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摘要 ：井巷工程质量水平对矿山安全生产作业过程具有关 键性作用。井巷工程是数字化矿山建设的重要组成部分， 可以为 后续开采过程提供安全经济的可靠数据支撑。三维数字化软件 的使用范围日益广阔，应用价值较高。因此，可以使用三维数字 化软件完成井巷工程三维建模，为安生高效井下开采起到保驾 护航的作用。本文主要阐述了大屯锡矿井巷工程三维建模方案及有效开展方式。
关键词 ：大屯锡矿井巷工程,三维建模方法,项目开展方案
在建设数字化矿山的过程中，井巷工程三维模型应用范围 越发广泛， 对于模型的精准程度日益提高。大屯锡矿正在朝着现 代化与信息化矿山的方向不断前进。在实际应用中， 需要充分发 挥出各种软件的优势与长处， 实现精细化点云建模的目标。
1 项目开展背景分析
井巷工程是矿山生产运输、通讯、排水、通风、充填、供水、 压气的重要渠道之一，在矿山安全、高效开采过程中发挥着“眼 睛”的作用。井巷工程三维实体模型是数字化矿山安全生产系统 的重要组成部分，能够给大屯锡矿开拓设计、计算采掘工程量、 地质储量估算、生成自动工程图、地质找矿设计等提供有力数据 支撑。测量图件由原来的手工绘制到二维平面图再到三维图件 的转变，由 1 张A3 纸到 10MB 内存的 CAD 图形到海量点云数据 生成的上百MB 内存的三维实体模型信息的推进。测量图件数据 量逐渐增加，运行图件耗费时间日益增进，导致Dinmine软件出 现图件卡死、打不开、运行缓慢等情况，这在一定程度上阻碍了 三维数字化软件的顺利推广的进程，也降低三维数字化矿山的 推进速度， 造成了生产设计图出图的低效率、高费时等情况。
2 项目开展意义分析
优化由海量点云数据生成的巷道模型，可以在不同精度情 况下随意缩小、转变角度、随意切割任意剖面模型，提取多方面 的数据信息， 加快井巷工程中三维模型的运行速度， 降低电脑系 统配置， 不断提高系统的工作效率以及人员的工作质量。在数字 化矿山任务建设过程中，井巷工程三维模型应用范围日益广泛， GeoSLAM 手持三维扫描仪的使用频率不断提高，生成的数字化 模型日趋精准。为了在矿山生产过程中顺利推进应用三维数字化软件， 为实际生产过程提供重要保障， 需要不断优化井巷工程 生成的三维模型机制， 获得理想的优化效果。
2.1 大屯锡矿发展现状
目前大屯锡矿建立了矿体模型、井巷模型、地表模型及高效 钻孔数据库，有效提高矿山测量、采集等方面的研究精确程度， 为矿山开采提供科学有效的数据支撑，提高设计生产过程的合 理程度， 有效指导生产。矿山数字化三维软件能够实现矿床三维 地质建模、计算储量与动态管理、测量验收与结合数据成图等任 务，设计地下开采系统与单体、回采爆破过程、生产计划编制过 程，求解计算并优化矿井通风系统， 优化露天矿井开采边界及采 剥顺序， 使用可视化的方式展现出工程图表， 提高了项目工程的 数字化与智能化水平。
2.2 大屯锡矿实际生产力及未来发展方向
大屯锡矿的信息化及现代化程度不断提高，当前矿山搜集 数据主要包括全站仪井下控制测量数据及反映井下工程系统空 间位置关系的手持式激光扫描设备及实时井巷点云数据信息， 在三维可视化Dimine 制图软件的配合作用下保存并使用此类数 据信息。选择科学合理的点云数据解算软件， 建立三维建模参数 搭载平台， 通过规范使用点云数据信息， 可以创建井巷工程的模 型过程，提高测量Dimine 测量历史数据的标准化程度，将测量 成果上传到协同平台上， 为后续生产过程奠定基础。
2.3 大屯锡矿巷道建模推广及成果效益分析
