三維可視技術(shù)在平果鋁土礦復墾中的應(yīng)用

1、78礦業(yè)研究與開發(fā)2010,30(1)礦業(yè)研究與開發(fā)第30卷第1期MNNGR&D,Vol.30,No.12010年2月Feb.2010ISSN1005-2763CN43-1215/TD三維可視技術(shù)在平果鋁土礦復墾中的應(yīng)用78礦業(yè)研究與開發(fā)2010,30(1)78礦業(yè)研究與開發(fā)2010,30(1)礦業(yè)研究與開發(fā)第30卷第1期MNNGR&D,Vol.30,No.12010年2月Feb.2010ISSN1005-2763CN43-1215/TD78礦業(yè)研究與開發(fā)2010,30(1)78礦業(yè)研究與開發(fā)2010,30(1)礦業(yè)研究與開發(fā)第30卷第1期MNNGR&D,Vol.30,No.12010年2月F

2、eb.2010ISSN1005-2763CN43-1215/TD權(quán)12,陳建宏12,楊海洋1,378礦業(yè)研究與開發(fā)2010,30(1)78礦業(yè)研究與開發(fā)2010,30(1)礦業(yè)研究與開發(fā)第30卷第1期MNNGR&D,Vol.30,No.12010年2月Feb.2010ISSN1005-2763CN43-1215/TD(1中南大學資源與安全工程學院重點實驗室，湖南長沙湖南長沙410083;2湖南省深部金屬礦產(chǎn)開發(fā)與災害控制410083;3中國鋁業(yè)廣西分公司，廣西平果縣531400)78礦業(yè)研究與開發(fā)2010,30(1)78礦業(yè)研究與開發(fā)2010,30(1)礦業(yè)研究與開發(fā)第30卷第1期MNNGR&

3、D,Vol.30,No.12010年2月Feb.2010ISSN1005-2763CN43-1215/TD78礦業(yè)研究與開發(fā)2010,30(1)78礦業(yè)研究與開發(fā)2010,30(1)礦業(yè)研究與開發(fā)第30卷第1期MNNGR&D,Vol.30,No.12010年2月Feb.2010ISSN1005-2763CN43-1215/TD摘要：露天礦開采過程破壞了原有的生態(tài)環(huán)境，造成礦區(qū)環(huán)境嚴重惡化。復墾設(shè)計在解決露天礦礦區(qū)環(huán)境再造中起到關(guān)鍵作用。以平果鋁土礦采空區(qū)復墾為例，結(jié)合DMNE礦業(yè)軟件對復墾區(qū)進行三維建模，實現(xiàn)了復墾設(shè)計的可視化，宏觀地反映了復墾區(qū)地表工程的整體空間布置情況和尺寸大小，彌補了利用

4、CAD設(shè)計復墾施工圖時表達失真的缺點，使得復墾設(shè)計更加準確形象，從而可更好地指導現(xiàn)場施工，對該礦山的環(huán)境治理和生態(tài)恢復具有重要意義。關(guān)鍵詞：復墾設(shè)計；平果鋁土礦；三維建模;環(huán)境治理；生態(tài)恢復中圖分類號：TD679文獻標識碼：A文章編號:1005-2763(2010)01-0077-04即/P*ApplicationofThree-DmensionalVisua丨TechnologynReclamationofPngguoBauxiteMne121213JiangQuan，ChenJianHong，YangHaiyang(1.SchoolofResourcesandSafetyengineeri

5、ng，CentralSouthUniversity，Changsha，Hunan410083，China;2HunanKeyLaboratoryofMineralResourcesExploitationandHazardControlforDeepMetalMines，Changsha，Hunan410083，China;3.GuangxiBranchofChinaAluminumCoLtd，Pingguo，Guangxi531400，China)Abstract:Open-pitminingisablebdamagetheoriginaleco2logicalenvironment，res

6、ultinginseriousenvironmentaldeteriora2tionintheminingareaReclamationdesignplaysakeyroleinthesettlementofenvironmentrestDrationofopen-pitminingar2eaTakingthereclamationofmined-outareainPingguobaux2itemineasanexample，thethree-dimensionalmodelingofthereclamationareawascarriedoutbyusingsoftwareDMNE，thev

7、isualizationofreclamationdesignwasrealized，theoverallpacelayoutanddimensionofthesurfaceengineeringintherec2lamationareawerepresentedmacroscopically.ThismadeuptheshortcomingsofexpressivedistortionwhenusingCADtodrawreclamationconstruction，madereclamationdesignmoreaccurateandimage，thuscouldprovidebette

