CN116246015A - 一种含采空区的矿山三维精确模型的建模方法 - Google Patents

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Huawei National Engineering Research Center of High Efficient Cyclic and Utilization of Metallic Mineral Resources Co Ltd
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Abstract

本发明公开了一种含采空区的矿山三维精确模型的建模方法，属于矿山地下开采技术领域。本发明包括步骤如下：使用三维空间扫描设备获得采空区的点云数据；对多组点云数据进行拼接、去噪处理得到采空区的点云模型文件；将处理后的点云模型文件导入GeomagicStudio软件中生成采空区实体模型；对采空区实体模型进行切片并提取断面轮廓线；使用犀牛软件重新建立采空区的三维模型；将矿山实际的地表等高线及矿山地质勘探线导入犀牛软件中生成矿山三维实体模型。本发明能够准确的获得采空区实际形态，提高数值模拟的准确性，为矿山安全生产和后续的采空区治理提供准确的依据。

Description

一种含采空区的矿山三维精确模型的建模方法
技术领域
本发明涉及矿山地下开采技术领域，特别涉及一种含采空区的矿山三维精确模型的建模方法。
背景技术
采用空场法开采的地下矿山，随着开采深度和广度的不断增加，原本孤立的、形态较小的采空区相互影响，逐渐形成大范围的采空区群，采空区失稳的风险也在不断增大。
为更好的治理采空区，需对矿山现有采空区的稳定性进行分析评价。目前，最常用数值模拟的手段对采空区稳定性进行研究论证。该方法面临的主要问题就是如何构建真实可靠的采空区三维模型，以前大多根据矿山提供的图纸估测采空区的形态，并对采空区的轮廓进行简化处理，形成规则的、平滑的轮廓线，以此为依据建立采空区实体模型。但实际采空区形态是复杂多变的，测估得到的采空区形态与真实的采空区形态差别较大，导致数值模拟在前处理阶段(即建立实体模型阶段)出现失真现象，严重影响了数值模拟结果的准确性，不能真实反应矿山采空区的稳定性情况。
因此，如何获得用于数值模拟的矿山采空区三维精确模型，成了本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种含采空区的矿山三维精确模型的建模方法，操作简便，能够获得矿山采空区三维精确模型，提高了数值模拟结果的准确性，为矿山采空区治理提供较为准确的参考，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种含采空区的矿山三维精确模型的建模方法，包括如下步骤：
S1、使用三维空间扫描设备对矿山现有的采空区进行扫描，并利用配套的软件进行解算，获得采空区的点云数据；
S2、使用realworks软件，对多组点云数据进行拼接处理，获得完整的采空区点云模型文件；
S3、将拼接好的采空区点云模型文件导入到CloudCompaer软件中，对数据采集过程中由于人员、井下设备等带来的数据误差进行降噪处理，获得精准的采空区点云模型文件；
S4、将降噪处理后的采空区点云模型文件导入GeomagicStudio软件中，先统一法线方向，再生成网格模型，进而生成采空区实体模型；
S5、将采空区实体模型保存为3DMine软件可识别的文件类型，并在3DMine软件中打开，按照数值模拟的精度要求对采空区实体模型进行切片并提取断面轮廓线；
S6、将提取的多组断面轮廓线保存为犀牛软件可识别的文件类型，并导入到犀牛软件中，此过程中应确保轮廓线的相对位置不发生变化；
S7、使用犀牛软件中实体建模的相关功能，将多组轮廓线生成对应的断面，再由多组断面重新构建采空区的三维模型；
