基于逆向建模技术的金属矿山空区探测与治理研究

2020-08-15郝圣旺张海清史先锋田一麟

金属矿山 2020年7期

王虎郝圣旺张海清史先锋田一麟

（1.中国安全生产科学研究院，北京100012；2.燕山大学建筑工程与力学学院，河北秦皇岛066004；3.河北大学建筑工程学院，河北保定071002）

我国金属矿山采空区存量规模巨大，环境条件复杂，形态千差万别，形成方式也各有不同。采空区是伴随金属矿山开采与生俱来的危险源，可能诱（引）发片帮、冒顶、突水、矿震、地面塌陷、山体崩落、泥石流、地表植被破坏等多种形式的灾害［1］。随着金属开采的深入和外拓，加之早期非法、违法乱采滥挖留下的不明采空区，空区灾害成为金属矿山普遍存在的问题，给矿山正常生产带来了极大的安全隐患［2］。相关数据显示，采空区事故占到矿山事故总数的26.5%～30%［3］。

近年来，空区灾害一直是矿山技术人员和科研工作者关注的重点［4］，马海涛等［2］将空区灾害研究归结为探测预报、风险评估、状态监测和隐患治理4个方面，并对其研究现状进行了较为系统的梳理。空区探测是对采空区灾害进行深入研究及评价治理的前提，除了常规的钻探以及瞬变电磁法［5］、高密度电法［6］、三维地震［7］等物探方法之外，近年来，能够精确获取空区三维形态信息的三维激光扫描技术［8-10］在空区探测中得到了应用。同时，逐渐形成了将多种技术相结合的综合精准探测方法，即以物探锁定空区范围，钻探核实空区位置，三维扫描获取精确空区信息［11-12］，各类方法既相互验证，又层层推进。

空区形态要素是进行空区研究的必要条件，可为空区灾害评估及治理提供数据基础，因此，基于探测数据快速、准确地描绘出空区形态要素并构建出空区三维模型至关重要［13-14］。本研究在分析空区扫描特点、数据处理难点及关键技术的基础上，提出了基于逆向工程的复杂空区建模完整工作流程，并将其应用于金属矿山空区灾害问题研究，该方法对于提高采空区灾害定性分析及评估效率具有一定的意义。

1 逆向工程建模概述

随着探测设备的精度不断提升，空区三维探测获得的点云数据量日趋巨大，传统建模方法对于巨量的点云数据处理面临诸多困难。对于空区数据一次扫描成型、数据相对简单完整的情况，利用CAD正向建模方法，按照从点到线、线到面、面到体的基本思路建模，容易实现。但是，空区实际形态和分布往往比较复杂，需要多次扫描，再进行各次数据的拼接整合，此时如果仍采用常规的CAD正向建模方法，采用人工进行数据拼接将非常困难，甚至无法实现。

逆向工程也称反求工程或反向工程，是指从实物样本获取产品数字模型进而开发新产品的一系列技术。从建模的角度来说，逆向工程基于对实物的扫描和测量得到点云数据，再通过数据处理进行三维模型重建，其中的关键技术包含两方面：一是获取精确的点云数据，即实物表面数字化技术；二是快速准确地构建实体三维模型，即三维几何模型重建技术［15］。其优势在于，通过曲面重构技术实现对大体量点云数据的快速有效处理，原始对象特征信息保留程度高，能够实现对复杂结构体的精细化描述。

由于逆向工程在复杂结构体建模方面的独特优势，已经被广泛应用于机械工程、航天工程、医学工程、艺术等多个领域［16-19］，在复杂地质体建模方面也有成果问世［15，20-21］，但是在矿山工程中还鲜有应用。传统的逆向工程多用于机械、医学等领域，其测量及建模对象是已知的、可见的，尺寸一般较小，讲求对实物对象细部的精细描述，数据处理过程中可以相对方便地与实物对象进行比较，即传统的逆向工程大多是针对已知对象的重构建模。与此相比，地下空区三维形态、空间展布特征是未知的，基于三维扫描的空区逆向建模的目的之一就是将未知的空区三维形态探测清楚并精确地描绘出来。此外，地下空区的分布范围也是未知的，空区探测本身就面临诸多未知因素，三维扫描获取的空区形态数据空间分布散乱无序、数据量大、分布范围广、边界轮廓复杂，加之空区真实形态不可见，空区数据处理难度相对较大。本研究针对金属矿山空区的三维几何形态特点及表面点云数据分布特征，结合逆向工程建模的技术特点，探讨基于逆向工程的金属矿山空区精细化三维建模方法，以期实现金属矿山空区高效、精细仿真模拟，提高分析效率，降低技术难度，缩短空区灾害分析评估周期，为保障矿区安全生产提供技术支撑。