该项目可以标准化测量Dimine 巷道模型，提高点云建模过 程的统一程度， 保证建模参数的一致性， 切实优化井下巷道工程 三维数据信息。提高点云数据的采集精确程度， 使用点云数据进 行建模， 统一将其上传到平台， 提高整个流程的标准化及规规范 化程度。
该项目可以直接优化井巷工程的三维模型，提高模型的打 开速度和提升整个系统的工作效率。通过各种参数优化， 解决井 巷工程模型存在冗余的问题。同时解决了随着建模持续化的推 进模型数据占据系统内存的根本问题。
3 绘制矿山井巷工程实体模型的几种方法分析
3.1 使用软件绘制矿山井巷工程实体模型
首先，可以使用Auto CAD 制图软件绘制实体模型。当前，国内大多数矿山井巷工程都是使用全站仪设备完成控制测量任 务的， 使用支距方法测量获取关于实体模型的相关数据信息， 拉 近巷道掘进方向干线， 使用Auto CAD绘图软件开发的小程序绘 制巷道纵向横断切面图形。
其次，可以使用 Surpac矿业工程软件绘制实体模型。Surpac 大型数字化矿山软件旨在开发出资源规划与矿产管理系统，在 资源评估、矿山规划及生产计划管理等过程中发挥着重要作用， 贯彻在矿山生产全生命周期范围之中。
再次，可以根据轮廓线或者中心线绘制井巷工程三维模型， 将其导入到Dimine软件系统中使用工具栏中的实体模型及创建 三角网络功能， 绘制出井巷工程的实体模型、顶板模型及底板模 型信息。可以根据中心线绘制出井巷工程的三维模型。
3.2 三维激光扫描仪器测量井巷工程模型
随着科学技术的进步与发展，三维激光扫描测量技术受到 了追捧与关注。全数字化优势突出， 给矿井测量工作提供了崭新 的思路与方法。
首先，移动式三维激光扫描仪。手持便携式激光扫描一起 具有 SLAM 系统，能够完成移动式实时快速测量任务，获得高精 度、高质量的单位点云数据信息。该设备主要由手持探头、采集 设备组成，测量距离可达 30m，测量范围广泛，每分钟可以采集 43200各点云数据。三维激光扫描仪能够解决适应未知环境的缺 陷，在空间运动中具有不确定性特征， 可以通过重复测量观测地 图特点， 实现定位及构建地图的目标。扫描仪器的扫描过程没有 控制点， 需要从一个方向匀速运动到观测区的终点， 返回起始位 置，停止扫描工作， 获得区域内部井巷工程的三维坐标点信息。
其次，全站式三维激光扫描仪的测量精度较高，具有自动追 踪与校准的功能， 是一台高速激光扫描、全景扫描与内置广角相 机扫描的功能， 具有高精度自动化测量功能， 可以实现精细扫描 的目标， 可以将全站仪和扫描仪的功能有机整合在一起， 获得曲 面特征点的数据信息。
再次，三维激光扫描仪 CMS400.CMS 空区三维扫描系统 采集到成千上万个用于确定空区尺寸、方位、体积的三维坐标 点，并用这些点绘制详细的工程图。通用的数据格式，可以确保 CMS 数据导入到任何软件进行处理。将其导入到Dimine软件系 统中使用工具栏中的实体模型及创建三角网络功能，绘制出井 巷工程、溜井、采空区的实体模型， 然后提取各类模型信息。
3.3 不同建模方法的比较分析
(1) 软件建模需要根据导线间控制点使用支距方法获得井 巷工程断面的详细信息。实际工作过程中，每个断面数据的间 距大小为 3m ~ 5m，对于测量设备的性能要求较低，可以使用 皮尺完成数据搜集包含但不限于距离、左支距、有右支距、巷道 高、特征点全高。该方法获得的数据量较小， 内业处理过程相对简单，难以反映出完整的井巷工作状况，导致模型与现实差距 较大。
(2) 移动式三维激光扫描仪建模可以在短时间内完成矿山 三维数字模型点云数据测量， 有助于提高测量效率， 在空间条件 复杂的情况下具有较高的使用价值。该方法的测量过程简单， 点 云密度较高，可以完整详细的反映出地下空间状态，给数字化 开采及管理过程提供完整详细的三维数据信息。将数据存储成 DXF格式。
