0   引言

巷道作为连接地面和地下而开掘的各类通道和硐室，是井下生产的动脉.由于井下巷道的复杂性和地下资源条件的不断变化，采用二维的方式显示巷道具有反馈速度慢，线路查看复杂，不能直观、立体、形象地描述井下已有巷道及其空间关系等缺点.随着计算机技术的快速发展和广泛应用，许多学者对巷道的三维实体建模做了有益的研究.魏占营^[1]采用巷道拱顶曲面离散化的拓扑数据思想，将巷道划分为巷道体和巷道间节点进行巷道三维建模；徐福玉^[2]以AutoCAD平台结合VC⁺⁺. NET和Object ARX技术完成三维实体井巷构建；沈沄^[3]利用拉伸、扫描、旋转等方法建立矿井通风网络的三维仿真模型等^[4-7].本研究以福建马坑铁矿二维巷道实际数据资料为依据，利用AutoCAD软件强大的制图功能和Surpac矿山软件优越的建模功能，构建了该矿三维实体巷道模型，实现了马坑铁矿巷道二维表达向三维转化，从而能直观的描述三维实体巷道与巷道围岩的空间位置关系，为合理确定矿山开拓系统、优选采矿方法奠定了基础.

1   三维实体巷道构建的基本思路

1.1   巷道建模的数据源

巷道导线点的坐标是巷道数据源，井下的每一条巷道都布置了具有三维坐标的导线点，巷道的空间位置是由导线点的三维坐标决定的，因此巷道内的导线点是构建三维实体巷道的数据源.相对于整个矿区建模而言，可将巷道分解为多个相互交错的单一的巷道体，如果将巷道抽象为一条线，这条线就是巷道中线.如果将巷道体抽象为巷道中线、巷道断面和巷道的三角网格，那么相对局部矿区建模而言，根据巷道用途以及断面形状的不同，巷道体是不一样的.而巷道的空间形态是由巷道的断面决定的，因此巷道的断面数据也是构建三维实体巷道的数据源之一.

1.2   巷道中线构建

由于井下测量受空间的限制，并且一些先进的测量仪如全站仪等在很多矿山单位还未能配置，所以导线测量仍是井下测量的主要手段.井下测量的导线点顺次连接起来并不是巷道的中线，因此导线点不能直接用来做巷道的中线，需根据导线点采用巷道中线逼近^[8]的方法进行处理，来实现导线点换算为巷道中线点^[9-10].将一条巷道换算后得到的中线点连接起来，即成了该巷道中线，所有的巷道中线组合在一起即可描述整个巷道的网络拓扑结构.

1.3   巷道断面构建

巷道实体模型可直观反映巷道与矿岩、围岩空间位置关系.巷道模型采用中心线加巷道横断面的方法进行.根据巷道的功能并结合其地质条件情况，巷道的断面可能是矩形、半圆形、梯形拱、三心拱甚至是圆弧拱^[1].本研究涉及到的断面形状主要是直壁拱形和圆形断面，圆形断面可类比直壁拱形进行建模.

直壁拱形巷道的断面形状可以利用r、h、w 3个参数来控制.在运用矿山软件Surpac建立三维实体巷道时，为了加快巷道建模的速度、提高建模的效率并达到建模的智能化、自动化.采用5个线段逼近的方法来表达巷道拱顶的曲线部分，最终形成的巷道断面由8个坐标点组成（如图 1），虚线表示巷道拱顶的曲线部分，1~8表示点坐标的位置.

图  1  巷道断面图

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2   三维巷道实体的实现

2.1   工程概况

福建马坑铁矿为国内特大型磁铁矿之一，现已探明为华东第一大矿，矿石类型为磁铁矿，具有储量大、岩体稳定、可选性好、矿床埋藏深度大、矿坑涌水量大和伴生钼矿可综合利用等特点，总储量为4.34亿t，平均品位Fe 37.99 %，矿区分为中、西两个矿段，铁矿石地质储量约为4.34亿t，其中：中矿段1.15亿t，西矿段3.19亿t.初步规划可建设600万t/a的特大型地下开采矿山, 建成后将成为国内最大的地下铁矿山, 计划分三期建设, 第一期开采+420~+530 m标高段矿体，地质储量约667.19万t，第二期开采+150~+420 m标高段矿体，铁矿石储量3800万t；第三期开采－100~+150 m标高段矿体，该范围内铁矿石储量20 700万t.

