一种基于三维点云数据库的矿山数字模型建立方法

1.本发明涉及一种基于三维点云数据库的矿山数字模型建立方法，属于矿山三维数字建模技术领域。


背景技术：

2.随着地下矿产资源的不断开采，开采深度和开采强度逐渐加大，矿山动力灾害一旦发生将对人员安全和矿井生产造成严重影响。矿压观测是目前解决采动问题的主要决策依据，影响巷道矿压控制、开采程序设计、巷道位置合理选择与维护、冲击地压和突出的预测和防治、承压水上煤体安全开采等重大技术问题的决策部署。矿压观测受限于测试位置和成本高等问题，很难在矿区进行大规模的监测，仿真模拟技术的发展解决了实测受限的问题，可以为现场实践提供全面科学的指导。
3.仿真模拟的关键之一是构建模型，模型的准确性是模拟结果可靠性的重要依据，其中对于大型复杂模型的建立一直都是学者们关注的重中之重。前人所建模型有三点不足：1)模型较小，多为局部采区模型；2)模型简单，忽略了实际煤层褶曲、断层等地质构造；3)前人建立的矿山模型很少采用专业的建模软件，而多数模拟软件内置的建模模块较为简单，无法满足复杂地质条件下的建模需要。本发明选用专业的3d建模软件rhino，可以较高的还原煤层实际样貌，提高与现场实际的贴合性，满足复杂大型矿山建模的需要。
4.点云模型往往由测量直接得到，每个点对应一个测量点，未经过其他处理手段，故包含了最大的信息量。然而，这些信息隐藏在点云中需要以其他提取手段将其萃取出来，提取点云中信息的过程则为三维图像处理。
5.三维点云建模思想已经在多个领域应用，多采用非接触的方式采集目标对象的表面属性点信息，获得三维点云数据，而对目标对象的内部结构不做细致建模。目前，在采矿领域，三维激光扫描技术应用于露天矿山、边坡等地上模型构建，对地下复杂模型构建未有详细研究。为此本发明详细介绍了一种复杂矿山采掘反演数字模型的建立方法，其中重点介绍三维点云建模思想在地下模型构建的应用。


技术实现要素：

6.根据现有技术的不足之处，提供一种基于三维点云数据库的矿山数字模型建立方法，通过建立矿山三维点云数据库，进而利用三维建模软件，建立能够反映岩层起伏和延伸情况、采区和巷道位置、地质构造的矿山采掘反演数字模型。
7.为实现本发明的目的，本发明基于三维点云数据库的矿山数字模型建立方法，其特征在于：首先收集矿山数据资料，依据点云数据提取标准，提取有效岩层界面的坐标点位置信息，建立矿山三维点云数据库；然后利用矿山的三维点云数据构建岩层分界面、采区及巷道模型，构建地表的三维地质模型，进而构建矿山三维地质模型；在矿山三维地质模型上划分网格，得到还原了各标识岩层地貌、采区和巷道位置、断层形态及地表形态的矿山采掘反演数字模型，提高了模型的贴合性和准确性。
8.具体步骤如下：
9.s1、通过收集目标矿区地质资料，确定模型尺寸，并分析获取各岩层上下分界面空间坐标集、回采区段拐点空间坐标集、关键巷道拐点空间坐标集、地表等高线空间坐标集、断层位置、断层断距及断层角度；
10.s2、处理各岩层上下分界面空间坐标集，提取有效坐标点位置信息，建立矿山三维点云数据库：
11.s2.1、根据模拟需求确定模型精度ε(0＜ε＜1)；
12.s2.2、确定矿山三维点云数据提取标准和岩层分界面空间坐标集被提取的最小重要系数；
13.设共有m组岩层分界面空间坐标集和n条矿山三维点云数据提取标准，利用下式计算第k组岩层分界面空间坐标集的重要系数pk[0014][0015][0016]
其中，xi为n条矿山三维点云数据提取标准中标准i的重要系数，wi为标准i的权重，l为修正系数；
[0017]
根据模拟需求确定岩层分界面空间坐标集被提取的最小重要系数p
min
且满足p
max
为最大重要系数；
[0018]
s2.3、将满足pk≥p
min
的各岩层分界面空间坐标集直接提取到矿山三维点云数据库中并分别命名；
[0019]
s2.4、将剩余岩层分界面空间坐标集分为两类，即满足或的坐标集，其中
α
为可调系数且α∈(0,1)，然后将符合的岩层删去，将其与附近满足的岩层合并形成新的岩层分界面坐标集，并将其提取至矿山三维点云数据库中并分别命名；
[0020]
s3、构建还原断层形态、采区及巷道的三维地质模型的地下部分：
[0021]
s3.1、将包含各标识岩层上下分界面空间坐标集导入rhino软件，利用rhino软件由下到上的分层拟合岩层分界面；由模型尺寸建立长方体模型，并由各拟合得到的岩层分界面进行切割，对各岩层进行命名，此时初步得到长方体结构的地下三维地质模型；
[0022]
s3.2、根据断层位置，建立断层分界线并根据断层角度，切割煤层；然后根据断层断距，调整被分割的煤层还原断层形态；
[0023]
s3.3、将包含回采区段拐点空间坐标集、关键巷道拐点空间坐标集输入rhino软件，分别拟合出工作面各回采区段和关键巷道并命名；
[0024]
s3.4、对岩层空间模型、回采区段及关键巷道进行布尔运算，去除岩层空间模型中的多余部分，形成全矿区三维地质模型的地下部分；
[0025]
s4、根据地表等高线空间坐标集，构建地表三维地质模型并命名，将两部分模型拼接在一起，由此全矿区三维地质模型建立完成；
[0026]
s5、利用rhino软件自带的网格划分工具对全矿区三维地质模型进行初步网格划分，网格尺寸根据实际需要设置，然后利用griddle插件对模型再次进行网格划分，通过限制网格形状和最大、最小边缘尺寸来修正网格，使网格变化均匀；最后将模型导出为flac 3d软件可识别的网格文件，在该模拟软件中导入网格文件，就得到全矿井采掘反演数字模型。
[0027]
在步骤s1中收集的地质资料包括目标矿区采掘工程平面图、工程地质剖面图、地勘钻孔柱状图、煤层底板等高线图。通过分析目标矿区的地质资料，获取各岩层上下分界面空间坐标集、回采区段拐点空间坐标集、关键巷道拐点空间坐标集、地表等高线空间坐标集、模型尺寸、断层位置、断层角度、断层断距。关键巷道主要指区段回风平巷、区段运输平巷。
[0028]
在步骤s1中所述的各岩层上下分界面空间坐标集是由地勘钻孔柱状图分析获得。每个钻孔的纬距和经距一定，可以直接获得该组钻孔坐标集的横坐标x和纵坐标y，根据岩层数量p和埋藏深度hj可以获得该组钻孔坐标集，由上到下分别为(x,y,h1)、(x,y,h2)、
……
(x,y,hj)、
……
(x,y,h
p 1
)，其中hj≤h
p 1
。将获得的所有坐标先按照地质单位“段”重新进行分类，进一步的在每“段”中，再按照不同岩层进行分类，这样便得到各岩层上下分界面空间坐标集。
[0029]
在步骤s2中所述的模型精度ε是根据模拟需求确定的仿真模型还原精细程度，既可以是局部某些连续岩层还原精度，也可以是整体地层还原精度。地质资料越丰富，地勘钻孔打钻越密集，模型最大还原精度越高，由于无法做到100％还原矿山地下样貌，所以ε＜1。
[0030]
在步骤s2中所述的矿山三维点云数据提取标准为根据仿真模拟需求、矿山地下岩层形态、地勘钻孔柱状图和岩层分界面空间坐标集确定的详细要求，该要求的精细程度直接影响矿山三维点云数据库的建立。
[0031]
在步骤s3中所述的标识岩层指矿山三维点云数据库中确定的岩层，模型精度越高且矿山三维点云数据提取标准越详细，标识岩层数量越多。在漫长的地质时期，由老到新逐渐形成的各标识岩层，可以在地质考查、钻孔勘探和矿井采掘过程中用于判别层位信息和地质年代。
[0032]
在步骤s3中，由于回采区段和关键巷道分别与岩层空间模型存在空间重复，故利用软件布尔运算功能中的差集运算，对岩层空间模型、回采区段及关键巷道进行差集运算，目的是在岩层空间模型中切除回采区段及关键巷道，避免空间位置重复，这样岩层空间模型和回采区段及关键巷道就构成了全矿区三维地质模型的地下部分。
[0033]
有益效果：1)本方法将三维点云建模思想应用于地层，依据该方法可获得矿山三维点云数据库；2)本方法既可以最高限度的还原煤层实际地质构造、岩层起伏和延伸情况及地表形态，又可以根据仿真模拟需求建立不同精度的矿山采掘反演数字模型。采用本方法建模并进行地应力场反演，可以为矿井开拓、巷道布置和支护等现场实践提供更加全面科学的指导。
附图说明
[0034]
图1为本发明基于三维点云数据库的矿山数字模型建立方法的流程图。
[0035]
图2为本发明实施例通过点云数据库创建流程图。
[0036]
图3为本发明实施例等比例三维地质模型示意图。
具体实施方式
[0037]
下面结合附图对本发明的实施例做进一步说明；
[0038]
实施例一、
[0039]
如图1所示，一种基于三维点云数据库的矿山数字模型建立方法，包括以下步骤：
[0040]
s1收集数据资料
[0041]
收集目标矿区采掘工程平面图、工程地质剖面图、地勘钻孔柱状图、煤层底板等高线图，确定模型尺寸，并分析获取各岩层上下分界面空间坐标集、回采区段拐点空间坐标集、关键巷道拐点空间坐标集、断层位置、断层断距及断层角度。
[0042]
其中，各岩层上下分界面空间坐标集是由地勘钻孔柱状图分析获得。每个钻孔的纬距和经距一定，可以直接获得该组钻孔坐标集的横坐标x和纵坐标y，根据岩层数量p和埋藏深度hj可以获得该组钻孔坐标集，由上到下分别为(x,y,h1)、(x,y,h2)、
…
(x,y,hj)、
…
(x,y,h
p 1
)，其中hj≤h
p 1
。将获得的所有坐标先按照地质单位“段”重新进行分类，进一步的在每“段”中，再按照不同岩层进行分类，这样便得到各岩层上下分界面空间坐标集。
[0043]
s2建立矿山三维点云数据库；
[0044]
1)根据模拟需求确定模型精度ε(ε＜1)；
[0045]
2)确定矿山三维点云数据提取标准和岩层分界面空间坐标集被提取的最小重要系数；
[0046]
设共有m组岩层分界面空间坐标集和n条矿山三维点云数据提取标准，pk为第k组岩层分界面空间坐标集的重要系数，xi为n条矿山三维点云数据提取标准中标准i的重要系数，wi为标准i的权重，l为修正系数，则有：
[0047][0048]
其中，
[0049]
根据模拟需求确定岩层分界面空间坐标集被提取的最小重要系数p
min
，且满足
[0050]
3)将满足pk≥p
min
的各岩层分界面空间坐标集直接提取到矿山三维点云数据库中并分别命名；
[0051]
4)将剩余岩层分界面空间坐标集分为两类，即满足或的坐标集，其中
α
为可调系数且α∈(0,1)，然后将符合的岩层删去，将其与附近满足
的岩层合并，重新获取岩层分界面坐标集，并将其提取至矿山三维点云数据库中并分别命名。
[0052]
s3构建还原断层形态、采区及巷道的三维地质模型的地下部分；
[0053]
1)将包含各标识岩层上下分界面空间坐标集导入rhino软件，利用rhino软件由下到上的分层拟合岩层分界面；由模型尺寸建立长方体模型，并由各拟合得到的岩层分界面进行切割，对各岩层进行命名，此时初步得到地下三维地质模型；
[0054]
2)根据断层位置，建立断层分界线并根据断层角度，切割煤层；然后根据断层断距，调整被分割的煤层，还原断层形态；
[0055]
3)将包含回采区段拐点空间坐标集、关键巷道拐点空间坐标集输入rhino软件，分别拟合出工作面各回采区段和关键巷道并命名；
[0056]
4)对岩层空间模型、回采区段及关键巷道进行布尔运算，去除岩层空间模型中的多余部分，形成全矿区三维地质模型的地下部分；
[0057]
s4构建矿山三维地质模型
[0058]
根据地表等高线空间坐标集，构建地表三维地质模型并命名，将两部分模型拼接在一起，由此全矿区三维地质模型建立完成；
[0059]
s5划分网格，得到矿山采掘反演数字模型
[0060]
利用rhino软件自带的网格划分工具对全矿区三维地质模型进行初步网格划分，网格尺寸根据实际需要设置，然后利用griddle插件对模型再次进行网格划分，通过限制网格形状和最大、最小边缘尺寸来修正网格，使网格变化均匀；最后将模型导出为某模拟软件可识别的网格文件，在该模拟软件中导入网格文件，就得到全矿井采掘反演数字模型。
[0061]
本发明提供了一种基于三维点云数据库的矿山数字模型建立方法，下面将以某矿山为实施例，详细说明本发明提供的方法。
[0062]
s1收集数据资料
[0063]
收集目标矿区采掘工程平面图、工程地质剖面图、地勘钻孔柱状图、煤层底板等高线图，确定模型尺寸，并分析获取各岩层上下分界面空间坐标集、回采区段拐点空间坐标集、关键巷道拐点空间坐标集、断层位置、断层断距及断层角度。
[0064]
