一种矿山三维采空区实体模型的建立方法与流程

本发明涉及采矿工程领域，特别地，涉及一种矿山三维采空区实体模型的建立方法。

背景技术：

过去大部分矿山采用空场法开采地下矿体，由于各种原因，造成了有的矿山留有大面积的采空区，形成了采空区群，并严重影响矿山的安全生产。

为了解决现存采空区的稳定性问题，需要得知既有采空区的稳定性。目前最方便可行的方法就是采用数值模拟分析方法，采用数值模拟分析采空区的稳定性，面临的问题就是地下采空区如何准确的建立三维采空区模型。由于采空区面积较大，形状复杂多变，以往都是选取局部采空区或对整个采空区群进行简化后建立模型进行稳定性分析，一般只是用矿山提供的图纸，使用某种单一的软件对局部采空区进行简单分析和简单建模，例如flac^3d，midas-gts/nx，abaqus等。该分析方法一般都将采空区假设为较为规则的轮廓，不能如实反映地下采空区真实的形状体积等情况，很难得到较为准确的分析结果，不能为采空区治理提供较为准确的参考。

因此，本领域需要提供一种新的矿山采空区的建模分析方法。相应的，也需要一种矿山三维采空区实体模型的建立方法和一种包含采空区的三维矿山实体模型的建立方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种矿山采空区的建模分析方法、一种矿山三维采空区实体模型的建立方法和一种包含采空区的三维矿山实体模型的建立方法，为实现上述目的，本发明的技术方案包括如下所述内容。

首先本发明提供一种矿山三维采空区实体模型的建立方法，该方法包括以下步骤：

s1、采用三维激光扫描仪在矿山采空区进行扫描，将矿山采空区扫描成点云数据；

s2、通过处理三维激光扫描仪点云数据的软件对各个扫描节点所获得的点云进行拼接处理，得到整个采空区的由点云构建的三维模型；

s3、将处理完成的由点云构建的三维模型用处理三维激光扫描仪点云数据的软件保存成cad软件可以打开的文件格式的点云文件；

s4、将保存的cad软件可以打开的文件格式的点云文件导入到cad软件中，在cad软件中将采空区的轮廓用样条曲线描绘出来，形成采空区各个面的曲面轮廓线，并分别保存；

s5、将s4中得到的各个面的曲面轮廓线转换成midas软件能识别的格式文件，并保存；

s6、将s5中的各个曲面的midas软件能识别的格式文件，利用midas有限元分析软件与cad软件之间的接口导入到midas有限元分析软件中，每个面的轮廓线处在同一个三维空间之中，还原了实际采空区每个曲面的轮廓线；

s7、利用midas有限元分析软件中的前处理建模功能将每个面的轮廓线生成面，再由面生成实体；

s8、生成的多个实体通过midas有限元分析软件中的实体交集运算实现对三维采空区模型的重构，形成了与实际情况相符合的三维采空区实体模型。

本发明还提供一种包含采空区的三维矿山实体模型的建立方法，该方法包括以下步骤：

如前面所述的步骤步骤s1～s8，以及如下所述的步骤s9～s12，s9、与步骤s1～s8独立的，可在其先、在其后或同时进行地，利用midas有限元分析软件中地层生成器，可由赋有高程的采空区地表等高线生成与实际相符合的地表面模型；

s10、与步骤s1～s8和步骤s9独立的，利用midas有限元分析软件建立一定尺寸的矿山实体，该实体包含矿山的地质地层；

s11、将s9中得到的地表面与s10中的矿山实体进行面切割实体运算，即得到了与实际情况相符合的矿山地层地貌三维实体模型；

s12、将s8中的三维采空区实体模型与s11中的三维矿山实体模型进行布尔运算，即得到了包含采空区的三维矿山实体模型。

本发明还提供一种矿山采空区的建模分析方法，该方法包括以下步骤：

如前面所述的步骤步骤s1～s12，以及如下所述的步骤s13～s16，s13、将s12中得到的采空区-围岩实体模型使用midas有限元分析软件进行精细化网格划分，得到包含采空区的矿山三维网格模型；

s14、在midas有限元分析软件中将s13中的三维网格模型保存成fpn文件；

s15、利用fpntoflac^3d.exe软件，将s14中的fpn文件转换成flac^3d文件；

s16、将s15中生成的flac^3d文件导入到flac^3d软件中，赋予模型中每种岩体物理力学参数，建立研究所需的分析工况，对地下采空区进行各种情况的分析。

进一步，在本发明中，步骤s1之前，先规划好要进行扫描的采空区，且在采空区内找到坐标原点，便于将扫描的采空区点云数据对应到实际采空区的位置，为后期模型的建立奠定基础。

进一步，在本发明中，步骤s1中，还包括使用数据拼接标记，以便对采空区内进行两次以上三维激光扫描仪作业后得到的数据进行拼接识别。

进一步，在本发明中，步骤s1中，所述数据拼接标记包括至少两组圆球，且每组圆球为三个或以上，每次作业时在三维激光扫描仪的前方三个不同位置放置或挂设三个圆球，待此次三维激光扫描仪作业完成且扫描仪前行到这三个圆球前方时，将第二组圆球放置或挂设在三维激光扫描仪作业的前方的三个不同位置上；优选所述圆球为在黑暗处易于识别的白球。