8、rguidancetothefieldcon2struction，wasofthesignificancefortheenvironmentalmprove2mentandecologicalreconstructioninthemineKeyWords:Reclamationdesign，Pingguobauxitemine，Three-dimensionalmodeling，Environmentalmprovement，Ecologicalreconstruction0引言露天礦開采產(chǎn)生的大量廢石、廢礦石的無序堆積，一定條件下易產(chǎn)生滑坡、泥石流等災害，影響當?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運輸，從而造成

9、財產(chǎn)損失。而且其中所含一些有毒物質(zhì)未經(jīng)及時處理而下滲也會污染地下水體。同時，露天坑的開挖，破壞了周圍的植被和土壤層，引起水土大量流失和土壤養(yǎng)分的缺失，對經(jīng)濟作物的生長極為不利。因此，通過分析礦山的環(huán)境現(xiàn)狀，對采空區(qū)進行工程復墾，對已破壞和擬破壞土地進行治理恢復，對于促進礦區(qū)地質(zhì)、生態(tài)環(huán)境的改善具有重要意義。長期以來，國內(nèi)科研工作者在露天礦復墾領(lǐng)域做了大量工作，以廣西平果鋁土礦的研究成果最為顯著。該礦山提出了一套“采準-回采-尾礦處理-采空區(qū)工程復墾-采空區(qū)生態(tài)快速重建”的一體化可持續(xù)發(fā)展模式，形成了適合該礦山獨特地質(zhì)特征的復墾技術(shù)體系。然而由于施工設(shè)計水平跟不上，傳統(tǒng)CAD施工圖無法滿足現(xiàn)場復

10、雜情況的需要，給復墾工作帶來了很大的技術(shù)難題。針對這一問題，本文采用DMNE軟件進行復墾三維可視設(shè)計，對平果鋁土礦的環(huán)境治理和生態(tài)重建具有一定的理論意義和現(xiàn)實意義。1工程復墾設(shè)計的基礎(chǔ)與缺陷1礦區(qū)地質(zhì)特征3收稿項期：國家9自然科學基金項目(50774092);全國優(yōu)秀博士學位論文專項資金資助(200449).作者簡介：蔣權(quán)(1985-)，男，湖南永州人，碩士研究生，從事金屬礦山開采與災害控制研究，Email:C19942010ChinaAcademicJcunilElectronicPublishingllouAlrightsreserved,http:平果鋁土礦屬第四紀巖溶堆積型礦床，礦石主

11、要賦存于第四紀下、中更新統(tǒng)的地層中，與紫紅色膠狀粘土混合在一起，素有“泥巴礦”之稱，有礦的地方基本上都是可以耕種的土地。礦體形態(tài)復雜，連續(xù)性差，礦體極為分散，分布點多、面廣；礦體頂板為腐植土及砂質(zhì)粘土，依采場地勢各處的厚薄不均，一般地勢高的地段覆蓋層較薄，部分坡度大的地段礦層直接裸露，沒有覆蓋土層；地勢低洼的地段覆蓋土較厚，整個那豆礦區(qū)平均覆蓋層只有08m。底板或為粘土，或為灰?guī)r(石牙)，灰?guī)r底板巖溶發(fā)育，石芽叢生，高低起伏大，部分在10m以上13。由于礦床獨特的地質(zhì)特征和開采占地特點，決定了兼具TOC o 1-5 h z數(shù)量與時效雙重要求的采后復墾與礦石開采的依存關(guān)系，從而成為堆積型鋁土礦完

12、整開采工藝中必不可少且至關(guān)重要的一環(huán)。2現(xiàn)有復墾設(shè)計工序平果鋁土礦采空區(qū)工程復墾工作，在前人的經(jīng)驗積累基礎(chǔ)上，已經(jīng)形成了一套較完善的施工方法。其基本工序如下。2.1前期工作測繪工作。用全站儀對采空區(qū)現(xiàn)狀地形進行測繪，并在測繪成圖軟件上形成數(shù)字高程模型，為地形地質(zhì)模型的建立做好基礎(chǔ)工作。施工圖設(shè)計。在做施工圖設(shè)計前，要再次對采空區(qū)地形地質(zhì)情況進行現(xiàn)場勘察，確定現(xiàn)場的控制點，臨時道路的走向、地塊的布置、地塊防排水的安排等等。設(shè)計內(nèi)容包括：確定地塊的邊界以及連接地塊間的邊坡類型；平整地塊位置；地表景觀布置。2.2施工放線由測量人員和施工技術(shù)人員按照施工圖紙的要求在主要控制點上插上標志桿(旗)，在需要