2 基于逆向工程的空区三维精细化建模

基于逆向工程原理，本研究复杂空区三维精细化建模的基本流程如图1所示。

2.1 空区数据采集

逆向工程的关键技术之一就是快速、精确地获取研究对象表面的三维数据。获取金属矿山空区形态数据的测量方法有多种，一般采用非接触式测量设备，常见的有全站仪测量设备、三维激光扫描设备、图像分析设备等。不同测量方法采集到的数据结构不同，从建模角度而言，数据结构反映出测量对象特征，不同的数据结构包含的几何信息容量差距较大，数据结构越完善，同一测量对象所包含的数据容量越大，逆向建模越方便。目前，逆向建模一般采用具有特征关系的点云数据。

空区精确测量主要采用三维激光扫描系统，数据采集时首先将测量设备通过钻孔布置于采空区内部，然后通过软件控制水平和竖直驱动轴转动探头用激光器进行扫描（图2），获得空区形态、边界的三维点云数据，数据传输系统将所有的测量数据传回外部的主控装置。空区测量数据可通过无线网络被计算机获取并管理。

2.2 空区点云数据处理

点云数据处理的目标是优化点云数据，为后期的实体建模和网格划分做准备。无论哪一种测量仪器，在采集数据的过程中都会采集到一些杂点、噪声点和误采集的点，所以需要对点云数据进行处理，提高点云质量。点云数据处理一般包括如下几个方面：

（1）数据拼合。当金属矿山空区体积较大、形状复杂或水汽、粉尘浓度较大时，数据采集设备需要多次在不同位置进行扫描，最后进行数据合并。这就涉及到数据的拼合，将不同层次的扫描数据集合到一个公共坐标系下，进行数据融合，形成一套完整的模型数据。

（2）噪声去除。在测量过程中，由于空区内人员、设备、环境变化等因素的存在，采集的数据可能出现噪声，根据所需的精度要求，对点云数据进行滤波处理，删除噪声点。

（3）数据简化。在大数据时代，当测量精度设定较高时，采集数据的点密度很高，如果空区体积较大，那么整合后的数据可能达到几百万，甚至上千万、上亿个点，点的数据量过大反而不利于后续三维建模，因此可根据精度要求，按照一定的标准、要求进行简化。

（4）数据补缺。测量时可能由于物体阻挡，导致局部区域无法测量到，影响后续的模型重构，对这部分缺失的数据，可以基于另一角度或重复扫描的点云数据以及孔洞边界点，按照一定的拟合、插值算法进行补缺处理。

处理完毕的三维点云数据展示效果如图3所示。

2.3 点云数据封装

基于处理后的点云数据，通过曲面建模软件可以构建出封装的三角网格曲面模型（图4），进而可以导入实体建模软件建立空区三维实体模型，得到空区的三维实体几何特征。基于实体特征的逆向建模方法不仅可从网格曲面模型中识别并提取空区实体特征，而且能通过直接编辑修改实体特征，以实现再设计和模型重建。

2.4 模型优化重建

初建的实体模型表面由三角网格组成，事实上有大量控制点对于描述实体特征来说是多余的，并且大大降低了模型用于计算分析的实用性。曲面重建即是基于空区的关键实体特征，通过插值或者拟合构建一个近似曲面模型来逼近空区的形态原型。目前逆向工程研究中，自由曲面建模手段分为以三角Bezier曲面为基础的曲面构建方法和以NURBS（非均匀有理B样条）曲面为基础的四边域参数曲面拟合方法两类［22］。相比较而言，NURBS曲面重建方法数据量更小、算法稳定、曲面质量好、便于运算，对于复杂空区建模及后续计算分析具有独特的优势。

