基于逆向建模技术的金属矿山空区探测与治理研究_王虎(1).pdf

收稿日期2020-01-12 基金项目 “十三五” 国家重点研发计划项目 （编号 2017YFC0804606， 2018YFC0808402） ， 河北省自然科学基金项目 （编号 E2019201422） ， 河 北大学高层次人才科研启动项目 （编号 801260201292） 。 作者简介王虎 （1986） ， 男， 工程师， 博士研究生。通讯作者张海清 （1984） ， 男， 讲师， 博士。 总第 529 期 2020 年第 7 期 金属矿山 METAL MINE 基于逆向建模技术的金属矿山空区探测与 治理研究 王虎 1， 2 郝圣旺 2 张海清 3 史先锋 1 田一麟 1， 21 （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） 摘要金属矿山空区形成因素众多， 形状复杂多变， 是威胁矿山安全的主要灾害源之一。为合理评估空区 现状并提出有效治理措施， 首要任务是精确描绘出空区三维形态要素。以三维激光扫描为核心的空区精确探测技 术已经比较成熟， 可为空区精细化三维建模提供数据基础。传统的正向建模技术建模过程繁琐， 效率低下， 且对数 据质量和人员技术水平要求很高。为了提高空区三维建模效率并降低建模难度， 在分析逆向建模技术原理的基础 上， 总结和分析了金属矿山空区激光点云数据处理及模型重构的技术要点、 难点， 提出了基于逆向工程的复杂空区 三维建模完整工作流程， 并将该方法应用于金属矿山典型空区问题分析与加固、 爆破等治理方案设计。研究表明 逆向建模方法基于点云信息直接进行曲面重构， 进而导出三维实体， 避免了正向建模时大量重复的线面、 面体 操作， 可实现金属矿山复杂空区的高效率、 高精度建模， 为空区现状调查、 评估、 灾害机理分析及治理方案优化提供 了技术支撑， 具有广阔的应用前景。 关键词金属矿山空区精确探测逆向工程建模效率 中图分类号X936文献标志码A文章编号1001-1250 （2020） -07-059-07 DOI10.19614/ki.jsks.202007009 Study on the Goaf Detection and Goverance of Metal Mines Based on Reverse Modeling Technique Wang Hu1， 2Hao Shengwang2Zhang Haiqing3Shi Xianfeng1Tian Yilin1， 2 （1. China Academy of Safety Science and Technology， Beijing 100012， China； 2. College of Civil Engineering and Mechanics， Yanshan University， Qinhuangdao 066004， China； 3. College of Civil Engineering and Architecture， Hebei University， Baoding 071002， China） AbstractThe goaf in metal mines is one of the main hazards threatening the safety of mines because of many fac⁃ tors and complex shapes. In order to uate the present situation of the goaf rationally and put forward effective control measures，the first task is to accurately describe the three-dimensional shape elements of the goaf. Accurate detection tech⁃ nology of goaf based on 3D laser scanning has been mature，which provides data basis for fine 3D modeling of goaf. Tradi⁃ tional forward modeling technology is cumbersome，inefficient and requires high data quality and personnel technical level. In order to improve the efficiency of goaf 3D modeling and reduce the modeling difficulty，the key points and difficulties of laser point cloud data processing and model reconstruction technology in metal mine goaf are summarized and discussed based on the principle of reverse modeling technology，and a complete workflow for 3D modeling of complex goaf based on reverse engineering technology is proposed. Finally，the proposed is applied to the analysis of typical goaf problems in metal mines and the