S8、与步骤S1～S7独立的，在其先、其后或同时进行的，根据矿山实际的地表等高线，在犀牛软件中赋予不同的高程，进而生成矿山地表实体模型；
S9、与步骤S1～S8独立的，在其先、其后或同时进行的，根据矿山地质勘探线，在犀牛软件中生成含有多种矿山地质地层地下实体模型；
S10、使用犀牛软件中布尔运算联集功能，将S8中得到的矿山地表实体模型和S9中得到的矿山地下实体模型结合在一起生成与实际现状相符合的矿山地层地貌三维实体模型；
S11、使用犀牛软件中布尔运算差集功能，将S7中得到的采空区三维模型与S10得到的矿山地层地貌三维实体模型相结合，生成含采空区的矿山三维实体模型；
S12、在犀牛软件中，对含采空区的矿山三维实体模型进行网格精细化划分，生成相应的网格文件；
S13、使用犀牛软件中的Griddle插件将含采空区的矿山三维网格文件导出为FLAC3d软件能识别的.flac3d文件；
S14、在FLAC3d软件中，赋予含采空区的矿山三维实体模型不同地层的力学参数、本构模型等，进而分析矿山采空区的稳定性。
进一步地，在步骤S1之前，由于扫描设备配套的软件对于闭合回路的解算效果优于非闭合回路，所以在扫描前应先熟悉井下环境，提前规划好扫描路线。
进一步地，在步骤S1中，若分多次扫描采空区，应确保每次扫描的部分有20％以上的重叠区域，方便后续对多组点云数据进行拼接。
进一步地，将扫描得到的采空区点云数据与采空区实际位置相对应，为后续数值模拟奠定基础。
进一步地，在步骤S1中，在扫描路线上布置三个坐标点，在坐标点处放置标靶球，扫描至标靶球附近时，围绕标靶球旋转一周，获得标靶球处的完整点云数据。
进一步地，在步骤S2中，将三处标靶球的实际地理空间坐标输入进采空区点云数据中进行坐标转换。
进一步地，在步骤S2中，标靶球实际地理坐标中的X坐标与点云数据中的Y坐标相对应；标靶球实际地理坐标中的Y坐标与点云数据中的X坐标相对应；标靶球实际地理坐标中的Z坐标与点云数据中的Z坐标相对应。
进一步地，在步骤S5中，将采空区实体模型保存为.3ds文件；在步骤S6中，将提取的多组断面轮廓线保存为.dxf文件。
进一步地，在步骤S11后，由于犀牛软件中实体模型离坐标原点越远，网格划分的精度越差，为提高网格精度，需将含采空区的矿山三维实体模型移动至坐标原点附近。
进一步地，在步骤S12中，生成的网格模型应具备焊接和不透水两个特性，焊接是指网格模型中网格点一一对应，不存在孤立的网格点；不透水是指网格都是密闭的，不存在外露的网格面；在步骤S1中，进行解算的软件是GeoSLAMHub软件。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明依据三维空间扫描设备获得采空区的点云数据，生成采空区实体模型，从而获得能反应采空区真实形态的断面轮廓线，以此为依据在犀牛软件中重新构建采空区的三维模型，为后续获得含采空区的矿山三维实体模型奠定基础。
(2)本发明依据矿山地表等高线及矿山地质勘探线，在犀牛软件中获得矿山三维实体模型，结合采空区三维模型，获得符合矿山实际情况的含采空区的矿山三维实体模型；结合FLAC3d软件，分析矿山采空区的稳定性情况，为矿山安全生产和后续的采空区治理提供准确的依据。
附图说明
图1是本发明的实施流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本发明实施例中提供一种含采空区的矿山三维精确模型的建模方法，包括以下步骤：
S1、使用三维空间扫描设备对矿山现有的采空区进行扫描，以数据点的形式记录采空区的大小形态。在扫描前应先熟悉井下环境，提前规划好扫描路线，尽可能让扫描路线形成一个闭合回路。若无法形成闭合回路，可采用分区域多次扫描的方式记录采空区的点云数据，此过程应确保每次扫描的部分有20％以上的重叠区域，便于后期对点云数据进行解算。同时，在扫描路线上提前确定三处坐标点，并放置标靶球，扫描至标靶球附近时，围绕标靶球旋转一周，获得标靶球处的完整点云数据，为后续将扫描得到的采空区点云坐标转换成实际地理空间坐标奠定基础；