NURBS曲面是在B样条方法的基础上对每个控制点引入权因子，可以通过调整控制顶点的位置和权因子来较为精确地设计各种曲线和曲面［22］，其数学表达式为

式中，p(u,v)表示u方向k次、v方向l次的样条曲线；S(u,v)表示u方向k次、v方向l次的NURBS曲面；pij(i=0,1,…,m;j=0,1,…,n)为控制点；ωij(i=0,1,…,m;j=0,1,…,n)为权因子；Ni,k(u)(i=0,1,…,m)和Nj,l(v)(j=0,1,…,n)分别为u方向k次、v方向l次的非有理B样条基函数。

最终构建的三维曲面模型由多张四边形曲面拼接封装而成，如图5所示。

建立空区三维曲面模型后，通过逆向建模软件可以导出多种主流格式的数据交互文件，支持多种数据交换标准，如IGES、PDDI、STEP、DXF等。基于空区的三维曲面模型数据，可以通过专业的前处理软件（如Hypermesh）或有限元分析软件（如ANSYS、ABAQUS、MIDAS等）进行实体建模和实体网格划分，进而可以用于复杂空区灾害模拟分析。在空区充填或爆破作业方案设计时，可根据空区形态进行相关的结构优化或参数优化设计。

3 采空区逆向建模应用实例

3.1 溜井空区探测及治理

以某铁矿主溜井为例，首先利用三维激光扫描设备获得溜井空腔三维形态数据，基于探测数据采用逆工程建模技术构建溜井三维模型，继而结合数值模拟方法对该溜井的破坏程度进行分析，最后为防止溜井继续发生破坏制定了相关治理方案。

3.1.1 溜井空区模型构建

基于溜井空区探测数据建立的溜井及围岩三维模型如图6所示。溜井现状三维模型显示，溜井井筒内受矿石冲刷和碰撞影响，不同高度和不同方向上的井筒磨损程度差异明显；井筒形成了不同规模的冲击坑，第一处位置无明显大规模塌落，而第二处和第三处冲击点位置上方都发生了规模较大的围岩片垮；受矿石冲刷规律影响，溜井中段区域破坏程度明显大于两端，冲刷位置形状具有螺旋破坏特征。溜井设计断面直径为4 m，井筒内部受矿石多次撞击位置，扩径现象突出，最大直径已经达到14.8 m，溜井破坏非常严重。

3.1.2 溜井灾害治理

原始溜井井筒没有进行支护，受矿石冲击和连续冲刷作用后，溜井内部破坏严重，且溜井距离附近的主井仅有25 m，溜井如果进一步破坏必然引发相关工程灾害，因此迫切需要对其进行治理。

根据采用逆向建模技术构建的真实模型，掌握了溜井的破坏现状和破坏程度，并提出采用混凝土加锰钢板挡墙加固法对其进行加固，增加井壁防御矿石流冲击和磨损的能力，基本加固方案如图7所示。首先对井筒原岩进行锚喷网支护；其次建设托台和混凝土挡墙用于恢复原井壁；最后在混凝土挡墙与原岩之间的空腔内填充废石，并在混凝土挡墙表面加设锰钢板。方案实施后不仅对现井壁进行了加固，而且通过构筑新的结构体恢复了溜井原状，有效确保了溜井正常生产。

3.2 盲空区探测及爆破优化

某露天矿山开采台阶下方存在盲空区，该空区由于距离地表较浅，严重影响到矿山的正常作业和开采进度，并对地表作业人员及设备安全构成了严重威胁。为解决这一问题，对空区进行了探测，根据探测结果对空区进行了爆破处理，彻底消除了空区隐患。

3.2.1 盲空区模型构建

本研究利用钻孔探测和三维激光扫描相结合的方法，对盲空区实施了精确探测。基于获得的点云数据，采用逆向建模技术构建了空区三维模型，如图8所示。三维模型显示，空区真实X轴分布长度为25.4 m，Y轴线分布长度为32.4 m，Z轴分布高度为24.3 m，空区腔体面积为1 710 m2，空区体积为2 011 m3，该空区顶部到地表的最近距离仅为6 m。

3.2.2 盲空区隐患爆破消除

对于矿山地下遗留空区，处理方法通常有封闭、崩落、加固和充填四大类。某矿山空区位于开采台阶下方，涉及到正在开采的区域，因此选用爆破方式消除空区隐患。由于空区顶板到地表的距离不一致，结合逆向建模结果，对每个爆破孔的深度、装药结构和装药量分别进行优化设计，爆区布置如图9所示。根据优化方案爆破完成后，空区隐患得以消除，地表呈现一个小规模塌陷坑。