design of reinforcement，blasting and other treatment schemes.The study results show that reverse modeling obtains the 3D entity model based on the surface that reconstructed directly from the point cloud ina⁃ tion，and avoids a lot of repetitive line-surface and surface-body operations in forward modeling. Besides that，this high-effi⁃ ciency and high-precision modeling could provide technical support for the investigation，assessment，disaster mechanism analysis and treatment scheme optimization of goaf in metal mines， has broad application prospects. Series No. 529 July2020 59 ChaoXing 金属矿山2020年第7期总第529期 KeywordsMetal mines， Goaf， Accurate detection， Reverse engineering， Modeling efficiency 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 60 ChaoXing 2020年第7期王虎等 基于逆向建模技术的金属矿山空区探测与治理研究 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 61 ChaoXing 金属矿山2020年第7期总第529期 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 pu,v ∑ i 0 m ∑ j 0 n Ni,k u Nj,l v piju,v ∈[]0,1，（1） Su,v ∑ i 0 m ∑ j 0 n Ni,k u Nj,l v ωj,lpij ∑ i 0 m ∑ j 0 n Ni,k u Nj,l v ωij u,v ∈[]0,1， （2） 式中，pu,v表示u方向k次、v方向l次的样条曲线； Su,v表示u方向k次、v方向l次的 NURBS 曲面； piji 0,1,,m; j 0,1,,n为控制点； ωiji 0,1,,m; j 0,1,,n为权因子； Ni,k ui 0,1,,m和Nj,l vj 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 62 ChaoXing 2020年第7期王虎等 基于逆向建模技术的金属矿山空区探测与治理研究 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。 3. 3空区群调查及充填治理 某铜矿由于历史原因， 新老空区夹杂， 分布混 乱， 矿山缺乏清晰、 合理的总体空区信息统计。鉴于 该矿空区的特殊性， 首先对空区进行分析和调查， 采 集了大量的空区数据； 然后利用逆向建模技术， 快速 构建了空区群模型和矿区地表模型， 并利用综合可 视化技术， 对地表、 巷道、 空区等关键因素进行三维 重现， 结果如图10所示。 结合逆向建模获得的空区信息， 统计了空区群 基本信息， 可知该矿区未充填空区有47个， 未充填空 区总体积为497 500 m3。根据最终建模成果， 形成了 不同类型的剖面图和平面图， 满足了矿山后续采矿 设计和灾害治理计划编制的需要， 有效指导了矿山 对空区进行后续充填治理， 消除了空区隐患， 保证了 矿山安全生产。 4结论 （1） 金属矿山空区灾害与空区的特殊存在状态 及形态密切相关， 空区形态数据采集是空区灾害治 理的前提与基础， 传统正向建模技术可以实现简单 空区建模， 但对于复杂模型和大数据模型， 正向建模 技术效率偏低， 实现难度较大， 不利于大规模应用。 （2） 在介绍逆向建模方法及实现流程的基础上， 通过对比常规的正向建模方法， 系统分析了逆向建 模方法在金属矿山领域用于复杂空区建模的优势。 逆向建模方法简化了建模步骤， 降低了对建模人员 技术水平的要求， 缩减了建模周期， 可大大提高空区 灾害调查分析及治理的效率。 （3） 发挥逆向建模技术的优点， 结合金属矿山空 区三维建模及治理的典型工程案例， 详细讨论了逆 63 ChaoXing ［1］ ［2］ ［3］ ［4］ ［5］ ［6］ ［7］ ［8］ ［9］ ［10］ ［11］ ［12］ ［13］ ［14］ ［15］ ［16］ ［17］ ［18］ 向建模方法在金属矿山空区隐患探测及治理方面的 应用效果。逆向工程技术得到的精确三维模型对于 空区现状调研和评估、 灾害形成机理分析和治理方 案优化等方面具有显著优势， 应用效果良好。 （4） 在金属矿山领域， 除了空区灾害研究之外， 逆向建模技术还可以应用于排土场体积估算， 矿区 地表变形体积估算， 尾矿库库区尾矿体积变化分析， 矿区地表水土流失变化分析等多个方面， 应用前景 广阔。 参 考 文 献 王啟明， 徐必根， 唐绍辉， 等.我国金属非金属矿山采空区现状 与治理对策分析 ［J］ .矿业研究与开发， 2009， 29 （4） 63-68. 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