SolidWorks在礦山行業中的應用

2013-07-01 by:廣州Solidworks培訓中心來源:仿真在線

1 礦體三維建模的意義

近年來,礦山數字化建模發展迅速,國外廣泛應用礦業軟件建立礦床三維模型,實現礦山生產的動態管理和資源的合理利用。

國內有些礦山企業和科研院所引進國外一些礦業軟件,如Datamine、Micromine和Surpac Vision等進行三維建模。國內一些企業也開發出3Dmine等一些礦用軟件,有些礦山利用機械、電子等行業應用較好的建模軟件,如UG、proe和SolidWorks等進行三維建模,這些建模軟件一般是大型軟件商開發的,所以具有功能強大的優點。也有些礦山企業自行開發軟件進行三維建模。一般來說,礦業軟件專業性好,但功能不強大。目前,礦井井下巷道系統的三維建模還不是很成熟,尚未在設計和生產中起到很好的作用。

從采礦工業的發展來看,建立一個完善的三維礦體模型對于礦山的規劃設計、生產管理甚至采礦教學等工作都具有重大的現實意義。

1)三維礦體模型可讓整個礦山工程呈現出來(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、全面地了解生產的進度和安全情況,有利于管理者制定進一步的生產計劃。

2)由于礦體三維實體模型和繪圖與參照繪圖的工程和部位是相關聯的,所以模型的改變會自動地反映在與之有關聯的圖形和工程上,這有利于及時調整工程設計。

3)在礦體三維實體模型的基礎上,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,可以計算礦產儲量、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布置落礦炮孔。

5)礦體三維實體建模還可應用于教學及采礦方法研究。

2 礦體的三維建模步驟

地下采礦工程結構復雜,很難用規則的幾何形體進行描述,通常需要采用一種或幾種靈活、簡便、適用的建模方法來完成。利用線框構建三維數字模型可滿足這種要求,可以迅速地創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或形狀復雜多變的礦體,能滿足礦山設計、生產中地質制圖的基本要求,也是建立三維實體模型的基礎(如圖1所示)。

圖1 三維線框數宇模型

針對礦體形狀的不規則性,如何真實地再現復雜礦體是一個難點。但在SolidWorks軟件平臺上,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體模型,然后對局部進行修改,使其更貼近礦體實際。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。首先根據設計要求收集、分析和選擇資料。目前,大多數礦山的生產設計資料都是以圖樣、文件等傳統方式保存的,因此要想辦法把資料輸入計算機。對于一些圖形類資料可以用數字化儀器或掃描方式將其輸入計算機,而對于一些文字或數字型資料可以直接輸入計算機。這個階段是基礎階段,此階段的完善與否將關系到礦體模型的準確度。

2)形成礦體剖面圖。考慮到使用平臺的功能限制,對推斷出來的礦體剖面圖要進行一定的處理。例如剖面圖有時必須是封閉的,這就需要添加一些輔助線,使剖面圖變成封閉圖形;當遇到剖面復雜或相鄰剖面變化大的情況,還要人為地簡化或插入剖面,使其可以在平臺上順利生成三維實體。

3)礦體三維模型。根據上個階段準備好的剖面圖生成的三維實體,考慮到這些通用平臺的專業性不強,要在平臺的基礎上進行二次開發才能使生成的三維礦體更加完善、準確。此階段是把二維圖樣轉為三維實體,是整個礦體模型構建的重要階段,也是整個過程中技術含量最高的階段。

4)修改礦體模型。隨著開采的進行,經常會對一些數據和圖樣做些修改,這就要求生成的礦體要便于修改。當然,這正是特征參數化軟件平臺的優點,只需要更改一些數據就可以輕松地對已經建立的礦體模型進行修改。圖2是根據前面數據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、弧段、巷道斷面、局部巷道4個組成部分。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表達。巷道斷面是巷道幾何建模中的重要參數,主要有拱形、矩形、梯形、斜梯形等形態。為了便于表達,把巷道斷面分為上、下、左、右4個弧段,用于描述巷道的斷面形態,其中每個弧段又由一系列點組成,如圖3所示。

圖3 主要巷道斷面示意圖

當生成巷道模型時,從二維圖上提取巷道頂板中心線和斷面參數等數據,若1條巷道斷面尺寸基本保持不變,則可利用巷道中心線、腰線和斷面圖來描述它的空間形態。根據上述思想,設計如下算法:

1)根據導線測量數據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)確定巷道斷面數據。

4)繪制三維巷道實體模型。

巷道是人工開挖而成的,它的幾何形態比礦體要規則得多,所以建立巷道模型時,只要把已經開拓好的或準備開拓的巷道中心點連成中心線,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,才能使建立起來的模型更加接近實際,如圖5所示。

圖4 三維巷道實體模型

圖5 三維巷道實體

4 結語

通過建立三維礦山模型,可以實現礦山的全景顯示和動態顯示,真實、直觀、準確、清晰地表現地層、斷裂、礦體及圍巖形態,表達鉆孔、礦井(豎井、斜井)、巷道、探槽、采空區、采礦區以及采礦工作面形態,表達各種機械設備的配備與運轉狀況,表達礦井風流狀況、瓦斯濃度、地應力場等三維現象,通過礦山三維模型和GIS的聯合應用,可以有效地建立礦山空間數據庫,有效地利用現有資料對未采區和采掘工作面前方、深部及外圍的地質構造、礦體變化、礦床分帶及其他開采條件進行預報預測,實現對礦山數據的快速更新,加強對更新數據的理解,提高信息的利用效率,進而實現礦山安全生產。

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