由井巷工程基本部件组装地下采矿工程

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1994.03.002 第16卷第3期 北京科技大学学报 Vol.16 No.3 1994年6月 Journal of University of Science and Technology Beijing June 1994 由井巷工程基本部件组装地下采矿工程 侯运炳)于洁)王学明)童光煦2) 1)中国矿业大学北京研究生部，北京1000832)北京科技大学采矿系 摘要本文应用几何造型技术，构造井巷工程基本部件的参数实体模型，由插入点法指定部件模 型的空间安装位置，在几何造型软件支持下，由基本部件模型组装地下采矿结构工程， 关镜词井巷工程，采矿工程，计算机辅助设计，实体模型 中国分类号TD263,TP391.2 Assembling the Underground Mining Structure Engineering With the Solid Models of Shafh and Drift Hou Yunbing)Yu Jie)Wang Xueming Tong Guangxu 1)Beijing Graduate School,CUMT,Beijing 100083.PRC 2)Department of Mining and Mineral Engineering.USTB.Beijing 100083.PRC ABSTRACT In the paper,the parametric solid model of the basic parts of shaft and drift is set up by the geometric modelling technique.The spatial position of the models is fixed by the method of inserting point.In the support of the geometric modelling software,the underground mining structure engineering is assembled with the solid models of shaft and drift KEY WORDS underground excavation engineering,mining engineering,CAD,solid model 这里所说的地下采矿工程，是指地下斜坡道、开拓运输巷道、采矿方法采切工程、通风 巷道等结构工程，本文将地下采矿结构工程分解为井巷工程基本部件；应用几何造型技术，构 造基本部件的实体参数模型；在几何造型软件支持下，由基本部件参数实体模型组装三维结 构工程，并针对某地下金矿的实际情况进行的研究· 1采矿结构工程的分解 该矿井巷工程均为矩形断面，规格如下： 川脉巷道：2.0m×1.8m,分段巷道：3.4m×2.7m,采场进路：3.4m×2.7m,溜井联络 道：3.4m×2.7m,泄水井联络道：2.0m×1.8m,充填回风井：2.0m×1.8m,切割平巷：3.4m×3.8m. 1993-05-12收稿 第一作者男3引岁副教授

第 卷 第 期 年 月 京 科 技 大 学 学 报 正 龙 由井巷工程基本部件组装地下采矿工程 侯运 炳 于 洁 中国矿 业大学北京研究 生部 ， 北京 王 学明 童光 煦 洲犯 北京科技大 学采 矿 系 摘要 本文应用 几何造型技术 ， 构造井巷工程基本部件 的参数实体模型 ， 由插人 点法 指定部件模 型 的空 间安装位置 在几何造型 软件支持下 ， 由基本部件模型组装地下 采矿结构工程 关扭词 井巷工程 ， 采矿工程 ， 计算机辅助设计 ， 实体模型 中国分类号 ， 冲 月洲 ’ 龙 ’ 肠 翻 ’ 笋 ’ ， ， ， ， ， ， 丑 ， 一 一 川 拐 、 “ 上正 血 依 功以 ， 田洛。 叮 万 ， 代 ， ， 这 里所说 的地 下采矿工程 ， 是指地下斜坡道 、 开拓运输巷道 、 采矿方法采切工程 、 通 风 巷道 等结构工程 本文将地下采矿结构工程分解为井巷工程基本部件 应用几何造型技术 ， 构 造基本部件的实体参数模 型 在几何造 型软件支持下 ， 由基本部 件参数实体模 型组装三 维结 构 工程 ， 并 针对某地下金矿 的实际情况 进行 的研究 采矿结构工 程的分解 该矿井巷工程 均为矩形 断面 ， 规格如下 川 脉 巷 道 ， 分 段 巷 道 ， 采 场 进 路 ， 溜 井 联 络 道 ， 泄 水井联 络道 ， 充填 回风井 ， 切割 平巷 卯 一 一 收稿 第一作 者 男 岁 副教授 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1994．03．002