S2、使用realworks软件，对多组点云数据进行拼接处理，获得完整的采空区点云模型文件。此过程主要是将三处标靶球的实际地理空间坐标输入进采空区点云数据中进行坐标转换。值得注意的是，标靶球实际地理坐标中的X坐标与点云数据中的Y坐标相对应；标靶球实际地理坐标中的Y坐标与点云数据中的X坐标相对应；标靶球实际地理坐标中的Z坐标与点云数据中的Z坐标相对应；
S3、将拼接好的采空区点云模型文件导入到CloudCompaer软件中，对数据采集过程中由于人员、井下设备等带来的数据误差进行降噪处理，获得精准的采空区点云模型文件，并保存成.obj格式的点云文件；
S4、将保存的.obj格式的点云文件导入GeomagicStudio软件中，先统一法线方向，再生成网格模型，进而生成采空区实体模型，并保存成.3ds格式文件；
S5、将保存的.3ds格式的采空区实体模型文件导入3DMine软件中，按照后续数值模拟的需求，对采空区实体模型进行切片并提取切片处的断面轮廓线，保存成.dxf格式文件；
S6、将保存的.dxf格式的断面轮廓线文件导入犀牛软件中，此过程应确保轮廓线的相对位置不发生变化；
S7、使用犀牛软件中实体建模的相关功能，先将多组轮廓线生成对应的断面，再由多组断面生成相应的三维实体模型，即可得到符合实际的三维采空区实体模型；
S8、根据矿山实际的地表等高线，在犀牛软件中赋予不同的高程，进而生成与实际相符合的地表面实体模型；
S9、根据矿山地质勘探线，在犀牛软件中生成符合矿山现场的含有多种矿山地质地层的地下实体模型；
S10、使用犀牛软件中布尔运算(联集)功能，将S8中得到的矿山地表实体模型和S9中得到的矿山地下实体模型结合在一起生成与实际现状相符合的矿山地层地貌三维实体模型；
S11、使用犀牛软件中布尔运算(差集)功能，将S7中得到的采空区三维模型与S10得到的矿山地层地貌三维实体模型相结合，生成含采空区的矿山三维实体模型，并将得到的实体模型移动至坐标原点附近，以提高后续网格划分时的精度；
S12、在犀牛软件中，对含采空区的矿山三维实体模型进行网格精细化划分，生成相应的网格文件。此过程应确保生成的网格模型具备“焊接”和“不透水”两个特性。焊接是指网格模型中网格点一一对应，不存在孤立的网格点；不透水是指网格都是密闭的，不存在外露的网格面；
S13、使用犀牛软件中的Griddle插件将含采空区的矿山三维网格文件导出为FLAC3d软件能识别的.flac3d文件；
S14、在FLAC3d软件中，赋予含采空区的矿山三维实体模型不同地层的力学参数、本构模型等，进而分析矿山采空区的稳定性。
在步骤S14中，通过编写不同的命令流可分析模型在渗流作用、爆破振动作用、高温作用等情况下的稳定性情况，也可分析充填方量、充填强度等对采空区稳定性的影响。主要通过如下数据分析论证采空区的稳定性情况：最大主应力云图、最小主应力云图、剪切应力云图、竖向位移云图、塑性区分布图等。
综上所述，本发明提出的一种含采空区的矿山三维精确模型的建模方法，依据三维空间扫描设备获得采空区的点云数据，生成采空区实体模型，从而获得能反应采空区真实形态的断面轮廓线，以此为依据在犀牛软件中重新构建采空区的三维模型，为后续获得含采空区的矿山三维实体模型奠定基础；依据矿山地表等高线及矿山地质勘探线，在犀牛软件中获得矿山三维实体模型，结合采空区三维模型，获得符合矿山实际情况的含采空区的矿山三维实体模型；结合FLAC3d软件，分析矿山采空区的稳定性情况，为矿山安全生产和后续的采空区治理提供准确的依据。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种含采空区的矿山三维精确模型的建模方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1、使用三维空间扫描设备对矿山现有的采空区进行扫描，并利用配套的软件进行解算，获得采空区的点云数据；
S2、使用realworks软件，对多组点云数据进行拼接处理，获得完整的采空区点云模型文件；
S3、将拼接好的采空区点云模型文件导入到CloudCompaer软件中，对数据采集过程中由于人员、井下设备等带来的数据误差进行降噪处理，获得精准的采空区点云模型文件；
S4、将降噪处理后的采空区点云模型文件导入GeomagicStudio软件中，先统一法线方向，再生成网格模型，进而生成采空区实体模型；
S5、将采空区实体模型保存为3DMine软件可识别的文件类型，并在3DMine软件中打开，按照数值模拟的精度要求对采空区实体模型进行切片并提取断面轮廓线；
S6、将提取的多组断面轮廓线保存为犀牛软件可识别的文件类型，并导入到犀牛软件中，此过程中应确保轮廓线的相对位置不发生变化；
S7、使用犀牛软件中实体建模的相关功能，将多组轮廓线生成对应的断面，再由多组断面重新构建采空区的三维模型；
S8、与步骤S1～S7独立的，在其先、其后或同时进行的，根据矿山实际的地表等高线，在犀牛软件中赋予不同的高程，进而生成矿山地表实体模型；
S9、与步骤S1～S8独立的，在其先、其后或同时进行的，根据矿山地质勘探线，在犀牛软件中生成含有多种矿山地质地层地下实体模型；
S10、使用犀牛软件中布尔运算联集功能，将S8中得到的矿山地表实体模型和S9中得到的矿山地下实体模型结合在一起生成与实际现状相符合的矿山地层地貌三维实体模型；
S11、使用犀牛软件中布尔运算差集功能，将S7中得到的采空区三维模型与S10得到的矿山地层地貌三维实体模型相结合，生成含采空区的矿山三维实体模型；
S12、在犀牛软件中，对含采空区的矿山三维实体模型进行网格精细化划分，生成相应的网格文件；
S13、使用犀牛软件中的Griddle插件将含采空区的矿山三维网格文件导出为FLAC3d软件能识别的.flac3d文件；
S14、在FLAC3d软件中，赋予含采空区的矿山三维实体模型不同地层的力学参数、本构模型等，进而分析矿山采空区的稳定性。
2.根据权利要求1所述的一种含采空区的矿山三维精确模型的建模方法，其特征在于：在步骤S1之前，在扫描前应先熟悉井下环境，提前规划好扫描路线。
3.根据权利要求1所述的一种含采空区的矿山三维精确模型的建模方法，其特征在于：在步骤S1中，若分多次扫描采空区，应确保每次扫描的部分有20％以上的重叠区域，方便后续对多组点云数据进行拼接。
4.根据权利要求1所述的一种含采空区的矿山三维精确模型的建模方法，其特征在于：将扫描得到的采空区点云数据与采空区实际位置相对应，为后续数值模拟奠定基础。
5.根据权利要求4所述的一种含采空区的矿山三维精确模型的建模方法，其特征在于：在步骤S1中，在扫描路线上布置三个坐标点，在坐标点处放置标靶球，扫描至标靶球附近时，围绕标靶球旋转一周，获得标靶球处的完整点云数据。
6.根据权利要求4所述的一种含采空区的矿山三维精确模型的建模方法，其特征在于：在步骤S2中，将三处标靶球的实际地理空间坐标输入进采空区点云数据中进行坐标转换。
7.根据权利要求6所述的一种含采空区的矿山三维精确模型的建模方法，其特征在于：在步骤S2中，标靶球实际地理坐标中的X坐标与点云数据中的Y坐标相对应；标靶球实际地理坐标中的Y坐标与点云数据中的X坐标相对应；标靶球实际地理坐标中的Z坐标与点云数据中的Z坐标相对应。
8.根据权利要求1所述的一种含采空区的矿山三维精确模型的建模方法，其特征在于：在步骤S5中，将采空区实体模型保存为.3ds文件；在步骤S6中，将提取的多组断面轮廓线保存为.dxf文件。
9.根据权利要求1所述的一种含采空区的矿山三维精确模型的建模方法，其特征在于：在步骤S11后，需将含采空区的矿山三维实体模型移动至坐标原点附近。
10.根据权利要求1所述的一种含采空区的矿山三维精确模型的建模方法，其特征在于：在步骤S12中，生成的网格模型应具备焊接和不透水两个特性；在步骤S1中，进行解算的软件是GeoSLAMHub软件。
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