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1、四、矿山环境感知与矿体几何虚拟仿真模块（一）引言矿山测量指研究矿山开发过程中综合应用测量、地质及采矿等多种学科 的知识，来研究和处理矿山地质勘探、建设和采矿过程中由矿体到围岩、从井下 到地面在动态和静态下的各种空间几何问题的一门应用技术，是开发矿业过程中 不可缺少的一项重要的技术工作。矿山测量工作在大力开发煤炭资源中与地质工 作紧密配合起先导作用；在均衡方面起保证作用；在工程质量及合理利用资源方 面起监督作用；在安全生产方面起指导作用。在井下阴暗、潮湿、狭窄、行人和运输车辆多等困难条件下测量，需 要采用适宜的仪器和方法。井下测量的主要对象是各种巷道，因受条件限 制，点的埋设位置不同（有的在顶板
2、上，有的在底板上等），需要采用一 些特殊的测量过程和方法来完成任务。如果对井下环境认识不熟悉，很难 开展和完成相关的实验项目。而矿山环境存在不可见、很复杂等特征，没 法用真实的环境进行理解和认知。即使在真实的矿山环境中，也存在“不 见庐山真面目”的问题。通过开发“矿山环境感知虚拟仿真教学系统”， 能有效克服传统实验教学的难题，实现现实难以实现的实验，达到对教学 的有益补充。地下矿体的形状因矿而异，变化很大，有的规则，有的特别复杂。矿 产特性更是变化莫测，甚至十分邻近的地区，特性的数值差别却极大。而 且矿床多埋藏于地下深处，眼不能见，只能根据地质调查和有限的钻孔资 料进行研究，虚拟仿真教学就显得
3、非常重要与必要。（二）矿山环境感知虚拟仿真教学系统1.系统简介本系统共分为五个功能模块：井上环境漫游、井巷环境漫游、开采系统漫游、 人员定位、井下人员逃生等。分别展示了井上、井巷环境和开采系统的漫游操作, 以及井下工作人员的实时定位与发生事故时的逃生路线设定。2实验目的通过本系统实验，使学生能够较快、较好地熟练井上、井下环境和开采系统, 以便更好地从事矿井测量。通过人员定位与逃生线路设定等功能，既使学生了解图10井下皮带运送状态、过程监控操作界面4. 4井下人员定位与感知该功能模块使学生了解无线射频井下定位方法，加深学生对矿山井上下环 境、巷道空间关系的直观感知，同时亦可用来进行下井安全培训。
4、1）基站：基站包括天线和目标识别器，当井下人员经过巷道安装的发射天线 工作区时，基站获取人员携带的标签信息，系统会自动采集该人员经过的时间、 地点信息，并传送到地面的管理数据库；系统实验界面如图11所示，学生通过 基站仿真模拟实验，能了解基站设置要求及定位效果。图n基站实验信息与操作界面2）地面中心站：地面中心站接收来自井下专用处理传输分站上的编码信号， 实现对井下人员和机车跟踪定位信息的采集、分析处理、实时显示、历史数据存 储报表、查询打卬等功能。学生通过查询系统中地面中心站各种信息，加深对无 线射频井下定位方法的理解；3）数据库：学生通过本系统虚拟实验，了解数据信息的显示、定时存储，数据的
5、统一管理及人员的跟踪查询功能。4）定位信息：场景中每个基站处都有一个标签。学生通过本系统虚拟实验,了解该基站中当前所有的人员信息。图12井下人员定位信息与交互操作学生进一步通过感知矿山物联网GIS系统，掌握井下定位方法，进行创新 性研究，见图13o图13 感知矿山物联网GIS系统学生进一步通过感知矿山物联网GIS系统，掌握人员定位,进行创新性研究。4. 5井下人员逃生该功能模块使得地面工作人员能够在突发事故情况下根据井下工作人员位 置制定逃生路线并进行施救，保障井下人员在突发情况下的人身安全，学生通过 本系统虚拟实验，可以学会如何利用矿图等空间信息制定救灾方案，掌握井下安 全知识。1）逃生路线
6、制定：学生通过本系统虚拟实验，学会根据实时传输到的人员信 息以及突发事故情况制定出最快最有效的逃生路线与方法；图14为GIS路径展 zj O图13井下人员逃生路径与展示操作界面2）事故救援：学生通过本系统虚拟实验，学会事故发生时，制定逃生路线, 与井下人员协作，实施救援，最大限度减少人员伤亡的途径与方法。（二）矿体几何感知虚拟仿真教学系统1.系统简介矿体几何学主要研究矿床中带有几何特征的一些问题，分析矿体形状和矿产 特性空间分布的几何特性，利用图解模型和数学模型反映矿体形状和矿产特性的 空间分布情况，以便及时地、有效地、准确地解决有关地质采矿问题。从内涵及 研究内容来看，矿体几何学可视为资源信
