一種地下礦山採空區相似材料3D模型的製作方法與流程

2023-05-19 23:47:26

本發明涉及一種地下礦山採空區相似模型的製作方法，尤其涉及多中段不規則金屬礦山採空區（群）進行物理相似模擬實驗的3D建模試驗方法，可在金屬、非金屬、化工、煤炭礦山的採空區、地下工程硐室等物理相似模擬實驗建模時靈活應用。

背景技術：

地下礦山採空區是人為開採礦產資源後在地表以下產生的「空洞」，礦山採空區是礦山安全生產事故發生的一個主要誘因。採空區在高地壓、高應力的作用下產生的大面積冒頂、片幫、塌陷和閉合變形等都是重要的地質災害，嚴重影響礦山正常生產運作和井下工作人員的生命安全，採空區的存在使得礦山的安全生產面臨重大安全隱患，採空區的穩定性評估和破壞方式研究是採空區治理工程的基礎工作，這方面工作最常用的手段為相似材料模擬實驗法。

目前，採空區模型的建立有基於點雲數據的採空區三維建模算法、基於Surpac的採空區模型建立法。如《有色金屬》(礦山部分)2009年7月第4期發表的「基於Surpac的坑道與採空區模型建立及其應用」一文中，詳細介紹了廣西高峰錫礦105號礦體坑道模型以及採空區模型建立的基本過程，運用Surpac建立採空區模型,在Surpac軟體的三維顯示區顯示採空區實體模型。但採用該文建立的模型，仍然只能在計算機中顯示，無法製成實物模型，因而也就無法對實物模型採用相似模擬方法在實驗室內進行試驗研究，從而影響到研究的可靠程度和模擬結果的準確性。

幾何相似是相似材料模擬實驗中首要的相似條件，採空區穩定性分析需要建立準確的真實形態採空區3D相似模型，而目前採空區穩定性分析中相似材料模擬試驗中均採用簡化標準模型，這種模型的實驗模擬研究成果往往和現實情況差距巨大。

技術實現要素：

本發明的目的，就是針對目前採空區穩定性分析和破壞規律相似材料模擬實驗研究中，無法建立真實形態的採空區模型的難題，而提供一種地下礦山採空區相似材料3D模型的製作方法。

為實現本發明的上述目的，本發明一種地下礦山採空區相似材料3D模型的製作方法採用以下工藝、步驟實現：

1）採空區三維測量：利用三維雷射掃描儀CMS對地下採空區進行360°球形精確測量，獲取地下採空區的邊界坐標信息（X,Y,Z）。

2）採空區3D數字模型建立：將獲取的地下採空區的邊界坐標信息（X,Y,Z）進行處理後，輸入到三維礦業軟體3Dmine中，在計算機中建立採空區3D數字實體模型。

3）採空區石蠟模型的列印：用3D印表機按需求比例將採空區3D數字實體模型列印成採空區石蠟模型。

4）製作巖體相似材料模型：將採空區石蠟模型按照空間位置擺放，周圍搭建模板，並在模板底部預留一個石蠟溶出口，將配比好的巖體相似材料混合攪拌均勻後澆築到搭建好的模板內，製作出巖體相似材料模型。所述的巖體相似材料是由水泥、石膏、河沙、導熱粉按比例混合製成。

5）石蠟模型熔出：相似材料模型養護達到設定的強度後，利用加熱法將採空區石蠟模型加熱並從石蠟熔出口中熔出，最終製作出採空區採空區相似材料3D模型。相似材料模型的養護時間一般為26-30天，以28天為佳。

為了保證採空區三維測量的精準性，在上述1）步驟，採空區測量的掃描參數設置為垂直方向上每1°記錄一個坐標值，水平方向上每1°掃描一組數據，共獲取360組數據，每組數據存儲360個坐標點。

在上述3）步驟，採用工業級3D印表機用52號或54號石蠟原料按需求比例列印出的三維的採空區石蠟模型為佳。

在上述4）步驟中，室內環境溫度控制在18°C-0°C範圍，以15°C-5°C為佳。超過溫度需要對環境進行降溫處理。

本發明一種地下礦山採空區相似材料3D模型的製作方法，採用以上技術方案後具有積極效果：

（1）該方法解決了採空區穩定性分析相似材料模擬實驗中建模的幾何相似條件，大大提高了相似材料模擬實驗的可靠程度和模擬結果的準確性。

（2）消除了目前礦山採空區穩定性分析和破壞方式相似材料試驗研究中採用採空區簡化標準模型的弊端，解決了以往無法建立與真實採空區空間形態一致的3D模型難題。本方法相當於將地下複雜形狀的採空區按照需求相似比例複製到實驗室內，為試驗結果的準確性提供了非常可靠的基礎。

附圖說明

圖1為地下採空區三維測量示意圖；

圖2為建立的採空區3D數字實體模型；

圖3為地下採空區石蠟模型；

圖4為採用本發明一種地下礦山採空區相似材料3D模型的製作方法製作的採空區相似材料3D模型。

附圖標記：1－三維雷射掃描儀CMS；2－採空區通道；3－地下採空區；4－採空區3D數字實體模型；5－採空區石蠟模型；6－巖體相似材料；7－石蠟熔出口；8-採空區相似材料3D模型。

具體實施方式

為進一步描述本發明，下面結合附圖和實施例對本發明一種地下礦山採空區相似材料3D模型的製作方法作更詳細的描述。

由圖1所示的地下採空區三維測量示意圖並結合圖2、圖3、圖4看出，本發明一種地下礦山採空區相似材料3D模型的製作方法，其特徵在於採用以下工藝、步驟：

第一步：將三維雷射掃描儀CMS 1通過採空區通道2架設在地下採空區3內，設置掃描參數，垂直方向上每經過1°記錄一個坐標值，水平方向上每旋轉1°掃描一組數據，然後開始進行360°球形無盲點掃描，掃描工作會獲取360組數據，每組數據共存儲360個點的邊界坐標信息（X,Y,Z）。

第二步：地下採空區3掃描完成後，導出收集的地下採空區3邊界坐標信息（X,Y,Z）數據，將數據輸入到三維礦業軟體3Dmine中，經過對離散點的去除處理，將坐標點連接成面，在計算機中建立採空區3D數字實體模型4。

第三步：採空區3D數值實體模型4作為輸出原型，設置3D列印比例尺，利用工業級3D印表機按比例將採空區3D數字實體模型4列印成採空區石蠟模型5，列印原料技術規格要求為52號或54號石蠟。

第四步：採空區石蠟模型5列印完成後，將採空區石蠟模型5按照真實空間位置擺放，周圍搭建模板，並在模板底部預留一個石蠟溶出口7，將配比好的巖體相似材料6混合攪拌均勻後澆築到搭建好的模板內，製作出巖體相似材料模型。模型製作環境溫度要求低於18°C，冬季較好，以15°C-0°C為佳，夏季則要求在密閉低溫環境中。

第五步：相似材料模型澆築完成後，養護28天，利用加熱法將採空區石蠟模型5從底端石蠟溶出口7加熱熔出，最終製作出採空區採空區相似材料3D模型8。

然後在實驗室內進行相關試驗研究。