红岭铅锌矿的虚拟现实系统

赵 永 杨天鸿 解联库 朱根鹏 胡高建 张 飞(1.深部金属矿山安全开采教育部重点实验室，辽宁 沈阳 110819；2.东北大学资源与土木工程学院，辽宁 沈阳 110819；3.北京矿冶研究总院矿山工程研究所，北京 100160；.内蒙古赤峰红岭有色矿业有限责任公司，内蒙古赤峰 02550)

·机电与自动化·

红岭铅锌矿的虚拟现实系统

赵 永1,2杨天鸿1,2解联库2,3朱根鹏4胡高建1,2张 飞1,2
(1.深部金属矿山安全开采教育部重点实验室，辽宁 沈阳 110819；2.东北大学资源与土木工程学院，辽宁 沈阳 110819；3.北京矿冶研究总院矿山工程研究所，北京 100160；4.内蒙古赤峰红岭有色矿业有限责任公司，内蒙古赤峰 025450)

根据红岭铅锌矿的实际情况，基于VR技术建立了一整套矿山虚拟现实系统。针对VR技术在矿山中应用的不足之处，对虚拟现实系统构建软件进行了二次开发，加强其对外部数据的集成与可视化，实现对微震数据、应力场、位移场、塑性区以及理论计算结果的真三维显示。该矿山虚拟现实系统不仅包含了地表、工业场地、矿体、井巷、采场以及回采动画等矿山三维模型场景，还包含了一些数据、数值结果的显示，具有虚拟场景漫游、信息查询、数据立体呈现和交互控制等功能。针对红岭铅锌矿的大量采空区，通过对虚拟现实系统中众多重要三维数据的联合解读和分析，实现对采空区围岩稳定性的评价以及危险区域的确定，提高了VR技术在矿业领域的应用性。

三维模型 VR技术 数据集成 采空区稳定性

矿体是一个多介质的复杂结构空间体，其中一些不连续的空间结构体展布特征对采矿活动的进行尤为重要，且随着矿石开采的不断进行，围岩运动以及矿体压力都在不断地发展和变化着，发生灾变的条件随时可能遇到，且在开采过程中会产生大量的时变地质信息数据。利用传统的二维图表或在各个系统完全独立运行的条件下，人们将很难理解复杂空间中各数据集的时变过程，难以利用这些数据来推断地质信息在研究区域内的发育分布规律。除此之外，矿山岩体具有动态稳定性的特点，故对采空区稳定性的评价不能以单一因素进行评价，而需综合多元因素、多手段、全过程、分阶段的动态评价。所以急需一门技术来反映地质信息、岩石力学信息、应力信息以及联合集成多方数据。虚拟现实技术的出现，可适时地解决这一问题。利用虚拟现实技术，将采矿活动的各个环节编制成交互性强的可视化系统，可将地质资料、矿体模型、岩石力学、数值模拟等模块结合在一起，供用户分析和考虑多方面的因素，可对各研究区域的稳定性进行综合分析、危险区域定位，提高生产进度及安全[1]。

1 虚拟现实概要

20世纪80年代初，美国人Jaron Lanier提出了“Virtual Reality”的概念。Grigore C.Burdea和Philippe Coiffet在《Virtual Reality Technology》把虚拟现实技术定义为一种高端的人机接口，包括视觉、听觉、触觉、嗅觉和味觉等多种感觉通道的实时模型和实时交互[2]。VR技术能为矿山用户提供一种逼真的三维虚拟矿山环境，使用户不仅可以沉浸在虚拟矿山场景中，产生“身临其境”的感觉，还可以与之进行实时交互，用户可以沉浸于数据空间，能以更自然、更直接的方式与数据交互，这是传统的二维CAD设计图和预渲染回放的三维动画所无法达到的[3-4]。我国矿业领域VR的研究尚处于初级阶段。近年来，许多与矿业有关的科研院校相继建立了矿山虚拟现实实验室，在矿山VR领域取得了一定的成绩，例如：东北大学虚拟现实实验室结合石人沟铁矿开发了石人沟铁矿虚拟现实系统，该系统实现了模型的真三维显示、漫游、数据查询，还实现了对微震数据、安全系数等重要信息的集成[5]；中国矿业大学与德国DMT大学合作，把矿井决策模拟系统STMBERG应用于真实矿井中，可模拟井下火灾的发生过程、变化趋势[6]；西安科技大学采矿数字化实验室研发了煤矿实地仿真教学系统，模拟了矿井从地面到工作面的巷道系统[7]等。