7、息学的重要部分。本系统分为五个功能 模块：由钻孔分析矿床形态、自动化矿体圈定及辅助成图、（平行/不平行）剖 面法资源储量估算、地质块段法资源储量估算、三维矿体建模等。通过该系统可 以便于学生对矿床空间形态、储量估算的直观感知。2实验目的在实现矿床形态分析、矿体圈定及辅助成图、储量估算、矿体建模系统仿真、漫游操作的基础上，能够深刻感知矿体形状和矿产特性空间分布的几何特 性，学会利用图解模型和数学模型反映矿体形状和矿产特性的空间分布，并据此 解决有关地质采矿问题的理论与方法。3实验项目设置与学时分配序号实验项目学时实验对象备注1矿体形态分析1测绘工程等交互操作2矿体边界圈定1测绘工程等交互操作3矿
8、体几何制图2测绘工程等交互操作4矿体空间建模1测绘工程等交互操作5储量估算4测绘工程等交互操作4功能与效果通过矿体几何感知虚拟仿真教学系统可以在不进入地层、矿体的情况下感知 矿体形状和矿产特性空间分布的几何特性，不用实地考察便可对地层、矿体系统 有一个较全面的认识，将抽象、准懂的矿体圈定及辅助成图、储量估算、矿体建 模等工作形象化，加深了学生对其原理与方法的了解与掌握。系统部分介绍如下:4. 1矿体形态分析通过该功能模块实现井下勘探过程的模拟，感知矿体形状和矿产特性空间分 布的几何特性，部分界面见图15、图16、图17、图18、图19o图17根据地质剖面建立三维地层模型过程图18井下钻探仿真图
9、18井下钻探仿真图19矿产特性空间分布模拟与矿床形态分析矿床形态分析4. 2矿体边界圈定通过该功能模块掌握矿体边界种类及圈定的原理与方法，部分界面见图20、图21、图22。*作方式浏览明定结果圈定品位：0.34圈定结果 工程号： 当前品级： 圈定样长：ZK012 TW 41.15祥品号样长CuSMoZnc-143 260 380.230.0027 850152.250 270. IS0.0023.800.163.440 100.120.000.000171 580 020.120.000 000182.030.040.230.000.000832.000.040.190.000.000.841
10、.350 070 880.000.000851.472 5814 220 000 000.190.800.446.270.000.000.201 540.508.000.000.000.211.290 206 280 000 000.860 550 200 000 000870.370.305.350.000.000.880 440.182 850.000.000892.910 244.320 000 000圈定厚度：41.15图20、根据工业指标和矿石类型进行自动化的单工程矿体圈定图21.二维勾画矿体面图21.二维勾画矿体面图22、剖面矿体连接与外推规则设置4. 3矿体几何制图通过该功能模块
11、掌握如何用图解分析的方法,研究地质体的形态和它们之间 的相互关系以及控矿因素,矿体展布和矿产性质的空间分布，进而找矿探矿，部 分界面见图23、图24、图25、图26、图27。H孰i, zJ I.图23.剖面图的生成图24.由钻探数据绘制剖面图件口九龙2 1煤质灰分等值 线（U方形）. I fi - LongRuaiTGIS 3.0 二百 X口3X 4&e0Qeq-i：i?”Oigq-G)qx、OO88 88n左一已打开文件：E：驾Do八线峰项目九龙21煤质灰分等值线（正方形）.If.*三维税田三维现国/3dv*一已打开文件：E：驾Do八线峰项目九龙21煤质灰分等值线（正方形）.If.*三维税田
12、三维现国/3dv* 1 * a o-V. . =VI | mji- w1QZOGOZO CALqDJ 乎瞄。比伊氏 1: 20 X: 38524462. 988547, Y:4035图25.煤质灰分等值线图及三维可视化LoncRaan GIS 3. 0 -泞域采案工程平面由（下隹1 .1文件9 0M（）ttfflqp光图像（1）设（）修改0）每注Q）储量 测图形 数猫摩Q）柱状图Q）平面图形9 创面图9 模图6 幅助他后以。等X眩/小| g 念胴.a a凹& 1：1 01 T M - O曰福 口广向R反田丁（6 SS 88灯0 .| 0米a 大嘛奥注记三闺瘴奇3 I 随屋31阊中 勺或单击右檬
13、显示快捷菜单。请指定第一个角点: *移动视图 漫游小an* * Esc蚊Enter楠退出，比例尺 1: 2000 0X7417449 056086; GY 40532021.768r图26.采掘工程平面图图27.金属矿山矿体与巷道关系三维仿真4. 4矿体空间建模通过该功能模块掌握如何基于勘探数据的进行三维矿体建模，学会利用图解模型和数学 模型反映矿体形状和矿产特性的空间分布，部分界面见图28、图29、图30、图31、图 32、图 33、图 34 o井下定位方法，加深学生对矿山井上下环境、巷道空间关系的直观感知，同时亦 可用来进行下井安全培训。3实验项目设置与学时分配序号实验项目学时实验对象备注