13、爆破的石芽上要用紅油漆標明爆破控制線，以便于施工人TOC o 1-5 h z員按設(shè)計要求施工和工程量控制。2.3后期施工按照施工圖設(shè)計要求先用爆破的方法處理采空區(qū)，使采空區(qū)暴露的地表初步成型，然后采用目前生產(chǎn)用的D10N、D10R等大型推土機進行初始平整；為了施工的方便，可在采空區(qū)修筑一些車輛進出的臨時道路；在地塊初始平整完成后還要用2m3液壓反鏟、運輸車輛對邊坡進行填平補齊，考慮到高邊坡的穩(wěn)定性，一般要用含石量多的土石方進行回填；鋪設(shè)土壤層，根據(jù)復田再利用方案，在復田上種植一些經(jīng)濟作物；修建排水系統(tǒng)，以疏干淤積在復墾土地中的雨水，防止流水沖刷邊坡造成塌方。一般復墾施工工藝流程參見文獻14。3

14、存在的幾點缺陷雖然上述方法在具體的工程實踐中得到廣泛應(yīng)用，起到了保護礦區(qū)自然生態(tài)和資源可持續(xù)再利用的良好效果，但還存在一些問題。施工圖直觀性差。不管是用礦業(yè)CAD做成的還是手工繪制的復墾施工設(shè)計圖，往往由于處理數(shù)據(jù)比較多或者施工范圍大，造成施工圖復雜，只有專業(yè)人士才能讀懂。因此每次具體施工時，必須得有專業(yè)人士在場指導監(jiān)督，影響了人員調(diào)配，延緩了工作進度?？臻g效果不鮮明。一般的施工圖紙只能呈現(xiàn)二維的效果，缺乏空間立體感；一些臨時道路和管道設(shè)施在表達上有失真實，排水溝的具體布置情況及斷面形狀無法精確描述；地塊的走向和坡角只能以文字的形式標出高程和坡角值。施工參數(shù)控制困難。由于二維設(shè)計圖缺乏整體效果

15、，某個區(qū)域的參數(shù)在改動后，無法預測相鄰區(qū)域的變化情況，因此需要的現(xiàn)場勘察人員也要增多，相應(yīng)的施工器械也要增多，也容易造成一些工程報廢。2DMNE實現(xiàn)三維可視設(shè)計DMNE數(shù)字礦山系統(tǒng)是由中南大學數(shù)字礦山研究中心和長沙迪邁信息科技有限公司軟件開發(fā)團隊，在全面研究國內(nèi)外數(shù)字礦山相關(guān)軟件和國內(nèi)礦業(yè)企業(yè)實際需求的基礎(chǔ)上，經(jīng)過多年艱苦努力，研究開發(fā)出的一整套基于數(shù)字礦山整體解決方案的礦山數(shù)字化軟件系統(tǒng)。該系統(tǒng)可全面實現(xiàn)從礦床地質(zhì)建模、儲量計算、測量數(shù)據(jù)的快速成圖、地下礦開采系統(tǒng)設(shè)計與開采單體設(shè)計、回采爆破設(shè)計、露天礦開采設(shè)計、礦井通風系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)解算與優(yōu)化到各種工程圖表的快速生成等工作的可視化、數(shù)字化與智能化

16、。21平果鋁復墾三維建?；A(chǔ)資料原始數(shù)據(jù)由掃描采空區(qū)地形圖進而矢量化獲得，另加在前述施工圖設(shè)計工作上完成的CAD采場復墾設(shè)計圖。設(shè)計圖上的礦區(qū)地表工程，如臨時道路、管路設(shè)施、重要建筑物等等，都是二維圖形，因此首先要對二維狀態(tài)下的等高線賦予實際的高程值。地形等值線高程間隔為5m，實際賦高程等值線為間隔25m的粗地形線，因此，在三維建模時需要在CAD上細分等值線，以求達到預想結(jié)果5。王紅勝，等：礦井通風仿真系統(tǒng)立體圖的快速自動繪制研究83蔣權(quán)，等：三維可視技術(shù)在平果鋁土礦復墾中的應(yīng)用79礦業(yè)研究與開發(fā)第30卷第1期MNNGR&D,Vol.30,No.12010年2月Feb.2010ISSN1005