4 项目研究内容及实施方法分析
4.1 排查电脑运行系统卡顿原因
在一坑坑口办公室进行三个方案的研讨。首先需打开运行 数度最慢的大屯锡矿大马芦 1720 中段的巷道以及采空区模型， 将其作为排查过程的重要数据支撑，以平方公里的方式将模型 图划分为七个不同的部分，将其保存为 dmf类型文件，详细记录 每个文件占用的内存数据及打开时间信息，分析文件大小与打 开时间之间的关系，绘制关系图形。实际上，文件内容本身是影 响文件打开速度的主要原因， 但不是唯一原因。
其次，可以选择具有代表性的巷道模型，如上坡、下坡、水 平等，1480 中段斜坡道，使用Dimine 巷道模型中的腰线方法建 立新的巷道模型， 比较不同模型的特点， 分析模型的三角面片结 构，总结每个模型的属性信息，分析模型要素的相异性，删除原 始文件的要素类别， 将其保存下来并重新开始， 从而提高模型的 打开速度。因此，模型的要素信息会影响模型的打开速度，但并 不是影响其流畅性的唯一因素。
再次， 可以选择具有代表性的空区模型， 1720 中段大马芦空 区，使用Dimine 空区模型中六面体化以及抽稀功能，删除冗余 的点云文件以及多余的三角面片， 删除飞点， 分析模型要素的特 性，依据现场的井巷工程特点，优化模型结构，从而提高模型的 打开速度。
使用手持式三维激光扫描仪器获得的数据类型多为点云数 据信息， 会影响巷道模型的打开速度。可以使用实验对比的方式 测量生成模型的点云密度参数信息，分析构成模型的三角面片 数量， 优化Dimine模型参数。经过以上三种方案对比， 发现不同 的参数设置会影响模型的实际打开运行速度。
4.2 测试点云密度参数、三角面片参数及Dimine 优化参数
使用实验对比的方法测试生成模型的点云密度参数信息， 创建模型的三角形片参数信息，优化Dimine 模型参数，测试 点云密度信息，利用软件导出模型，保留原来模型的 20%，使 得构成模型的三角形面数量不超过一定数量，使用 Geomagic Control2015 软件建立具体的巷道模型， 固定Dimine 优化参数， 选择不同参数设置。将其设置固定设置为 0.25.选择 0.1、2、5三种优化参数，测试显示，需要选择200m 左右的巷道。选择参 数 0.1.解算时间大约为 10min ;选择参数2.则解算时间大约为 20min，选择参数为 5.则解算时间大约为 40min。通过以上三种 方案对比，得出参数设置不同，结算时间不同，根据大屯锡矿的 实际生产需求， 最终确定， 选择方案 1 即可满足生产。
4.3 点云数据处理研究
在一坑坑口办公室选择点云数据处理软件研究点云处理过 程的先后顺序。通过对比不同点云处理过程的优势， 获得关于控 制点匹配程度及精度评判过程报告。如果不同控制点坐标的匹 配程度较差， 将其转化成为绝对坐标， 通过软件获得某些点的绝 对坐标。通过各种数据处理方法，提高不同坐标体系的匹配性， 对数据信息进行抽稀处理， 可以得出以下结论。
(1) 需要对点云做降噪处理操作，转换坐标体系，提高数据 体系的精确程度，使其高于先做坐标匹配再做降噪抽稀的点云 数据体系。抽稀和点云降噪可以在一定程度上避免孤立点云的 出现， 加快坐标转化进程， 提高坐标体系的精确程度。
(2) 需要研究抽稀参数及坐标匹配程度的相关信息。测试结 果表明， 可以使用软件有效降燥抽稀， 大幅减少点云体系的数据 量，提高电脑运行的速度与效率。均衡抽稀方法可以提高点云边 界数据的清晰程度， 使得点云数据在空间中分布的更加均匀， 提 高点云数据的可靠程度。