.208 北京科技大学学报 1994年No.3 因此，可将采矿结构工程分解为一系列断面为矩形而轴线为直线的井巷工程基本部件， 当实际工程是弯曲巷道时，可将其离散，用一系列上述类型的基本部件近似表示弯曲巷 道， 2基本部件参数实体模型的建立 2.1参数实体模型的几何结构 根据井巷工程巷道的实际形状，构造一个长度和断面尺寸为待定参数的长方体几何实体 模型来表示井巷工程基本部件，设α、b为表示部件断面宽度和高度的参数，H为表示部件 长度的参数，当α、b和H取一组具体值时，参数模型就成为一个具体的基本部件几何实体 模型. 2.2参数模型的局部坐标系 为了便于由参数模型组装采矿工程，针对基 本部件实际可能出现的连接情况，本文设计了参 数模型的4种局部坐标系.前3种用来构造一般 巷道基本部件模型，第4种用来构造天井部件模 型。 如图1所示，所有局部坐标系的xo少面都与 表示巷道顶底板（如为天井巷道，则指定天井的一 个侧面为参考面)的平面平行（图la、1blc所示）， 局部坐标系的xoy面与底板平面重合，y轴分别 d 与底板平面上沿巷道长度方向的中线或边线重 合；第4种坐标系的y轴与天井部件中轴线重合， 如图1d所示，本文同时规定，所有局部坐标系 图1参数模型的局部坐标系 的原点都位于巷道长度H的1/2处，后面将进一Fg.1 The local coordinate systems of the 步说明这样建立坐标系的理由， parametric solid models 有了局部坐标系，就可得到部件模型各顶点由参数表示的局部坐标· 3插入点拼接法 在由基本部件拼接采矿工程时，需要给出部件实体模型在空间的具体位置，使相关部件 按照设计要求拼接在一起，部件空间位置如果指定不当，当调用几何造型软件拼接基本部件 时，就可能出现不能完全拼接或过头拼接的情况，如图2中箭头所指的部位， 为了使部件能顺利地拼接起来，本文分析了采矿工程设计中两部件可能出现的连接情况， 提出一种部件空间位置指定方法，这里将其称为插入点法·方法的思路是选定部件模型上合 适的两点作为插人点，通过指定插人点的空间坐标来确定模型的空间位置，选择插人点应遵循 两点原则：(1)在拼接时能够比较容易地指定这些点的空间坐标；（(2)部件能按要求拼接起来

· · 北 京 科 技 大 学 学 报 望科 年 因此 ， 可 将采矿结 构工 程分 解 为一 系列 断面 为矩形 而 轴线 为 直 线 的井 巷 工 程 基 本 部 件 当实 际工 程是 弯 曲巷 道 时 ， 可 将其 离 散 ， 用 一 系 列 上 述 类 型 的 基 本 部 件 近 似 表 示 弯 曲巷 道 基本部件参数实体模型 的建立 参数 实体模型 的几何结构 根据 井巷 工 程巷 道 的实 际形 状 ， 构造一个 长度和 断面 尺寸 为待定参数 的长方 体几何 实 体 模 型来表示 井巷 工 程基本部 件 设 、 为表示部件断面 宽度和高 度 的参数 ， 为表 示 部 件 长度 的参数 当 、 和 取 一组具体值 时 ， 参数模型就成 为一个具体的基 本部 件 几 何 实 体 模 型 参数模型 的局 部坐标 系 为 了便于 由参数模 型 组 装采矿工 程 ， 针 对基 本部件 实 际可 能 出现 的连接情 况 ， 本文设计 了参 数模 型 的 种 局部 坐标 系 前 种 用 来 构造一 般 巷 道 基 本部 件模 型 ， 第 种 用来 构造 天 井部 件模 型 如 图 所示 ， 所有 局部 坐 标 系 的 面 都 与 表示 巷 道 顶底 板 如为天井巷 道 ， 则 指定天 井的一 个侧 面为参考面 的平 面平行 图 、 、 所示 ， 局 部 坐 标 系 的 面 与底 板 平 面重合 ， 轴分别 与 底 板 平 面 上 沿 巷 道 长 度 方 向的 中线 或边 线重 合 第 种 坐 标 系 的 轴 与天井部 件 中轴线重合 ， 如 图 所示 本 文 同 时规定 ， 所有 局 部 坐 标 系 的原点都位于 巷 道 长度 的 处 后 面将进一 步说 明这 样建立 坐 标 系 的理 由 图 参数模型 的局部坐标 系 瑰 有 了局 部 坐 标 系 ， 就可得 到部 件模 型 各顶点 由参数表示 的局部 坐 标 插入点拼接 法 在 由基本部件拼 接采 矿工程 时 ， 需 要 给 出部件 实体模 型在 空 间的具体位 置 ， 使相 关部 件 按照 设计要 求拼接在 一起 部件空 间位置 如果指定 不 当 ， 当调 用几何造 型软件拼 接基本部件 时 ， 就 可 能 出现不 能完全 拼接或过 头拼接 的情况 ， 如 图 中箭 头所 指 的部位 为 了使部件能顺 利地拼接起 来 ， 本文分 析了采矿工 程 设 计中两 部 件可 能出现 的连 接情况 ， 提 出一种部件 空 间位置 指定 方 法 ， 这 里将其称为插 人 点法 方法 的思路是 选定部件模型上合 适 的两点作为插人 点 ， 通 过指定插人点 的 空 间坐标来确定模 型 的空 间位置 选 择插人点应遵循 两 点原则 在拼接 时能够 比较容易地 指定这些点 的空 间坐标 部件能按要求拼接起来

Vol.16 No.3 侯运炳等：由井巷工程基本部件组装地下采矿工程 .209. 根据基本部件可能出现的连接情况，本文设置了部件模型的4种插人点指定方式，具体 说来，是以部件模型的局部坐标系y轴与模型两端平面的交点作为插人点的位置，图】中的 P,和P2点即为插人点.实际上，正是为了便于表示插人点的位置，才建立了图1中的4种 局部坐标系· 井巷工程可能的拼接情况，可归结为图3所示的3种基本类型，对于图3中a、b、c所 示的拼接情况，可分别通过图1(、b、c)所给出的插人点，很容易地指定部件的拼接位 置，几何造型程序在进行两部件的拼接时，会自动消除两部件相互重叠的部分，而不会出现 图2所示的不符合设计要求的拼接现象，图1给出的插入点，是为了天井巷道部件类似图 3℃所示的拼接情况而设定的. 围2部件未能按要求拼接在一起 图3部件的拼接方式 Fig.2 The parts of shaft and drift connected Fig.3 The comnecting style of the parts of shaft and drift together not required 4部件模型的几何变换 当组装采矿工程时，需要把部件模型各顶点 的局部坐标转换为整体坐标，以便调用几何造型 软件进行拼接，下面推导其几何变换公式， 设部件模型插入点在整体坐标系中的坐标值 为(u1,1w)和(u2,2,w).由于部件模型不能 发生绕其局部坐标系y轴的旋转变化，因此，部件 模型的几何变换等同于模型上两插入点连线PP2 由初始位置变换到(41，U,w,)和(4，U2,w2)的 连线1处，如图4所示，部件模型的初始位置是 图1所示的模型所处的位置， 不失一般性，令部件模型的局部坐标系与整 体坐标系重合在一起，则线段PP与整体坐标系图4模型的几何变换 y轴重合.pP2变换到I处的过程可分解为以下步Fg.4 Geometry transformation of the model 骤：首先将PP2绕x轴旋转x角，然后绕z轴旋转B角，使其与1平行，达到图4中1'处， 最后将其由1'平衡到1处，由此可得部件模型的几何变换矩阵：

侯 运炳等 由井巷工 程基本部件组装地下 采矿工 程 的 根 据基 本部件可 能 出现 的连接情 况 ， 本文设 置 了部件模 型 的 种插 人 点指定方 式 具 体 说来 ， 是 以部件模型 的局部 坐标系 轴与模型两端平面 的交点作 为插人 点的位置 ， 图 中的 和 点 即为插人 点 实际上 ， 正 是 为 了便于 表示 插 人 点 的位 置 ， 才建 立 了 图 中的 种 局部 坐标系 井巷工程 可 能 的拼接情况 ， 可 归结 为图 所示 的 种基 本类型 对于 图 中 、 、 所 示 的拼 接情 况 ， 可分别 通过 图 、 、 所 给 出 的插 人 点 ， 很 容 易 地 指 定 部 件 的拼 接 位 置 几何造型程序在进 行两部件 的拼接 时 ， 会 自动消除两部件相 互 重叠 的部分 ， 而 不 会出现 图 所示 的不符合设计要 求 的拼 接现象 图 给 出的插人 点 ， 是 为 了 天 井 巷 道 部 件 类 似 图 所示 的拼接情况而 设 定 的 粼沂 步气比 声、 、 子 、 。 圈 部件未能按要求拼接在一起 圈 部件的拼接方式 瑰 琳 瑰 松 口值以油唱 砌 触 脚巾 绪 回 山价 部件模型 的几何变换 当组 装采矿 工 程 时 ， 需 要 把部 件模型各顶 点 的局部坐标转换 为整体坐 标 ， 以便调 用几何造型 软件进行拼接 下 面 推 导其几何 变换公式 设部件模型插人 点在 整体坐标 系 中的坐 标值 为 ， ， ， 和 。 ， ， 由于部件模型不 能 发生绕其局部坐标系 轴 的旋转变化 ， 因此 ， 部件 模型 的几何变换等 同于 模 型上 两插人 点连线了币飞 由初 始位置变换到 ， ， 和 ， ， 的 连线 处 ， 如 图 所示 部 件模型 的初 始位置是 图 所示 的模型所处 的位 置 不失 一般性 ， 令部 件模 型 的局 部 坐标系 与整 体坐标系 重合在一起 ， 则线段 瓦瓦 与整体坐标系 轴重合 万币万变换到 处 的过程 可分解 为 以下 步 圈 模型 的几何变换 骤 首先将 万币几绕 轴旋转 角 ， 然后绕 轴旋转 刀角 ， 使 其 与 平 行 ， 达 到 图 中 ’ 处 ， 最后 将其 由 ’ 平 衡 到 处 由此 可得部件模型 的几何 变换矩 阵

