复杂采空区三角网模型剖面轮廓线提取方法

 采空区是矿山安全生产面临的主要灾源之一,准确获取采空区剖面等信息是实施采空区灾害防治及空区周边资源安全开采的重要基础,而采空区三角网模型剖面轮廓线提取是采用可视化方法实现采空区剖面准确获取的前提。在分析目前常用的三角网模型剖面轮廓线提取方法（即最小距离法、扇形区域法和凸包算法）运用于提取边界复杂的采空区剖面轮廓线时存在缺陷的基础上,对传统的方法进行了改进,形成了适用于复杂边界采空区三角网模型剖面轮廓线的提取方法--凸包压入法。首先以垂直于任意坐标轴的平面剖切采空区三角网模型得到轮廓线的无序点集,提取无序点集的凸包线作为初始轮廓线,然后将包络于初始轮廓线内的点按张角最大的原则全部添加到轮廓线中,获得完整的剖面轮廓线,形成采空区剖面。实际应用表明,研究形成的算法能够快速有效地提取复杂采空区的剖面轮廓线,可准确获取复杂采空区剖面,具有很好的实用价值。     

金属矿采空区精密探测与三维建模技术

传统的金属矿采空区探测方法只能开展对空区的二维探测,难以准确获取采空区三维空间形态、实际边界和体积大小,运用CMS空区精密探测系统及Surpac等数字化软件工具,在对柿竹园多金属矿的采空区进行现场探测的基础上,用探测数据建立采空区的可视化三维模型,获得采空区的三维空间形态、空间位置、实际边界,精确计算出采空区的体积和顶板面积,实现对采空区的三维精密探测,为矿山实施对空区的安全管理和控制、进行空区周边矿柱资源的有效回收提供参考.图6,表3,参10.     

基于点云数据的采空区三维建模算法

为有效实施对采空区的控制和安全管理,需要准确掌握矿山采空区的体积、空间三维形态和实际边界。通过三维激光扫描技术可获取采空区表面点云数据,结合矿山采空区自身空间几何特点,提出伪极点-Crust建模算法。其基本思路为:在三维Delaunay三角剖分的基础上,给出伪极点的概念,以伪极点代替传统Crust算法中的极点,减小数据存储量;同时结合奇异四面体判别准则,确保采空区模型的准确性;通过使用模型内外检测算法和伪极点-Crust图抽取算法,建立采空区三维模型。用VC++实现该算法,对安徽铜陵冬瓜山铜矿采空区建模进行试验。研究结果表明:采用该算法建模快速,结果准确;该算法同样适用于实测巷道建模、采场验收、计算机几何造型、逆向工程和虚拟现实技术等。     

复杂采空区激光扫描拼合散乱点云球面投影三角剖分算法

利用三维激光扫描技术对采空区进行探测以建立三维可视化模型,从而准确获取其三维空间位置和形态,是矿山采空区事故隐患综合治理工作中的重要环节.但由于采空区形态复杂,往往需要从多个方位对其进行多次探测才能准确获取采空区完整的三维形态.如何对多次探测点云数据拼合后的散乱点云构建三角网格模型,是实现复杂采空区三维探测建模的关键.本文提出了采空区激光扫描拼合散乱点云数据球面投影三角剖分生长算法,首先选定球心将原位点云投影到球面上得到投影点云,然后对投影点云进行三角剖分,最后将投影点云三角网空间拓扑关系还原到原位点云,从而构建复杂采空区三角网模型.为了有效实现算法,研究了球面投影参数设定、XYZ三向单元栅格点云搜索策略、三角形生成规则、优势顶点边界切分策略、边界闭合策略、不规则三角形优化策略等多种方法.实际应用表明,所研究的算法能够生成优质的采空区三角网模型,为实现复杂采空区三维精确建模及可视化管理提供了重要技术支持.     

