，采用工业级3D打印机用52号或54号石蜡原料按需求比例打印出的三维的采空区石蜡模型（5）。
4.如权利要求1或2所述的一种地下矿山采空区相似材料3D模型的制作方法，其特征在于：在上述4）步骤中，室内环境温度控制在18°C-0°C范围。
5.如权利要求4所述的一种地下矿山采空区相似材料3D模型的制作方法，其特征在于：在上述4）步骤中，室内环境温度控制在15°C-5°C范围。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20161116 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |