3 DMAX在煤矿数字化中的应用

刘新河 李哲宁 于海洋 王 鹏

（河北工程大学，河北省邯郸市，056038）

3 DMAX在煤矿数字化中的应用

刘新河 李哲宁 于海洋 王 鹏

（河北工程大学，河北省邯郸市，056038）

井下三维巷道的可视化是数字矿山研究领域的关键问题之一。详细阐述了矿山数字化的建模背景和如何利用3DMAX软件技术来进行三维巷道建模。

数字化矿井 3DMAX 巷道建模 三维巷道

随着信息技术的发展，人们对建立科学现代化的矿山管理系统提出了更高的要求。其中数字化矿山技术在矿山实际生产、开发中发挥着越来越重要的作用。而数字化矿山中三维实体可视化，特别是井下巷道的可视化更是研究的重中之重。我国矿山三维可视化建模的研究和应用始于20世纪80年代初，到现在已有较成熟的研究和应用。

1 建模背景

根据2005-2010年计算机文献检索情况来看，国内有关三维数值建模、三维网络矿图方面的研究较少，在煤炭工业中的应用就更少，这对本文的研究提供了广阔的发展空间。本文研究基于三维建模技术和虚拟现实理论，结合计算机图形学，在Windows桌面操作系统环境下，基于煤矿井下结构布置实际情况，通过3DMAX软件绘制出基本三维矿井模型。实现了矿井模型的三维可视化与任意角度的展示，对煤矿安全生产、井下生产科学管理具有指导意义。随着煤炭工业的高速发展，对煤矿井下空间布置和煤层空间位置的可视化要求越来越高。通过井下空间数据的处理，将井下实体对象与相关信息结合起来，借助图形图像及3DMAX系统仿真技术，实现空间信息的可视化表达，动态和实时的三维结构能够更好地表示井下结构的变化过程，为生产和决策服务。

2 巷道三维建模

建模初期由于时间和技术原因，巷道断面在Auto-CAD中生成，之后由3DMAX工具栏中“文件”下拉菜单中的 “导入”命令，之后在3DMAX中进行操作。可直接在3DMAX中做出巷道断面，之后直接对断面进行 “挤出”操作，生成巷道模型。

本文以半圆拱巷道为例，介绍巷道在3DMAX中的生成、移动和旋转。为便于理解和显示，3种巷道的实长均取30 m。

半圆拱巷道的生成：设半圆拱巷道宽为3000 mm，高为3500 mm。在利用 “几何体”下拉菜单中 “标准基本体”中的 “长方体”和 “管状体”做出半圆拱巷道草图，其中长方体的长和宽分别为2000 mm×3000 mm和2400 mm×3500 mm。

管状体内径和外径分别为3000 mm和3500 mm。分别选中两个长方体和管状体，单击 “修改”命令图标，把高度调整为30000 mm。单击工具栏 “移动”命令图标，把各对象移到相应位置。布尔运算前的巷道断面顶视图见图1，布尔运算前的巷道断面透视图见图2。

选中较小的长方体，按 “shift”键，单击小长方体，输入复制 “副本数”为2。选中管状体，单击 “几何体”命令按钮，在其下拉菜单中选择 “复合对象”，单击 “布尔”命令按钮，在其下拉菜单中选择 “拾取操作对象B”，单击小长方体进行布尔运算；之后先点击大长方体，再选择小长方体进行布尔运算，布尔运算后的巷道断面顶视图见图3，布尔运算后的巷道断面透视图见图4。

为使巷道整体颜色一致，在顶视图中框选巷道，单击 “颜色”按钮，选择适当的颜色，得到同颜色的巷道。

拱形巷道的移动：拱形巷道生成后，其拱和两帮并不是统一整体，需在顶视图中框选巷道，单击工具栏中的 “组”按钮，单击下拉菜单中的 “成组”选项，此时巷道中心移动到巷道空间的几何中心。为了使巷道定位准确，选中巷道，单击 “移动”，在屏幕下方的X、Y中的数值均改为0。按单击工具栏 “层次”按钮，选择 “轴”按钮，点击下拉菜单中的 “仅影响轴”按钮，把Z的定位坐标值改为0，之后再次单击 “仅影响轴”按钮，完成对巷道定位中心的移动。选中巷道，就可跟据实际需要，在屏幕下端的数据框内输入巷道端头的X、Y、Z坐标，再把巷道移动至指定位置。

拱形巷道的角度调整：假设巷道上端头定位在20 m、30 m、40 m，巷道底板中心线与水平面夹角为32°，其在水平面上的投影与Y轴所成角度为44.5°。当巷道端头移动到指定位置后，单击工具栏上的 “选择并旋转”命令按钮，在屏幕下端的X、Y、Z各轴旋转角度参数栏中分别输入122、0、44.5，因为巷道生成时的延伸方向为Z轴正向，要使巷道底板中线与水平面成32°夹角，则巷道需沿X轴旋转90°＋32°＝122°。输入数据后得到的三视及透视图，拱形巷道的定位见图5。

图5 拱形巷道的定位

本文只是针对一个巷道进行了建模分析，而巷道的实际情况却都是不同的，但建模方法却是一样，最后再把各个巷道进行衔接，在这个过程中会遇到一些问题需要注意：

（1）各段巷道编号应准确有序，在图纸上测量巷道长度时应力求准确，并做好原始数据的存档。

（2）准确测算出各段巷道上端头的空间坐标，确保巷道搭接良好。

（3）由于巷道段数较多，数据量大，建模时应多加注意，防止因输错参数导致巷道位置错误。

（4）巷道系统建模后期，巷道段数增多，如果电脑配置较低，电脑反应变慢，可把一些无关巷道设置成隐藏，待需要时再使其显示。

（5）对于一些关联紧密、数量较多、长度较短的巷道，可使其成组，减少调整巷道位置时的工作量。

（6）在左视图或前视图中调整巷道位置时，为了使巷道搭接准确，可隐藏阻碍视线的巷道。

3 意义

煤矿地下生产作业的人员集中，煤矿生产环境灾害的多样性、不确定性、高发性和突发性，地质条件复杂，突发事故较多，一线工人技术素质较低，这些使得煤矿生产安全管理要求严、风险高、决策难度大且有诸多不确定的因素。这意味着煤炭生产安全管理的实质是一个包含了决策者、生产者、生产设备和生产环境的带有很多不确定性和模糊性决策因素的复杂管理系统工程。矿山生产属于真三维操作，地下巷道作为矿山中最重要的空间要素，将巷道布置进行真三维可视化，模拟井下关键生产设备及区域的生产过程，生成三维立体图形，人们可以更加深刻地了解井下现场实际工作环境，明确各采掘工程之间的位置和关系，从而更好地进行生产组织与管理、灾害预测与评估和矿山事故分析与再现，对提高矿山生产管理水平、确保矿山安全生产和系统优化设计等具有重要的实用价值。

本文从巷道建模、立体显示等功能出发，结合3DMAX技术阐述了其具体实现过程。实践证明，本文中所述方法可以有效对三维巷道进行建模，提高数字矿山中巷道的信息化管理水平。同时本文的研究成功将会对煤矿职工安全生产技术培训、远程教育、矿井设计优化、抢险救灾、信息查询及管理决策提供有力技术支持，为矿井的安全生产，科学管理发挥重要作用。促使矿井生产向安全、高效、高产的方向发展，充分体现以人为本、先进技术必须与人相结合的科学管理思想。

［1］韩瑞栋.煤矿三维可视化系统关键技术研究与实现［D］.济南：山东科技大学，2007

［2］张志华.矿山测量数据处理与三维巷道建模方法研究 ［D］.西安：西安科技大学，2006

［3］梅志恒.数字矿山巷道三维管理的研究与设计 ［D］.武汉：中国地质大学 （武汉）信息工程学院，2009

The application of 3DMAX on digital mine

Liu Xinhe，Li Zhening，Yu Haiyang，Wang Peng
（Hebei University of Engineering，Handan，Hebei 056038，China）

The digital mine has been a research hotspot in recent years，while the underground tunnel in three-dimensional visualization（3D）is one of the key issues in the field.This article describes in detail the meaning of the digital mine and how to use 3DMAX to conduct threedimensional tunnel modeling.

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TD67

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刘新河 （1954-）男，河北邯郸人，教授，现从事采矿工程专业的教学与科学研究工作。

（责任编辑 张艳华）