随着实际开采的不断进行，井下巷道将不断的增加且更加的复杂.如图 2为马坑铁矿局部巷道，该二维平面图将巷道抽象成双线，这种显示巷道的方式不能直观的确定井下巷道的空间位置关系，而且巷道与周边岩体的空间位置关系难以显示.为此采用矿山建模软件Surpac并结合绘图工具Auto－ CAD将巷道二维表达向三维转化.

图  2  马坑铁矿局部巷道

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2.2   三维实体巷道的形成

Surpac矿业软件是世界矿业领域内具有领先水平的矿山应用软件，在全球90多个国家和地区有5000多个用户，该软件有以下优点：能建立空间数据库、建立空间实体模型、块体模型，有优越的三维制图功能，能充分利用主剖面与加密剖面的探矿成果，建立切合实际的矿体三维模型、品位模型和巷道三维模型.

目前马坑铁矿开采主要有+420 m、+390 m、+360 m、+330 m和+300 m 5个中段，各中段的水平巷道分别根据平面图建立巷道三维模型，其它巷道如斜坡道、提升井、盲斜井等根据巷道中线及巷道断面实测尺寸建立巷道模型.巷道建模步骤如下：

（1）在已有的井下巷道AutoCAD二维图中，根据中段标高和巷道轨道数目进行巷道断面划分，如表 1中段高度为+420 m巷道断面尺寸情况.

表  1  中段高度为+420 m巷道断面

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（2）针对不同中段高度的井下巷道导线点，图 3为+420 m中段局部巷道及巷道导线点（图 3中黑点代表导线点），在AutoCAD中采用巷道中线逼近的方法进行处理，得到经过换算的巷道中线点，再连接各中线点得到+420 m中段巷道网络拓扑结构，如图 4所示.

图  3  +420 m中段局部巷道及巷道导线点

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图  4  +420 m中段巷道网络拓扑结构

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（3）保存巷道网络拓扑结构和巷道断面为dxf格式文件，完成巷道网络拓扑结构和巷道断面的AutoCAD处理.

（4）网络拓扑结构在其节点处巷道延伸的方向不明确，为了便于巷道体的生成及巷道间的布尔运算需要对巷道网络结构在AutoCAD中进行处理.巷道网络拓朴结构可用结点、节点和巷道线^[5]三种基本元素组成.图 5为处理后的巷道网络示意图，图 5中的A、B、C、D等表示结点和节点，1、2、3、4表示巷道线.表 2为处理后拓朴网络结构形成三维实体的巷道中线路径.

图  5  巷道网络示意图

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表  2  拓朴网络结构

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（5）在Surpac中导入dxf格式文件，并转换保存为str格式的线文件.运用Surpac的坐标转换功能将巷道中线局部坐标转换为与实际相符的世界坐标，再由中线与断面形成巷道实体的功能建立不同类型的巷道实体（如主斜坡道、竖井、斜井、各中段巷道实体等），并保存为dtm格式的实体模型.

（6）将形成不同类型dtm格式的巷道实体组合成一个总的dtm格式文件，为了表达巷道模型的空间位置关系，采用将其与部分岩体模型共同展现的办法来实现，如图 6所示.

图  6  巷道实体模型与部分岩体的空间位置关系

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3   结语

巷道是为采矿提升、运输、通风、排水、动力供应等而掘进的通道，是井下生产的动脉.利用AutoCAD软件和Surpac矿山软件建立马坑铁矿三维实体巷道模型，实现马坑铁矿巷道二维表达向三维转化，将各采掘工程巷道与岩体之间的空间形态全方位地、可视化地、动态地展现出来，为合理的确定矿山开拓系统、优选采矿方法提供了良好基础，大大提高工程设计、分析的能力.其次建立三维实体巷道模型不仅能确保巷道资料管理工作的准确性，也减少工作量，提高管理人员的工作效率，而且能提高企业决策的科学性和生产过程的可控性，为实现现代矿山的科学化管理，构建数字化矿山奠定了基础.