SolidWorks在礦山行業(yè)中的應(yīng)用

2013-07-01 by:廣州Solidworks培訓(xùn)中心來(lái)源:仿真在線

1 礦體三維建模的意義

近年來(lái),礦山數(shù)字化建模發(fā)展迅速,國(guó)外廣泛應(yīng)用礦業(yè)軟件建立礦床三維模型,實(shí)現(xiàn)礦山生產(chǎn)的動(dòng)態(tài)管理和資源的合理利用。

國(guó)內(nèi)有些礦山企業(yè)和科研院所引進(jìn)國(guó)外一些礦業(yè)軟件,如Datamine、Micromine和Surpac Vision等進(jìn)行三維建模。國(guó)內(nèi)一些企業(yè)也開發(fā)出3Dmine等一些礦用軟件,有些礦山利用機(jī)械、電子等行業(yè)應(yīng)用較好的建模軟件,如UG、proe和SolidWorks等進(jìn)行三維建模,這些建模軟件一般是大型軟件商開發(fā)的,所以具有功能強(qiáng)大的優(yōu)點(diǎn)。也有些礦山企業(yè)自行開發(fā)軟件進(jìn)行三維建模。一般來(lái)說,礦業(yè)軟件專業(yè)性好,但功能不強(qiáng)大。目前,礦井井下巷道系統(tǒng)的三維建模還不是很成熟,尚未在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中起到很好的作用。

從采礦工業(yè)的發(fā)展來(lái)看,建立一個(gè)完善的三維礦體模型對(duì)于礦山的規(guī)劃設(shè)計(jì)、生產(chǎn)管理甚至采礦教學(xué)等工作都具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

1)三維礦體模型可讓整個(gè)礦山工程呈現(xiàn)出來(lái)(包括地面和地下工程),通過三維礦體模型,礦山管理人員可以直接、全面地了解生產(chǎn)的進(jìn)度和安全情況,有利于管理者制定進(jìn)一步的生產(chǎn)計(jì)劃。

2)由于礦體三維實(shí)體模型和繪圖與參照繪圖的工程和部位是相關(guān)聯(lián)的,所以模型的改變會(huì)自動(dòng)地反映在與之有關(guān)聯(lián)的圖形和工程上,這有利于及時(shí)調(diào)整工程設(shè)計(jì)。

3)在礦體三維實(shí)體模型的基礎(chǔ)上,可以在任意位置形成礦體的水平剖面、橫剖面、縱剖面和斜剖面圖,可以計(jì)算礦產(chǎn)儲(chǔ)量、開采量和開挖工程量,還可以方便地在其中加入各種井建工程,如豎井、斜井、斜坡道、各種采掘巷道等。

4)可在三維模型上布置礦房和自動(dòng)布置落礦炮孔。

5)礦體三維實(shí)體建模還可應(yīng)用于教學(xué)及采礦方法研究。

2 礦體的三維建模步驟

地下采礦工程結(jié)構(gòu)復(fù)雜,很難用規(guī)則的幾何形體進(jìn)行描述,通常需要采用一種或幾種靈活、簡(jiǎn)便、適用的建模方法來(lái)完成。利用線框構(gòu)建三維數(shù)字模型可滿足這種要求,可以迅速地創(chuàng)建出形狀物體或自然體的幾何模型。這種幾何模型還可以比較精確地描述形態(tài)或形狀復(fù)雜多變的礦體,能滿足礦山設(shè)計(jì)、生產(chǎn)中地質(zhì)制圖的基本要求,也是建立三維實(shí)體模型的基礎(chǔ)(如圖1所示)。

圖1 三維線框數(shù)宇模型

針對(duì)礦體形狀的不規(guī)則性,如何真實(shí)地再現(xiàn)復(fù)雜礦體是一個(gè)難點(diǎn)。但在SolidWorks軟件平臺(tái)上,利用掃描、拉伸、放樣等功能,并將礦體剖面圖輸入,可以初步形成礦體的三維實(shí)體模型,然后對(duì)局部進(jìn)行修改,使其更貼近礦體實(shí)際。具體的操作流程如下:資料的收集和輸入→形成礦體剖面圖→礦體三維模型→修改礦體模型。

1)資料的收集和輸入。首先根據(jù)設(shè)計(jì)要求收集、分析和選擇資料。目前,大多數(shù)礦山的生產(chǎn)設(shè)計(jì)資料都是以圖樣、文件等傳統(tǒng)方式保存的,因此要想辦法把資料輸入計(jì)算機(jī)。對(duì)于一些圖形類資料可以用數(shù)字化儀器或掃描方式將其輸入計(jì)算機(jī),而對(duì)于一些文字或數(shù)字型資料可以直接輸入計(jì)算機(jī)。這個(gè)階段是基礎(chǔ)階段,此階段的完善與否將關(guān)系到礦體模型的準(zhǔn)確度。