17、-2763CN43-1215/TD地形圖矢量化的注意事項：（1）對采空區(qū)地形圖進行處理，考慮到對線分層時每隔5m一個高程，為防止處理相近圖層線出現(xiàn)混亂，對部分分布比較稠密的等高線設(shè)置差別大的顏色，采用的圖層名以該層線的標高來命名；（2）大部分線都有標高，可直接按照其高程放入相應(yīng)的圖層，部分沒有標高的線需要根據(jù)附近高程點的值來推估，例如一條線上的高程值未知，而在其附近點的標高為2334m，而且直觀上看周圍區(qū)域（從附近點到指定線）標高呈遞減趨勢，則可以推斷出該線高程為230m;（3）由于在DMNE中建模的需要，地表圖形中不能出現(xiàn)重復線、重復點和跨接，因此需要檢查所有線，對有錯誤的線條加以修改。2復

18、墾三維模型的構(gòu)建2.1賦高程將已經(jīng)畫好的CAD采場復墾設(shè)計圖dwg文件導入到DMNE系統(tǒng)，處理重復點和跨接現(xiàn)象。由于圖形范圍比較大，線條和標注雜亂，因此在DI2MNE中需要隱藏一些圖層，調(diào)出需要編輯的圖層。首先打開DMNE菜單欄中的實用工具下的賦高程,設(shè)置高程差為5,選擇待賦高程等高線中最高等高線處點擊作為“起點”,接著在最低等高線處點擊作為“目標點”,這時旋轉(zhuǎn)文件，可以發(fā)現(xiàn)，剛剛賦值的等高線已經(jīng)顯示出以5為差額的凹凸狀。2.2地塊處理選中視圖內(nèi)的地塊，根據(jù)地塊的標高，將已經(jīng)在CAD環(huán)境下調(diào)整好坡角的地塊在Z方向抬升一個相應(yīng)的標高值，這樣地塊的空間分布情況就已經(jīng)確定。2.3排水溝設(shè)置根據(jù)CAD

19、中排水溝的斷面圖見圖1）,在DI2MNE中描出相一致的斷面形狀，點擊DMNE菜單欄中斷面設(shè)計，在彈出的對話框中，點擊創(chuàng)建按鈕，選中剛才畫好的斷面，就可以新建一個自定義的斷面形狀。然后可由巷道中心線，生成沿巷道中心線指定斷面形狀的水溝模型（見圖2）。為了鮮明起見，可將實體顏色改為綠色，同時標上水流方向，給人一種動態(tài)水流的視覺效果。當然也可以選擇其他方法生成水溝，由于篇幅有限，本文不再作介紹。2.4地表構(gòu)筑物的生成礦區(qū)地表構(gòu)筑物主要包括臨時道路、管路設(shè)施、植被景觀等等。臨時道路可先畫出道路輪廓線，然后將其附著在地表模型上，然后封閉為面，再給面加上一種鮮艷的顏色（見圖3）。管路設(shè)施模型的建立方法大致

20、一樣，只是要先建立一個構(gòu)筑物立體輪廓線，然后對其三角面化或者生成實體面片（見圖4）。圖2水溝模型圖3臨時道路模型圖4管路設(shè)施模型經(jīng)過上述操作，一個采場復墾設(shè)計圖就可以生成，當然中間還要處理一些細節(jié)，本文將不再贅述最終設(shè)計見圖5。圖5采場復墾三維模型CChinaAcadeinkJcurtuElectronicPublishingHouse.Allrights下轉(zhuǎn)第83頁）6結(jié)論完全采用巷道的原始數(shù)據(jù)，采用計算機實現(xiàn)了礦井通風系統(tǒng)立體圖按比例快速自動繪制，從視覺上反映巷道的長短，真實感強。“假雙線”法是一種新的通風系統(tǒng)立體圖的快速自動繪制方法，已經(jīng)在三河尖礦井通風仿真系統(tǒng)VentGIS中應(yīng)用(見圖

21、5)，實際應(yīng)用表明“假雙線”法具有計算量小、執(zhí)行效率高和易于實現(xiàn)等特點，應(yīng)用該方法可以大大提高通風系統(tǒng)立體圖的自動繪圖速度，又能直觀反映出礦井巷道間的空間層位關(guān)系，對于研發(fā)、改進礦井通風仿真圖形系統(tǒng)具有一定的參考價值。參考文獻：魏連江，方宗武，王紅勝.三維可視化技術(shù)在礦山開采輔助設(shè)計中的應(yīng)用研究J.礦業(yè)工程，2006,4(3):6163.王德明，李永生.礦井火災救災決策支持系統(tǒng)M.北京:煤炭工業(yè)出版社，1996:1493.3魏連江，王德明.基于構(gòu)件的礦井通風安全管理系統(tǒng)的開發(fā)研究J.中國礦業(yè)，2006,15(12):2527.郝天軒，李輝，等.礦井通風系統(tǒng)平面圖自動繪制系統(tǒng)的研制J中國煤炭,2