本研究通过结合赤峰红岭铅锌矿的实际情况，建立虚拟现实系统，真三维的表现矿山数据。并通过对虚拟现实构建软件的二次开发，实现对结构面信息、应力场、微震信息等数据的三维可视化表达，可依据集成结果对采空区围岩、顶板的稳定性进行联合评价，并确定出危险区域，加强监测与防护。扩展了虚拟现实技术在矿山中的实际应用性，并为采空区的评价提出了一种可行方法。

2 红岭铅锌矿VR技术系统

2.1 系统研发的总体思路

红岭铅锌矿虚拟现实系统研发的思路如图1所示。

图1 虚拟现实系统研发思路

系统构建流程可分为5个阶段：

(1)建立红岭铅锌矿三维模型。根据现场所收集的资料和数据，利用三维建模软件进行整个矿山的三维模型(地表、建筑、矿体、井巷、采空区、顶板、矿山设备等)和制作相关的采矿工艺动画。

(2)外部数据的集成与可视化。对数值模拟得到的应力场、塑性区、位移场，利用3GSM测试得到的结构面结果以及初步监测得到的微震信号等进行三维重构。将重构后的三维模型，集成并可视化到虚拟现实系统中。

(3)建立数据查询系统。利用现场收集的地质数据、图像数据、属性数据与建立的三维模型联系起来，建立数据查询系统，实现直观了解模型信息。除此之外，还将数值模型结果以及通过Mathews计算得到的采空区稳定性信息建立评价数据库，可直观了解每个采场的稳定性情况。

(4)交互控制。通过一系列脚本、窗口、控件的设置来实现对虚拟现实系统的交互式控制，包括模型的显示与隐藏、场景切换、数据查询、角色漫游等。

(5)真三维立体显示。利用东北大学主动立体显示设备，真三维地显示构建的红岭铅锌矿虚拟现实系统，让用户身临其境地解读模型之间的立体关系、采空区的稳定性情况等信息。

2.2 红岭铅锌矿工程概述

红岭铅锌矿矿区位于内蒙古赤峰市，属于矽卡岩型多金属矿。矿化带走向55°～59°，倾角较陡65°～85°。矿区成矿带是沿大理岩层间及其顶底板分布，故矿体的围岩在1#矿体下盘和2#矿体下盘分布有矽质板岩、板岩；位于1#矿体的上盘和2#矿体下盘分布有大理岩；矿体赋存在矽卡岩带之中，矿体的直接围岩为矽卡岩。矿体中夹石有板岩、大理岩和矽卡岩。

2010年之前，矿区开采中段为1、2、3中段，因技术、规范、管理以及之前的民采等原因，未形成统一的规划开采，导致3中段及其以上矿体残留大量矿柱，严重浪费了矿产资源。不仅如此，十几年的矿山开采，采空区大量存在。据统计，863 m中段(5中段)以上采空的矿房有80个，其中2#矿体24个，1#矿体56个。1 035 m(1中段)中段有9个，995 m(2中段)中段有19个，955 m(3中段)中段有28个，905 m中段(4中段)20个。如图2所示。

图2 矿房空间分布

严格地说，目前该矿山的采空区应该是采空的矿房，并且大部分矿房没有冒顶、片落等现象。然而空区暴露时间越长，矿岩变形越严重，稳固性越差。现在大部分矿房均已无法进入，故无法对其进行详细的现场勘察。现阶段矿区要回收4中段以上残留的矿柱，采空区的稳定性对矿柱的回收起到至关重要的作用。故需对采空区稳定性进行分析，为矿柱回收方案的选取提供依据。

2.3 三维场景建立

三维模型的建立可以增强地质数据的表现力和可用性，为地质工作者在三维空间中观察、分析地质现象以及空间分布提供重要手段[8]。

(1)三维地质模型的建立，根据现场提供的地表地形图，利用3DMine矿业工程软件，对地表地形图中的等高线进行赋高程、生成DTM面等操作，并生成具有高低起伏的真实三维地形表面。根据矿山提供的地质剖面图、勘探线剖面图，利用3DMine中的坐标转换功能对中段平面图和勘探线剖面图进行坐标调整，进而利用生成三角网的操作形成矿体、顶板、矿房、间柱等操作。最后在3Ds Max里对在3DMine中建立的三维模型进行材质处理，形成具有真实特性的三维模型。如图3所示。

图3 三维地质模型

(2)工业场地模型。根据地表地形图中工业场地的布置以及现场采集的图像信息，利用建筑设计软件，按照1∶1的比例构建工业场地建筑模型，构建完毕后在3Ds Max中对建筑进行纹理映射，使之更加真实。构建后的模型如图4。