2)形成礦體剖面圖?？紤]到使用平臺(tái)的功能限制,對(duì)推斷出來(lái)的礦體剖面圖要進(jìn)行一定的處理。例如剖面圖有時(shí)必須是封閉的,這就需要添加一些輔助線,使剖面圖變成封閉圖形;當(dāng)遇到剖面復(fù)雜或相鄰剖面變化大的情況,還要人為地簡(jiǎn)化或插入剖面,使其可以在平臺(tái)上順利生成三維實(shí)體。

3)礦體三維模型。根據(jù)上個(gè)階段準(zhǔn)備好的剖面圖生成的三維實(shí)體,考慮到這些通用平臺(tái)的專業(yè)性不強(qiáng),要在平臺(tái)的基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)才能使生成的三維礦體更加完善、準(zhǔn)確。此階段是把二維圖樣轉(zhuǎn)為三維實(shí)體,是整個(gè)礦體模型構(gòu)建的重要階段,也是整個(gè)過程中技術(shù)含量最高的階段。

4)修改礦體模型。隨著開采的進(jìn)行,經(jīng)常會(huì)對(duì)一些數(shù)據(jù)和圖樣做些修改,這就要求生成的礦體要便于修改。當(dāng)然,這正是特征參數(shù)化軟件平臺(tái)的優(yōu)點(diǎn),只需要更改一些數(shù)據(jù)就可以輕松地對(duì)已經(jīng)建立的礦體模型進(jìn)行修改。圖2是根據(jù)前面數(shù)據(jù)生成的三維礦體模型。

圖2 三維礦體模型

3 巷道的三維建模

在巷道的幾何建模過程中,將巷道分解為點(diǎn)、弧段、巷道斷面、局部巷道4個(gè)組成部分。巷道是由一系列的局部巷道組成,局部巷道則由巷道中心線弧段和巷道斷面來(lái)表達(dá)。巷道斷面是巷道幾何建模中的重要參數(shù),主要有拱形、矩形、梯形、斜梯形等形態(tài)。為了便于表達(dá),把巷道斷面分為上、下、左、右4個(gè)弧段,用于描述巷道的斷面形態(tài),其中每個(gè)弧段又由一系列點(diǎn)組成,如圖3所示。

圖3 主要巷道斷面示意圖

當(dāng)生成巷道模型時(shí),從二維圖上提取巷道頂板中心線和斷面參數(shù)等數(shù)據(jù),若1條巷道斷面尺寸基本保持不變,則可利用巷道中心線、腰線和斷面圖來(lái)描述它的空間形態(tài)。根據(jù)上述思想,設(shè)計(jì)如下算法:

1)根據(jù)導(dǎo)線測(cè)量數(shù)據(jù)及二維平面圖樣確定巷道中心線。

2)巷道中心線平滑處理。

3)確定巷道斷面數(shù)據(jù)。

4)繪制三維巷道實(shí)體模型。

巷道是人工開挖而成的,它的幾何形態(tài)比礦體要規(guī)則得多,所以建立巷道模型時(shí),只要把已經(jīng)開拓好的或準(zhǔn)備開拓的巷道中心點(diǎn)連成中心線,然后再加上截面形成的管道特征就可以了,如圖4所示。但是,這樣做出來(lái)的巷道模型并不完美,還需要在巷道中間再盡可能多地加些截面,才能使建立起來(lái)的模型更加接近實(shí)際,如圖5所示。

圖4 三維巷道實(shí)體模型

圖5 三維巷道實(shí)體

4 結(jié)語(yǔ)

通過建立三維礦山模型,可以實(shí)現(xiàn)礦山的全景顯示和動(dòng)態(tài)顯示,真實(shí)、直觀、準(zhǔn)確、清晰地表現(xiàn)地層、斷裂、礦體及圍巖形態(tài),表達(dá)鉆孔、礦井(豎井、斜井)、巷道、探槽、采空區(qū)、采礦區(qū)以及采礦工作面形態(tài),表達(dá)各種機(jī)械設(shè)備的配備與運(yùn)轉(zhuǎn)狀況,表達(dá)礦井風(fēng)流狀況、瓦斯?jié)舛?、地?yīng)力場(chǎng)等三維現(xiàn)象,通過礦山三維模型和GIS的聯(lián)合應(yīng)用,可以有效地建立礦山空間數(shù)據(jù)庫(kù),有效地利用現(xiàn)有資料對(duì)未采區(qū)和采掘工作面前方、深部及外圍的地質(zhì)構(gòu)造、礦體變化、礦床分帶及其他開采條件進(jìn)行預(yù)報(bào)預(yù)測(cè),實(shí)現(xiàn)對(duì)礦山數(shù)據(jù)的快速更新,加強(qiáng)對(duì)更新數(shù)據(jù)的理解,提高信息的利用效率,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)礦山安全生產(chǎn)。

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