…210 北京科技大学学报 1994年No.3 T=T·T2·T (1) 其中T,、T,和T分别为绕x轴旋转x角，绕z轴旋转B角和平移变换矩阵，由计算机图形 学()可推导出： cos B sinB 0 01 -cosa sin B cos a cos B sin 0 T= sing sinB -sin a cos B coSa 0 (2) m n 1 其中1、m、n为平移量.下面给出(2)式中诸分量的计算公式， (1)平移量1m、n 不难看出，插人点连线PP2中点的平移量即为部件模型的平移量，故有： 1=(u1+w2)/2,m=(U1+D2)/2,n=(w1+w2)/2 (3) (2)旋转角x和B 已知！与1平行，因此，”的方向余弦为： n1=(4-4)/H,n2=(1-2)/H,n3=(w:-w2)/H (4) 式中H为部件长度，设在y轴上有单位矢量N,将N绕x轴旋转x角，然后绕z轴旋转B 角，这样N就与图4中的'在同一条直线上·由于N的分量表示形式为[0,1,0]，变换后 为[n,nn],因此，由上述变换过程可得以下变换公式： [n,n,n,1]=[0,1,0,1]·T·T2 (5) 由计算机图形学，有： [n,n2,n3,1]=[-cosa sin B,cosa cosB,sina,1] (6) 从而得以下关系式： n=-cosa sin B,n2=cos a cosB,n3=sina (7) 这里不妨假定，≤v2(如果U1>"2,可将两插入点坐标互换，因为部件沿y轴方向是对 称的).1≤2的条件将x角限制于第1和第4象限，因而能够保证0sx≥0. 设osx≠0，这时由(7)式可得到（2)式中关于x和B的分量值.若0sx=0,此时 设2≥4，（否则也将两插人点坐标互换，理由同上)，不难得出：sinx=1,cosx=1,sinB=0 至此，(2)式诸分量已全部确定· 5天井部件模型的重新构造 与巷道部件模型不同的是，天井部件模型无论位于空间何种位置，其两个端面应该与水 平面即整体坐标系xy面保持平行， 在图ld所示的局部坐标系里，天井部件模型的两端面与模型的插人点连线垂直，当给 定插入点坐标(u,,w)和(4，，w)时，只要这两点连线不与xoy面垂直，模型两端 面就不会与xy面平行.因此必须构造两个新面来代替原来的两个端面.很明显，新面代 替旧面后，模型的拓扑关系并不发生变化，所要作的事情仅仅是改变模型各顶点的坐标值， 新点坐标的计算步骤如下：首先根据插人点坐标，对天井部件模型进行几何变换；然后 求出变换后的模型的各条棱边及其延长线与平面z=W,和：=w,的交点，这些交点即为模