图4 工业场地模型

(3)井巷模型的建立。根据现场提供的中段平面图，利用3DMine软件由腰线生成巷道再生成各中段的巷道。利用连接三角网的方式生成主井、副井、回风井、箕斗井。另外，为了真实呈现现实巷道形态，为后续采矿工艺动画提供场景，并为结构面的展示提供真实的环境，故需在3Ds Max中利用FFD、噪波等操作对863、905、955 m水平部分区段进行重新构建，生成具有凹凸立体感的巷道。

(4)设备模型。根据从现场测量的设备尺寸与采集的实体图像建立设备模型并赋予相应材质，建立设备模型的目的是为了后续采矿工艺动画的制作提供素材。设备模型的建立与采矿工艺动画的制作，都在3Ds Max中进行。将抽象的地下工程已生动的三维动画展示给用户，对矿山的教学和培训有一定的帮助作用。图5为采场内的铲运机正在运搬矿石，图6为矿车在等待放矿机放矿。

图5 铲运机运搬

图6 矿车运输

2.4 数据集成

将多种数据信息集成到一个可视化平台中供人们全面、综合的分析，不仅是提高防灾抗灾能力中十分关键和亟待解决的问题，还是将各个系统发挥到最大、最有力的途径。由此可见集成大量的外部数据是稳定性评价的重中之重。

(1)岩体结构面测量结果的集成与可视化。工程岩体的软弱结构面，对岩体稳定性影响较大，其形状、力学性质及空间组合条件，在某种程度上控制着矿山地压活动与岩体的冒落过程。应用ShapeMetriX 3D对红岭铅锌矿进行结构面调查，获得结构面的详细信息为采空区稳定性研究提供数据基础。对结构面调查的结果进行三维重构，并可视化到虚拟现实系统中，直观地了解特殊区段的岩体状况并可查询结构面结果。如图7所示。

图7 岩体结构面的可视化

(2)数值模拟结果的集成与可视化。通过编写程序代码，对虚拟现实系统构建软件进行二次开发，将应力场、塑性区等数据集成并可视化虚拟现实系统中。真三维的显示数值场景，直观地显示应力集中区域以及集中程度等信息，便于加强开采区域的监管与防护。如图8所示。

(3)微震数据的集成与可视化。由于微震是矿岩变形、裂纹开裂及扩展过程的伴生现象，微震事件的位置与强度反映了岩体内的变形或破坏的位置及其强度。利用东北大学虚拟现实实验室自主研发的定位程序，获取微震事件的坐标，以微震小球的形式集成到可视化系统中。集成微震数据不仅能够起到监测灾害的目标，还能起到预警的作用。图9为微震

图8 应力场可视化

数据的可视化结果。

图9 微震数据可视化

除此之外，系统对岩石力学数据、岩体力学数据以及关键块体都进行了集成与可视化，便于用户对矿体性质不仅有感性的认识还具有理性的认识。

2.5 数据库信息查询

VR技术可以将矿山的数据信息真三维呈现给用户，但是单纯的观看三维模型无法全面、准确地了解所有信息。有些重要信息是无法通过三维图形“看”出来的，例如采场特征、矿石储量、人员信息等。故有必要建立一个包含所有重要信息的数据库，并且要实时更新，真实、准确地呈现数据。信息查询系统的建立是通过虚拟现实平台中模型与数据库的ADO接口实现的。通过将模型与数据库进行链接，实现双击模型查询对应区域的数据信息(如图10)。

图10 采空区信息查询

2.6 交互控制

将三维模型、动画导入虚拟现实系统构建软件中，并完成数据库查询系统的制作后，需要建立一套完整的人性化控制系统——交互控制，以达到用户对虚拟场景的交互控制，如人员的虚拟漫游、动画的播放、结构面计算过程的演示、数值模拟结果各剖面结果的展示等等。这些功能都可以通过自主编写脚本来实现，最终通过设置相应控件来实现对脚本的控制。最终建成的虚拟现实系统如图11所示。

图11 虚拟现实系统界面

2.7 采空区稳定性评价

采空区稳定性分析方法有多种，如工程类比法、数值模拟法、稳定性监测、预计法、不确定系统分析法[9]。采用Mathews稳定图法和数值模拟对红岭铅锌矿采场稳定性进行综合分析。Mathews稳定图法是一种相对简单、理论上并不严密而基于实践的一个计算方法，计算过程以2个因子——稳定数N和水力半径R的计算为基础，然后将这2个因子绘制在划分为稳定区、过渡区和崩落区的图上，得出稳定性结果[10-12]。利用VR技术将以上数据可视化到虚拟现实系统中，对所有可视化数据进行联合解读，综合分析采空区稳定性，并确定出危险区域。