其中，各岩层上下分界面空间坐标集是由地勘钻孔柱状图分析获得。每个钻孔的纬距和经距一定，可以直接获得该组钻孔坐标集的横坐标x和纵坐标y，根据岩层数量p和埋藏深度hj可以获得该组钻孔坐标集，由上到下分别为(x,y,h1)、(x,y,h2)、
……
(x,y,hj)、
……
(x,y,h
p 1
)，其中hj≤h
p 1
。将获得的所有坐标先按照地质单位“段”重新进行分类，进一步的在每“段”中，再按照不同岩层进行分类，最终获得m组(m≥p 1)岩层分界面空间坐标集。
[0065]
s2图2为本实施例三维点云数据库创建流程图，根据图中流程建立该矿山三维点云数据库；
[0066]
1)根据模拟需求确定模型精度为0.4，可调系数且
α
为0.8；
[0067]
2)确定矿山三维点云数据提取标准和岩层分界面空间坐标集被提取的最小重要系数；
[0068]
设共有4条矿山三维点云数据提取标准，pk为第k组岩层分界面空间坐标集的重要
系数，xi为4条矿山三维点云数据提取标准中标准i的重要系数，标准1为岩层厚度情况，w1＝0.4；标准2为层位稳定情况，w2＝0.3；标准3为分布范围，w3＝0.2；标准4为钻孔密集程度，w4＝0.1，具体x1、x2、x3、x4的取值如表1、表2、表3和表4所示，修正系数l为0.5，则有：
[0069][0070]
根据模拟需求确定岩层分界面空间坐标集被提取的最小重要系数p
min
为7，其中，p
max
＝10.5，满足
[0071]
即pk≥3.36；即pk＜3.36。
[0072]
表1岩层厚度情况和x1取值
[0073]
岩层厚度0.5m及以下0.5m～5m5m～10m10m～20m20m以上x1125710
[0074]
表2层位稳定情况和x2取值
[0075]
层位稳定情况非常不稳定较不稳定一般较稳定非常稳定x2125710
[0076]
表3分布范围和x3取值
[0077]
分布范围30％以下30％～50％50％～70％70％～90％90％以上x3135710
[0078]
表4钻孔密度和x4取值
[0079]
钻孔密集程度很分散较分散一般较密集很密集x4135710
[0080]
3)将满足pk≥7的各岩层分界面空间坐标集直接提取到矿山三维点云数据库中并分别命名；
[0081]
4)将剩余岩层分界面空间坐标集分为两类，即满足pk≥3.36或pk＜3.36的坐标集，然后将符合pk＜3.36的岩层删去，将其与附近满足pk≥3.36的岩层合并，重新获取岩层分界面坐标集，并将其提取至矿山三维点云数据库中并分别命名。
[0082]
s3构建还原断层形态、采区及巷道的三维地质模型的地下部分；
[0083]
1)将包含各标识岩层上下分界面空间坐标集导入rhino软件，利用rhino软件由下到上的分层拟合岩层分界面；由模型尺寸建立长方体模型，并由各拟合得到的岩层分界面进行切割，对各岩层进行命名，此时初步得到地下三维地质模型；
[0084]
2)根据断层位置，建立断层分界线并根据断层角度，切割煤层；然后根据断层断距，调整被分割的煤层，还原断层形态；
[0085]
3)将包含回采区段拐点空间坐标集、关键巷道拐点空间坐标集输入rhino软件，分别拟合出工作面各回采区段和关键巷道并命名；
[0086]
4)对岩层空间模型、回采区段及关键巷道进行布尔运算，去除岩层空间模型中的多余部分，形成全矿区三维地质模型的地下部分；
[0087]
s4构建矿山三维地质模型
[0088]
根据地表等高线空间坐标集，构建地表三维地质模型并命名，将两部分模型拼接在一起，由此全矿区三维地质模型建立完成；
[0089]
s5划分网格，得到矿山采掘反演数字模型
[0090]
利用rhino软件自带的网格划分工具对全矿区三维地质模型进行初步网格划分，网格尺寸根据实际需要设置，然后利用griddle插件对模型再次进行网格划分，通过限制网格形状和最大、最小边缘尺寸来修正网格，使网格变化均匀；最后将模型导出为某模拟软件可识别的网格文件，在该模拟软件中导入网格文件，就得到如图3所示的全矿井采掘反演数字模型。
[0091]
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。