进一步，在本发明中，步骤s2中所述处理三维激光扫描仪点云数据的软件是faroscene软件。

进一步，在本发明中，cad软件是autocad。

进一步，在本发明中，步骤s3中所述cad软件可以打开的文件格式是.rcp格式。

进一步，在本发明中，步骤s4中各个面的曲面轮廓线为各个面的不规则曲面轮廓线。

进一步，在本发明中，步骤s5中midas软件能识别的格式是.dxf格式。

相比于现有技术，本发明具有以下有益效果：

(1)、本发明的方法中，首次采用三维激光扫描仪将矿山采空区的数据采集成点云数据，并在cad中建出真实情况的曲面轮廓线，再结合使用midas有限元分析软件进行处理，为本发明中首次获取矿山三维采空区实体模型提供了基础。得到矿山采空区可视化的三维形貌，为采空区的定性研究奠定了基础。

(2)、本发明中还结合midas有限元分析软件得到的矿山三维实体模型得到了包含采空区的三维矿山实体模型，因而本发明中首次获取到可视化的包含采空区的三维矿山实体模型，为矿山和采空区的定性研究提供了基础。

(3)、本发明在获取包含采空区的三维矿山实体模型的基础上，还结合使用flac软件，得到了矿山采空区模型的定量数据，为矿山采空区稳定性分析带来更为可信的结果。

总的来说，本发明提供的方法极大降低了手动建模的复杂度，显著提高了建模的效率，更真实地反映矿山采空区的形状体积等情况，得到较为准确的分析结果，为采空区治理提供较为准确的参考。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明一种矿山三维采空区实体模型的建立方法实施中的流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

参见图1，本发明提供的一种矿山三维采空区实体模型的建立方法，该方法包括以下步骤：

s1、采用三维激光扫描仪在矿山采空区进行扫描，将矿山采空区扫描成点云数据；点云数据是指扫描资料以点的形式记录，每一个点包含有三维坐标；在进行s1步骤前，首先要规划好要进行扫描的采空区，且要在采空区内找到坐标原点，便于将扫描的采空区点云数据对应到实际采空区的位置，为后期更加真实的建立三维矿山实体模型奠定基础；

s2、通过专用的处理三维激光扫描仪点云数据的软件对各个扫描节点所获得的点云进行拼接处理，得到整个采空区的由点云构建的三维模型；由于三维激光扫描仪有效作业范围在20m以内，所以对于采空区群而言，不可能一次性就扫描出来，况且采空区内部有充填体、预留矿柱等结构，造成激光扫描不全的问题，为了解决这个问题，每次扫描前，在扫描仪器的前方和后方各摆三个白色特制圆球，后期在处理点云数据的软件中可以依据圆球将每次扫描的点云数据很好的拼接，实现采空区整体效果；其中，专用的处理三维激光扫描仪点云数据的软件是faroscene软件；

s3、将处理完成的由点云构建的三维模型用专用的处理三维激光扫描仪点云数据的软件保存成.rcp格式的点云文件；

s4、将保存的.rcp格式的点云文件导入到autocad中，在autocad中将采空区的轮廓用样条曲线描绘出来，形成采空区各个面的不规则曲面轮廓线，并分别保存；利用autocad中的插入-附着命令打开.rcp格式采空区点云数据文件，会形成三维点云采空区模型，依据模型各个面，建立各个面的轮廓线；

s5、将s4中得到的各个不规则曲面轮廓线转换成.dxf格式文件，并保存；

s6、将s5中的各个不规则曲面的.dxf格式文件，利用midas有限元分析软件与autocad之间的接口导入到midas有限元分析软件中，每个面的轮廓线处在同一个三维空间之中，还原了实际采空区每个面的轮廓线；

s7、利用midas有限元分析软件中的强大的前处理建模功能将每个面的轮廓线生成面，再利用midas有限元分析软件中的扩展功能将面生成实体；

s8、生成的多个实体通过midas有限元分析软件中的实体交集运算实现对三维采空区模型的重构，形成了与实际情况相符合的三维采空区实体模型。

本发明还提供一种包含采空区的三维矿山实体模型的建立方法，该方法包括以下步骤：

如前面所述的步骤步骤s1～s8，以及如下所述的步骤s9～s12，s9、对矿山的等高线地形图经过删减、附加高程等处理，并保存为.dxf文件；利用midas有限元分析软件中地层生成器，可由赋有高程的矿山采空区地表等高线生成与实际相符合的地表面模型；

s10、利用midas有限元分析软件建立一定尺寸的矿山实体，该实体包含矿山的地质地层；

s11、将s9中得到的地表面模型与s10中的矿山实体在midas有限元分析软件中进行面切割实体运算，删除切割面上部实体，即得到了与实际情况相符合的矿山地层地貌三维实体模型；

s12、将s8中的三维采空区实体模型与s11中的三维矿山实体模型在midas有限元分析软件中进行布尔运算，即得到了包含采空区的三维矿山实体模型。

本发明还提供一种矿山采空区的建模分析方法，该方法包括以下步骤：

如前面所述的步骤步骤s1～s12，以及如下所述的步骤s13～s16，s13、将s12中得到的采空区-围岩实体模型进行精细化网格划分，得到包含采空区的矿山三维网格模型；通过网格模型化，就能将前面得到的实体模型用于力学运算，从而得到采空区的准确的力学数据，判断采空区的稳定性；

s14、在midas有限元分析软件中将s13中的三维网格模型保存成fpn文件；

s15、利用fpntoflac^3d.exe软件，将s14中的fpn文件转换成flac^3d文件；

s16、将s15中生成的flac^3d文件导入到flac^3d软件中，赋予模型中每种岩体物理力学参数，建立研究所需的分析工况，对地下采空区进行各种情况的分析。

其中，研究所需的分析工况例如包括线性与非线性静力分析、动力分析、渗流分析或者矿体开采与采空区充填分析；

经过s16步之后，能得到如下角度的相应数据：例如应力集中、矿柱轴力、矿柱位移、顶板位移和/或矿柱塑性区；这些分析可用来判断采空区的稳定性，例如：大面积塑性区或者顶板位移较大，则采空区的稳定性就较差。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。