根据现场岩体调查情况、岩石力学实验以及由各中段平面图得到的采空区几何性质、岩体RMR值、Q分级结果、结构面参数等数据，利用Mathews稳定图法，求出各采空区的上盘围岩稳定性情况。将计算结果编制成数据库集成到可视化系统中，以便与数值模拟一起进行联合解读。图12为集成的Mathews计算结果(考虑文章篇幅，只列出3中段计算结果数据库)。

从图12中可以看出，绝大多数采场处于稳定区，个别采场围岩稳定性处于过渡区。3中段3102、3103、3104、3105采场处于过渡区，岩性为白理岩，岩性较弱；采场尺寸比同岩性采场尺寸大，暴露面积大，稳定性差。4中段4204、4102、4103、4102、4100采场处于过渡区，分析原因与3中段相同。因此，对上述采场需考虑加强支护来维持上盘围岩的稳定性。

从图8中可以看出局部矿房顶板有明显拉应力集中，其中三中段3109、3110采场，四中段4103、4104、4106、4108采场拉应力最大值约为1.2 MPa，四

图12 集成的Mathews计算结果

中段4102、4105采场拉应力集中更为明显，约为1.47 MPa，但最大拉应力也小于岩体抗拉强度2 MPa。采场顶板足以维持自稳。

从图13中可以分析得到，在回采3、4中段矿房后，局部顶柱及围岩上盘出现塑性区，发生塑性区的位置与出现较大拉应力位置相对应。主要发生位置为4中段4102、4105、4106、4107、4108矿房顶板，4100、4102、4103矿房上盘也出现局部塑形破坏，与利用Mathews稳定图法计算得到的过渡区相对应。出现塑形破坏主要原因是采场顶板或者上盘围岩跨度较大造成的。出现的塑性区未出现大面积连通现象，不足以引起大规模垮塌。

图13 塑性区可视化

从图14(a)中可以看出，在4中段4102、4104、4105、4108采场顶板出现明显的位移沉降，与出现塑性破坏以及拉应力集中位置相对应，最大位移为3 mm。从图14(b)可以看出在矿体较薄但沿走向跨度较大的4200、4100、4101、4102/4103采场顶板也有1.5 mm沉降，这些采场处于过渡区。

图14 位移场三维可视化

综上所述，综合Mathews稳定图法的计算结果以及数值模拟结果，应对3中段3102、3103、3104、3105采场，4中段4204、4102、4103、4101、4100采场围岩进行加强支护。应重点对4中段4102、4105、4106、4107、4108采场顶板进行监测，加强监管与防护措施，这些采场不仅有拉应力集中、位移沉降也比较大。

4 结 论

(1)利用VR技术构建了红岭铅锌矿虚拟现实系统，不仅建成了大量的三维模型、虚拟矿山场景，而且将繁冗的数据信息以真三维的形式呈现出来。可方便联合解读，增强三维数据的立体表现，便于对数据进行分析、表达和利用。

(2)对虚拟现实构建软件进行了二次开发，增强了其对外部数据的集成性，使其能够集成应力场数据、位移场数据以及微震数据。提高了VR技术在矿业领域的应用性，实现了利用VR技术集成外部数据对采空区围岩稳定性进行联合解读、辅助分析。

(3)根据联合Mathews稳定图法的计算结果和数值模拟结果的应力场、位移场、塑性区数据，综合分析出应对3中段3102、3103、3104、3105采场，4中段4204、4102、4103、4101、4100采场上盘围岩加强支护。对4中段4102、4105、4106、4107、4108采场顶板进行重点监测，加强监管与防护措施。

[1] 李仲学,李翠平,李春民,等.地矿工程三维可视化技术[M].北京:科学出版社,2007. Li Zhongxue,Li Cuiping， Li Chunmin,et al.The Technology of 3D Visualization of Geological and Mining Engineering [M].Beijing：Science Press,2007.

[2] 杨 颂,费敏锐.虚拟现实技术在现场监控系统中的实现探索[J].微计算机信息,2002,4(3):21-23. Yang Song，Fei Minrui.The research of using the technology of virtual reality to realize monitor system[J].Microcomputer Information,2002,4(3)：21-23.