采空区体积三角网模型剖面的微积分算法

为了准确获取采空区空间体积,以采空区三维激光扫描系统探测到的原始数据为依据,提出采空区体积的三角网模型微积分算法.算法首先确定模型剖切的主轴方向,用一组等间距平行面对模型进行相切并获得剖面的无序点集,运用所提出的凸包压入法生成采空区剖面的初始边缘轮廓线;再将初始边缘轮廓线内的其他交点添加到剖面中,形成完整的采空区剖面形态;最后利用平面三角形有向面积叠加计算剖面面积,将剖面面积与微小间距进行积分获取采空区的体积.工程应用表明,所研究的采空区体积算法稳定性好,精度高,可实现对复杂采空区体积的有效计算.     

基于CMS的隐患空区三维特征信息获取

在三维激光扫描原理基础上,针对井下不同作业环境提出了相适应的隐患空区激光探测系统(CMS)现场探测方法,即空区底部探测、封闭空区探测和通过空区上部通道探测.针对探测原始数据格式及其特点,研究了CMS空区探测点云数据过滤与探测数据拼接的原理,提出了多点扫描数据的拼接方法,实现了空区探测原始点云数据格式的转换,为建立空区三维实体模型提供了数据基础.结合Delaunay三角网剖分法,提出采用矿业软件Surpac构建可视化程度更高、可编辑性更强和实用性更好的空区三维模型方法,并将该技术成功应用于广西高峰矿复杂隐患空区三维特征信息获取及其可视化中.研究表明,采用该方法获取的空区三维特征信息为矿山实施空区评价与治理、开采质量控制、资源有效回收方案制定提供了技术支持.     

复杂空区群露天开采境界三维可视化及其应用

为了预防露天开采境界下复杂空区群对矿山生产造成重大安全事故,研究以不规则三角网(TIN)为基础的复杂地质体三维可视化建模技术,并以Surpac软件为平台制定出相应的复杂空区群露天开采境界三维可视化实施方案。将该方案应用于某矿区,建立该矿区内露天开采境界地表、地下矿体以及复杂空区群的三维可视化模型,重点对空区群内部错综复杂的通透关系进行三维描述。研究结果表明:复合模型的建立明确了地表、地下矿体及各水平采空区之间的空间位置关系,可利用其分析空区群的安全隐患及空区间的连带破坏作用,为露天境界内复杂空区群的灾害控制、安全性评判及矿区地表开采的施工设计提供了参考依据,从而解决了多空区矿山的盲目开采问题,有效预防了重大安全事故的发生。     

大规模采场三维探测及回采指标可视化计算

针对我国金属矿山大规模采场回采指标难以准确获取的现状,综合运用空区激光探测系统(CMS)和大型矿床三维软件Surpac等数字化工具,结合凡口铅锌矿N3-4采场实际,研究一种新颖的大规模采场回采指标可视化计算方法.采用CMS探测三维采场空区,以宅区实测数据为基础运用Surpac构建采空区三维可视化模型,获取采场空区的三维形态和实际边界;运用采场设计资料,建立采场回采设计模型及矿岩边界模型,通过模犁间的布尔运算,计算出采场存留矿量、回采总体积、采下废石量、采下充填体最、采下纯矿石量、回采总量及回采贫化率等,从而有效地实现了大规模采场回采指标的可视化计算.研究结果表明:采用该方法计算获得的采场回采指标可靠,可用于矿山实际生产管理和同采质量评估.     

深井采场大规模垮塌三维探测及可视化计算

运用空区激光探测系统(CMS)和大型矿床三维软件Surpac等数字化工具,结合冬瓜山铜矿深井采场垮塌区实际,研究一种新颖的大规模采场垮塌区综合信息可视化计算方法。采用CMS对采场垮塌区进行三维探测,获取垮塌区相关信息,并以垮塌区实测数据为基础,运用Surpac构建起垮塌区三维可视化模型,准确获取采场垮塌区三维形态和实际边界;运用采场设计资料建立采场底部结构、回采设计单元及矿堆三维模型,通过模型间的布尔运算,准确计算垮塌区体积、顶板暴露面积及存留矿量等综合信息。研究结果表明:采用该方法可有效地实现大规模采场垮塌区综合信息的可视化计算;计算获得的采场垮塌区信息可靠,为矿山准确掌握垮塌区现状,制定治理及回收垮塌区周围矿体方案提供重要的依据。     