22、005,31(3):2830.李鋼，陳開巖，何學秋，等.礦井通風系統(tǒng)巷道自動繪制方法研究J.煤炭科學技術(shù),2006,34(6):5053.魏連江，王德明，等.構(gòu)建礦井通風可視化仿真系統(tǒng)的關(guān)鍵問題研究J.煤礦安全,2007,38(7):69.楊應(yīng)迪，張國樞，秦汝祥，等.礦井通風系統(tǒng)平面圖專用繪制軟件研制J.中國安全科學學報,2008,18(4):121125.魏連江.礦井通風仿真可視化研究D.徐州：中國礦業(yè)大學,2008.王德明，王月軍，呂慶剛.礦井通風系統(tǒng)立體圖的繪制J.煤礦安全,1996,(12):79.黃繼聲.礦井通風設(shè)計自動化J.礦業(yè)安全與環(huán)保，1995,:711.王紅勝，等：礦井通風仿

23、真系統(tǒng)立體圖的快速自動繪制研究83蔣權(quán)，等：三維可視技術(shù)在平果鋁土礦復墾中的應(yīng)用79礦業(yè)研究與開發(fā)第30卷第1期MNNGR&D,Vol.30,No.12010年2月Feb.2010ISSN1005-2763CN43-1215/TD王紅勝，等：礦井通風仿真系統(tǒng)立體圖的快速自動繪制研究83蔣權(quán)，等：三維可視技術(shù)在平果鋁土礦復墾中的應(yīng)用79礦業(yè)研究與開發(fā)第30卷第1期MNNGR&D,Vol.30,No.12010年2月Feb.2010ISSN1005-2763CN43-1215/TD礦山采空區(qū)復墾工作提供了借鑒和參考68。上接第79頁)3建模效果分析通過DMNE軟件建立的采場復墾模型宏觀反映了地塊、

24、排水溝、臨時道路、管路設(shè)施、植被景觀等地表工程的空間形態(tài)，現(xiàn)場人員可根據(jù)模型呈現(xiàn)的地表工程的尺寸大小進行施工，同時工程策劃者也可根據(jù)設(shè)計圖對現(xiàn)場施工人員進行合理調(diào)配，實現(xiàn)施工組織的優(yōu)化，加快施工的進度，達到縮短復墾周期的目的。模型中臨時道路位置的設(shè)定，考慮了最優(yōu)運距的問題，滿足整個礦區(qū)車輛運輸功最大的要求。建模過程具有很大的靈活性，可隨時根據(jù)現(xiàn)場的需要進行修改。具體工程設(shè)計如果與實際要求有偏差，可加強該地段的數(shù)據(jù)搜索，增加控制參數(shù)，實現(xiàn)對復墾區(qū)最大程度的仿真模擬。由軟件提供的對實體進行體積匯報的功能，方便礦山經(jīng)營者結(jié)合成本核算的指標控制復墾工程量，使復墾工作既能改善礦區(qū)環(huán)境又能避免無經(jīng)濟效益的

25、投資。3結(jié)語(1)針對廣西平果鋁土礦的礦區(qū)地質(zhì)狀況與該礦現(xiàn)有復墾施工設(shè)計存在的問題，通過采用DI2MNE軟件建立采場復墾三維模型，以三維立體模式準確形象地反映了復墾區(qū)地表工程的整體空間布置情況和宏觀尺寸大小，一改傳統(tǒng)CAD復墾施工設(shè)計圖表達失真的缺點，很好地解決了工程實踐中面臨的技術(shù)難題。(2)展現(xiàn)了DMNE軟件所具有的出色3D圖形功能、良好的圖形用戶界面、實用精確的實體編輯功能、簡便快捷的三維可視化動態(tài)操作。模型的效果非?？捎^，驗證了DMNE軟件是礦山企業(yè)進行礦區(qū)建模較好的開發(fā)工具，具有廣泛的應(yīng)用前景。目前國內(nèi)金屬礦業(yè)企業(yè)打造數(shù)字化礦山還處于剛剛起步的階段，礦業(yè)工程軟件應(yīng)用到露天礦指導復墾工作方面更是涉足尚淺。在本文中，DI2MNE軟件以