[3] 张瑞新,任廷祥,Schofield D,等.虚拟现实技术及其在采矿工程中的应用[J].中国矿业大学学报,1998,27(3):230-234. Zhang Ruixin,Ren Tingxiang,Schofield D,et al.Virtual reality and Its application in mining engineering[J].Journal of China University of Mining & Technology,1998,27(3):230-234.

[4] 张能福,何新矿,阎旭骞.虚拟现实技术及其在采矿中的应用[J].金属矿山，2002(11):23-25. Zhang Nengfu,He Xinkuang,Yan Xuqian.Virtual reality technology and its application in mining engineering[J].Metal Mine,2002(11):23-25.

[5] 张鹏海，杨天鸿，刘洪磊，等.张马屯铁矿开采虚拟现实系统的建立及应用[J].金属矿山,2011(3):117-121. Zhang Penghai，Yang Tianhong，Liu Honglei， et al.Establishment of the virtual reality system of mining in Zhangmatun Iron Mine and application[J].Metal Mine,2011(3):117-121.

[6] 兰泽全，李其中，徐景德.虚拟现实技术在煤炭安全中应用的现状及分析[J].煤炭科学技术,2006,34(11):56-59. Lan Zequan,Li Qizhong,Xu Jingde.Present status and analysis on virtual reality technology applied to mine safety[J].Coal Science and Technology,2006,34(11):56-59.

[7] 丁 剑,魏 昕,景永俊.基于Web的虚拟现实的研究与应用[J].电脑知识与技术,2009,33(5):9583-9585. Ding Jian,Wei Xin,Jing Yongjun.Research and application of virtual reality based on Web[J].Computer Knowledge and Technology,2009,33(5):9583-9585.

[8] 武 强,徐 华.虚拟地质建模与可视化[M].北京：科学出版社,2011. Wu Qiang,Xu Hua.Virtual Geological Modeling and Visualization[M].Beijing:Science Press,2011.

[9] Brown E T.Rock mechanics in Australia[J].International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences，2002(39)：529-538．

[9] 李爱兵.缓倾斜层状矿体崩落步距的Mathews稳定图方法研究[J].中国矿业,2007,16(2):67-69. Li Aibing,Caving spacing study for the flat inclined layered ore-body by Mathews method[J].China Mining Magazine,2007,16(2):67-69.[10] Miline D,Hadjigeorgiou J,Pakalnis R.Rock mass characterization for underground hard rock mines[J].Tunnelling and Underground Space Technology,1998(13):383-391.

[11] Mawdesley,Trueman R,Whiten W J.Extending the Mathews stability graph for open-stope design[J].Mining Technology:IMM Transactions,2001,10(1):27-39.

(责任编辑 徐志宏)

Hongling Lead-zinc Mine′s Virtual Reality Technology

Zhao Yong1,2Yang Tianhong1,2Xie Lianku2,3Zhu Genpeng4Hu Gaojian1,2Zhang Fei1,2
(1.KeyLaboratoryofMinistryofEducationonSafeMiningofDeepMetalMines,Shenyang110819,China;2.SchoolofResource&CivilEngineering,NortheasternUniversity,Shenyang110819,China;3.InstituteofMiningEngineering,BeijingGeneralResearchInstituteofMinging&Metallurgy,Beijing100160China；4.ChifengHonglingNonferrousMetalMiningCo.,Ltd.,Chifeng025450China)

Combining with actual situation of Hongling Lead-zinc Mine,a set of mine virtual reality system based on the virtual reality technique was built.According to the shortcomings of the application of virtual reality technology in mine,the virtual reality software was secondly developed to strengthen the integration and visualization of the external data and to realize the true 3D display of seismic data,the stress field,displacement field,plastic zone and the theoretical results.This mine virtual reality system not only contains the 3D mine model scene,such as surface,industrial sites,ore,stope and drift,mining technology of animation,but also includes a display of some data,the numerical results.The system has the functions of virtual scene roaming,information query,data stereo presentation and interaction control function etc.Due to a large number of mined out area in Hongling Lead-zinc Mine,the stability of goaf is evaluated,the dangerous area is determined to improve the application of virtual reality technology in mining areas,through the interpretation and analysis of these important 3D data.

Three dimensional model,VR technology，Data integration,Goaf stability

2014-10-10

国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(编号：2013CB227902)，国家自然科学基金项目(编号：1174045)，国家自然科学基金重点项目(编号：51174045)。

赵 永(1991—)，男，博士研究生。

TD 862.2,TD 862.3,TP391.9

A

1001-1250(2015)-01-098-06