金属矿山矿柱回采三维可视化设计

 针对矿山传统二维设计方法的不直观、可计算性差等缺点,提出了三维矿业软件与空区激光探测系统相结合的采场三维可视化设计方法。首先通过空区激光探测系统（CMS）获得采空区的实际形态,在Surpac软件中构建采场局部地质模型,将探测所得实体模型与局部地质模型进行布尔运算后获得矿柱的三维模型,在此基础上进行了采准工程的布置,实现了采场设计全程三维可视化。以某金属矿山为例,运用CMS和Surpac软件对E2-3采场进行了中深孔爆破回采方案设计,在Surpac软件中快速获取矿柱剖面,通过建立爆破设计数据库,对各剖面进行了中深孔爆破设计,最终生成了爆破设计报告。根据统计获得设计采场体积及所需炸药量,经计算炸药单耗约为0.892kg/m3,该指标与经验值较为吻合。实践证明,该方法能够较好地解决矿柱边界难以确定,传统设计三维显示不够直观等问题,并且计算比较方便,具有重要的推广应用价值。     

基于散乱点云的快速体积计算法

三维可视化体积计算基本上都是先由散乱点云构建出表面网格模型,然后基于网格模型计算体积,存在计算量大、速度慢的缺点.针对此问题提出一种快速体积计算法,首先使用改进的增量式Delaunay三角剖分对散乱点云进行四面体剖分;然后利用K近邻计算散乱点的拟合曲面和最小生成树,得到各点的法向量;由各点法向量剔除体外四面体;最后计算各四面体体积之和从而得到总体积.实验表明,该算法不仅保证了计算准确度,而且较传统算法大大提高了效率.     

采空区点云数据的小波平滑方法

利用3D空区探测系统(CMS)采集矿山采空区点云数据为线扫描方式,在三维重建之前对点云数据进行平滑处理是一个必要的环节.提出了一种基于小波变换的采空区点云数据平滑方法,该方法主要分为三维扫描线的降维处理和信号平滑滤波2个步骤.对采空区的三维激光扫描线,用弧长为参数进行参数方程分解,将三维空间扫描线分解到3个方向上,利用一维信号处理方法分别进行小波平滑处理,再将平滑处理后的数据重建扫描线.通过在MATLAB环境下对某采空区的一条扫描线进行了仿真实验,证明了该方法有效的解决了采空区三维激光扫描线的不光滑问题.     

改进的Sage-Husa算法及其在工业在线检测中的应用

针对工业在线检测环境复杂多变的特点,在现有方法的基础上,提出了一种改进的Sage-Husa自适应滤波算法。该算法在获得新的观测值后,先通过滤波发散判据判断滤波器状态是否正常,若异常,进一步采用一种一步延时方法判别新的观测值是否为野值,依据判别结果分别采取不同的对策,从而提高Sage-Husa算法在工业检测中的性能。将新算法应用于模拟工业环境的激光束中心定位检测,结果表明:新算法能对系统状态做出准确判断,与传统方法相比,滤波精度较高、实用性好、鲁棒性强,能满足工业在线检测的要求。     

采空区危险性的支持向量机识别

针对采空区危险性影响因素与其危险性等级之间存在着复杂非线性关系的特点,笔者提出采用支持向量机最优分类理论来识别采空区的危险性等级。研究选取岩体结构、地质构造、岩石抗压强度、弹性模量、采空区形状、矿体倾角、高跨比、空区体积等8个参数作为主要影响因素,根据支持向量机理论,提出了1-V-1的采空区分类算法,并在Matlab中编程,建立了分类预测的SVM模型。以某矿山的实测采空区为例,利用该模型进行了识别,并与BP神经网络预测结果作对比。实例研究表明,采用该方法的分类结果比神经网络更准确,与采空区调查结果一致性好,用支持向量机理论进行采空区危险性评价是可行的。     