北 京 科 技 大 学 学 报 更辫 年 · 兀 · 不 其 中 、 兀和 不分别 为绕 轴旋转 角 ， 绕 轴旋转 刀角和平 移 变换 矩 阵 由计算机 图形 学 ’ 可 推 导 出 ︹ 刀 一 口 口 刀 以〕 以 刀 一 】 以 口 以 以〕 以 月 其 中 、 ， 、 为平移量 下 面 给 出 式 中诸分量 的计算公式 平移量 、 川 、 不难看 出 ， 插人 点连线 中点 的平移 即为部件模型 的平移童 ， 故有 ， 、 ， 。 旋转角 和 刀 已 知 与 平行 ， 因此 ， 的方 向余弦为 一 “ 公 ， 一 ， 。 一 式 中 为部件长度 设在 轴上有单位矢量 ， 将 绕 轴旋转 角 ， 然 后 绕 轴旋 转 月 角 ， 这样 就 与 图 中的 ’ 在 同一条直线上 由于 的分 量 表 示 形 式 为 【 ， ， ， 变换后 为 【执 ， 、 ， 。 ， 因此 ， 由上述变换过程 可得 以下变换公 式 ， ， ， ， ， ， · · 兀 由计算机 图形 学 ， 有 【 ， ， ， 】 【 一 刀 ， 口 ， ， 』 从而得 以下 关系式 一 “ 口 ， “ 口 ， 。 这 里不妨假定 簇。 如果 。 。 ， 可将两插人 点坐 标互 换 ， 因为部 件沿 轴方 向是 对 称 的 。 续 的条 件 将 “ 角 限制 于 第 和第 象 限 ， 因而 能够保证 以 设 戊 护 ， 这 时由 式可得到 式 中关于 “ 和 刀的分 值 若 “ ， 此 时 设 妻。 ， 否 则也 将两插入 点坐 标互换 ， 理 由同上 ， 不难得 出 ， 二 ， 口 至 此 ， 式诸分量 已全部确定 天井部件模型 的，新构造 与巷 道 部件模 型不 同的是 ， 天井部 件模型无论位于 空 间何种位置 ， 其两个端 面应该 与水 平面 即整 体 坐标 系 面保持平行 在 图 所示 的局部 坐标 系 里 ， 天井部件模型 的两端面 与模 型 的插 人 点 连 线 垂 直 当给 定插 人点 坐标 妈 ， ， 和 姚 ， 姚 ， 时 ， 只要这 两 点 连 线 不 与 面 垂 直 ， 模 型 两 端 面就 不 会与 面平行 因此必 须构造 两个新 面来代替 原来 的 两 个 端 面 很 明 显 ， 新 面 代 替 旧 面后 ， 模 型 的拓 扑 关系并 不 发生 变化 ， 所要作 的事情仅仅是 改 变模 型各顶 点 的坐标值 新 点坐标 的计算步 骤如下 首先 根据插 人点坐 标 ， 对天井部件模 型进行几何变换 然后 求 出变换后 的模 型 的各条棱 边 及其延 长线 与平 面 ， 和 的交 点 ， 这 些 交 点 即 为 模

Vol.16 No.3 侯运炳等：由井巷工程基本部件组装地下采矿工程 211. 型新的顶点，计算公式从略 6设计实例 为了优选某地下金矿的采场采切工程布置方案(2)，本文由基本部件模型组装了该矿采用 的4种采矿方法的工程结构模型.图5为该矿采用的上.向水平分层充填法的工程结构视图， 图5上向水平分层充填法的工程结构视图 1脉外运输平巷2川脉3充填天并4下盘泄水并 5画并6脉内运输平卷。7回采工作面 Fig.5 View of the structure engineering of upper sublevel cut and fill stoplng 7结论 提出的计算机三维辅助设计方法，改变了地下采矿工程的定点画线的传统设计方法，由 组装的采矿结构工程模型可以输出采矿工程的三维视图和剖面图，计算出工程量，当要调整 和修改设计方案时，只需增加或减少部件模型、更改插人点坐标和模型参数即可获得一个新 的设计方案， 参考文献 1金廷赞，计算机图形学，杭州：新江大学出版社，1988 2侯运炳，童光煦.地下采场采切工程布置方案计算机辅助设计的研究，黄金，1992,13(8)：30~34

匕 侯运炳等 由井巷工程基本部件组装地 下采矿工程 型新 的顶 点 计算公 式从略 设计实例 为 了优选某地 下金 矿 的采场采 切工程布置方 案 ‘ ’ ， 本文 由基 本部件模 型组 装 了该矿采 用 的 种采矿方法 的工程 结 构模 型 图 为该矿采 用 的 卜向水平分 层充填法 的工程 结构视 图 圈 上 向水平分层 充坡法的工 程结构视图 脉 外运 翰 平 巷 川脉 充坟 天 井 下 盘 泄 水 井 泪 井 脉 内运 翰 平 巷 回 采 工 作面 瑰 触 成 触 川” 盆幻此 妙叫劝唱 成 娜 留 即帕曰 目 血 ，州叩 结 论 提 出的计算机三 维辅助设计方法 ， 改变 了地 下采矿 工 程 的定点画线 的传统设计方法 由 组装的采矿结构工 程模 型 可 以 输 出采矿 工程 的三 维视 图和剖面 图 计算 出工 程盆 当要调整 和修改设计方 案 时 ， 只需 增 加 或减 少部件模型 、 更改插人 点坐标和模型参数即可 获得一 个新 的设计方案 ， 考 文 献 金廷赞 计算机 图形 学 ， 杭州 浙江大学 出版社 ， 朋 侯运炳 ， 童光煦 地下 采场采切工 程布里方案计算机辅助设计 的研究 黄金 ， 卿 ， 一 抖