14、1井上环境漫游1测绘工程等交互操作2井巷环境漫游1测绘工程等交互操作3开采系统漫游1测绘工程等交互操作4人员定位2测绘工程等交互操作5救灾路线确定2测绘工程等交互操作6矿山空间关系2测绘工程等交互操作4功能与效果本系统让学生进行井上环境漫游、井巷环境漫游、开采系统漫游、人员定位、 逃生路线选择等，不用实地考察就能较好熟悉完整的煤矿系统及生产过程，了解 井下定位方法，加深对矿山井上下环境、巷道空间关系的直观感知，可以学会如 何利用矿图等空间信息制定救灾方案，掌握井下安全知识。4. 1井上环境漫游通过该功能模块实现井上环境的漫游操作，使得学生能直观地认识井上环 境，熟悉煤矿工业广场形态。1）全景漫
15、游：根据既定漫游路线，自动进行场景漫游，能够直观地反映井上 工业广场环境全貌。具体如图1所示。图28.地形、地理底图、勘探工程图29.地形、地理底图、矿体67gzM90080-。侬 a 9。- o .i*a.w ama)oo|g4Wo w1 010 心图30 .样品、矿体块段图31 .样品、品位模型图32 .基于块体的矿体品位模型图33 .基于勘探剖面矿体轮廓线生成矿体表面模型图34.根据地质剖面建立三维地层模型4. 5储量估算通过该功能模块实现储量估算过程的模拟，将抽象、准懂的储量估算工作形 象化，加深了学生对其原理与方法的了解与掌握，部分界面见图35、图36、图 37o殳舁函数图殳舁函数图
16、图35 .地质统计学储量计算的变异分析参数可视化表达图36.三维块段交互连接及储量统计图37.地质块段法储量估算矿井测量模快矿防爆贵重仪器仿真教学系统陀螺定向开采沉降与控制模快矿区土地复垦与生态修复模快数字矿山（矿山环境感知）与矿体几何模快井上环境漫游、井巷环境漫游、开采系统漫游、人员定位、逃生路线选择矿体形态分析、矿体边界圈定、矿体几何制图、矿体空间建模、储量估算通用型测绘模快1井下防爆测量仪器认知虚拟仿真实验教学 系统10仪器贵重2矿山环境感知虚拟仿真教学系统6真实难开展，高危实验3矿山陀螺定向实验仿真教学系统7仪器有限、贵重、易损实 验4矿山一井定向联系测量虚拟教学系统3真实实验无法完成
17、5矿井高程导入测量虚拟教学系统3真实实验无法完成、高危实验6矿井无缝定位三维教学系统5抽象、形象实验7地表移动与变形规律虚拟实验系统3抽象、形象、不可逆实验8充填采煤地表沉陷控制效果虚拟实验系统9岩层移动与变形预计系统10保护煤柱设计虚拟实验系统11相似材料模拟实验平台12数值模拟实验平台13矿区土地复垦规划虚拟虚拟仿真教学系统4直观，不可重复14矿床几何形态虚拟仿真教学系统4不可见15基于全球空间格网的数字地球虚拟仿真教 学系统3抽象、形象实验16卫星导航定位原理虚拟仿真教学系统10抽象、形象实验17三维数字城市虚拟仿真教学系统4抽象、形象实验图1全景漫游及相关操作界面2）控制漫游：控制漫游
18、是井上漫游的主要功能，它能保证学生利用鼠标、键 盘等工具进行实时的交互操作，了解井上环境各类建筑和设备的详细信息；具体 如图2所示。图2控制漫游及相关操作界面3）导航图：导航图在进行控制漫游时充当着小地图的作用，即能在井上环境 全局图中显示当前视点所在位置，方便进行控制漫游的操作。具体如图3所示。图3导航及相关界面4. 2井巷环境漫游通过该功能模块实现井巷环境的漫游操作，使得学生能熟悉井巷环境的基本 构造与主要设备情况。1）全景漫游：根据既定漫游路线，自动进行场景漫游，能够直观地反映井下 全貌，包括胴室、泵房等基本架构；具体如图4所示。图4井下全景漫游及操作界面2）控制漫游：保障学生利用鼠标、
19、键盘等工具进行实时的交互操作，即可以 通过操作以达到对井下各类设备的详细认识；具体如图5所示。图5井下控制漫游及操作界面3）导航图：同井上漫游一样，井下环境漫游时导航图也起到小地图的作用,方便控制漫游的操作;图6井下虚拟导航及操作界面4）主井提升：要求能够详细展示主井提升的工作过程，并可以通过交互操作实现对其各部件的深入了解；具体如图7所示。页 XttUJO RIIWMRSMIM(AAM0 MTAJMt图7主井提升模拟与操作界面5）副井提升：副井提升系统主要担负矿井上下人员和物料的输送，要求能够详细展示副井提升的工作过程，并可以通过交互操作实现对其各部件的深入了 解；具体如图8所示。图8主井提升模拟与操作界面4. 3开采系统漫游通过该功能模块直观了解采煤工作面的基本概况，开采的大致流程，包括破 煤、装煤、运煤、顶板支护、采空区处理等。1）工作面漫游：工作面漫游使得学生能够直观认识工作面的工作流程，如图 9所不。图9井下工作面漫游及操作界面2）井下皮带运输监控：皮带是将开采下来的煤由井下运输至井上并储入煤仓 的重要工具，通过皮带监控可以清楚地皮带运输的全过程，同时也可以通过参数 的设置进行互动操作。如图10所示。