煤层气富集矿井采空区瞬变电磁波场变换成像技术

煤矿采空区及采动裂隙是煤层气富集、渗流及赋存的重要载体,精准探测采空区位置及采动裂隙成为煤层气开采的基础工作.基于波场变换理论,采用非线性阻尼最小二乘算法对波场变换积分方程进行反演计算,开展了全空间响应校正及波场数据处理,阐述了矿井瞬变电磁合成孔径工作方法,进行了采空区三维模型波场成像数值模拟,在晋城煤层气富集矿区开展了巷道掘进超前及工作面探测工程应用试验.研究结果表明:波场变换成像技术能够提取瞬变电磁信号中的电性界面信息,对采空区及采动裂隙的富水边界反映明显,钻探验证结果同波场成像及视电阻率综合分析成果吻合,该技术可降低体积效应对采空区及采动裂隙解释工作的不利影响.     

基于VRML的采空区信息管理系统的开发

 针对矿山企业因采空区数量逐渐增多而难以对其进行有效管理的现实问题,提出了一种基于网络的采空区信息管理系统设计与开发方法。以采空区信息获取为基础,运用采空区精密探测系统(CMS)、矿业软件Surpac、数字化软件QVOL和三维模型编辑器Vrmlpad准确获取采空区的二维和三维信息,开发基于B/S模式的采空区信息管理系统。系统实现了用户管理,采空区二维信息增加、删除、修改、查询和打印,通过IE等浏览器查看采空区三维模型,三维形态信息网络传输与管理,可以满足现阶段矿山企业各部门远程对采空区信息进行管理的要求,为矿山采空区安全监管提供了一种新的技术手段。     

巷道收敛监测三维动态可视化系统开发

结合传统巷道收敛仪与三维激光探测系统的优势,提出了一种巷道表面收敛变形的三维可视化方法,该方法利用激光扫描获取巷道点云数据,建立巷道三角形壳体模型.采用反距离加权插值算法,计算巷道表面的收敛量.利用收敛量与颜色索引对应的抛物线非线性增强算法,突出了关注范围内大的收敛变形.基于VS2010与HOOPS进行了系统的开发,实现了巷道表面监测收敛量三维云图的动态可视化显示.并在铁蛋山矿进行了实例应用,直观地展示了监测区域巷道收敛变形的危险区域与变形过程,系统满足工程人员对监测数据直观表达和可视化分析的需求.     

基于模糊神经网络的煤矿安全评价综合评判

针对煤矿安全综合评价方法中因人为因素、模糊因素及动态因素而导致评价结果不够准确的情况,依据煤矿安全评价指标体系结构,构建了基于模糊神经网络的多级模糊评判模型,提出了神经网络分级BP学习算法,解决了多级模糊评判中权值学习困难的问题,使训练速度和评判的准确性大幅提高.以鸡西矿业集团煤矿为研究对象,建立了基于模糊神经网络的安全评价模型.结果表明:该方法能有效地对煤矿进行安全评价,综合评判客观、准确.     

基于四棱柱体元的煤层储量计算方法

煤层储量计算是对煤矿床进行一定的地质勘查所求得的煤炭埋藏量。传统的地质块段法存在精度低、自动化程度不高、人为因素影响测量结果等关键问题。介绍了用地质勘探部门提供的煤层顶、底板等高线,用三棱柱体元进行地质三维建模的思想,结合离散点以及三角网布控的方法,灵活应用三角网插值算法,实现二维三角网的位置布控运算,实现三维煤层建模和储量计算的算法和程序实现。文章针对似三棱柱体元在计算煤层储量问题上的缺陷,提出了使用四棱柱体元对煤层进行建模的方法,解决了三棱柱体元模型不能同时处理煤层顶、底板局部交叉情况的问题。利用文章介绍方法开发的储量计算软件已经在部分单位推广应用,对煤层储量计算有一定的借鉴意义。