4.4 模型封装及成果归档研究
首先，需要研究巷道点云数据精细化建模及模型处理优化 程度。常用的三维建模软件有 geomagic control 和 3dreshaper。比 较两种封装软件的特点，可以得知在点云精细化建模及模型优 化方面， 前者的优势更加突出， 能够有效去除巷道模型内部的多 余点，自动检测模型信息，统计模型存在的问题，优化过程较为 简单， 具有一键优化的特征。
其次，需要研究模型导出成果上Dimine 传协作平台。经过 多次参数测试过程，可以将模型以 dxf文件形式导出，无需对 原始点云数据进行降噪与精细化建模过程即可精确计算巷道体 积。在得到巷道体积之后， 需要对导出的模型进行面片抽稀与优 化，降低模型占用内存面积， 在三维商业软件辅助作用下实现存 储与归档的目标， 满足数字化矿山生产的根本需求。
5 项目创新点及取得的效益分析
5.1 项目的创新性与先进性
模型精度与模型使用速度在一定程度上是相互冲突的，通 过优化点云建模参数体系， 可以在两者之间找到一个平衡点， 确 保模型数据量与使用精度相互匹配，满足模型应用的基本需求。 同时， 需要规范井巷工程模型的三维建模构成， 选择科学合理的 云建模软件， 满足井巷工程模型的应用需求， 提高当前数据的兼容性与使用效率。该项目模拟出了点云数据的建模过程， 有效平 衡了井巷工程模型精度与数据量大小，可以在不同的应用场景 下选择合适的建模软件， 这是该项目主要的创新之处。在使用过 程中， 该项目能够解决工程模型打开困难的难题， 提高点云建模 过程参数体系的统一性， 解决数据量有大有小的问题， 保证井巷 工程模型历史数据在Dimine软件中保持属性的一致性。
5.2 项目取得的效益以及得出结论
(1) 经济效益方面。该项目解决井巷工程模型中存在诸多问 题，提高了模型使用效率，达到了创新性使用效果。在数字化矿 山建设中， 使用移动式扫描设备获取点云数据信息， 明确今后建 模方面。突破点云建模的局限性，实现创新与发展。通过研究与 优化井巷工程三维模型数据体系，也为大屯锡矿后续Dimine 三 维软件的长期正常运行夯实了基础，对点与数据生成井巷工程 Dimine模型具有长期性的指导意义，为大屯锡矿建立三维矿山 数字化模型打牢了根基。
(2) 通过项目建设，经过论证与分析，得出了适合于大屯锡 矿井巷建模的三种方案。
①小范围内底部堑沟、分层堑沟以及V 形堑沟适合利用步 距方法建模 ;②平巷、斜坡道、全面法采空区、充填法采空区、 充填进路、溜井主井以及人员可以进入的崩落法采空区适合使 用手持便携式激光扫描仪测量建模 ;③人员不能直接进入的 崩落法采空区及全面法采空适合使用 CMS400 激光扫描仪测量 建模。
6 项目存在问题分析
经过优化与改善之后，虽然不同的应用场景需要不同的模 型精度， 需要根据实际模型选择合适的建模方法、点云抽稀参数 及抽稀算法信息， 确定点云数据之后， 将各点拟合成大小不一的 曲面。但该项目难以使用Dimine软件精确表达出实体内部结构 状况，需要在人工辅助作用下完成建模任务。在未来工作过程 中，需要各取所长，充分发挥出软件各种功能的长处，实现精细 化点云建模的目标。
7 结语
综上所述，使用数字化三维模型开采矿山资源具有较强的 科学性与合理性， 可以大幅提高劳动生产效率， 降低劳动过程耗 费成本，提高企业综合竞争力，是建设数字化矿山的必要之路。 三维激光扫描技术具有测量精度高、工作效率高的特点， 能够满 足数字化矿山的高精度测量需求，在矿山测量工作中具有光明 的应用前景。
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