基于虛擬現(xiàn)實技術的巖石力學數(shù)值計算與三維可視化

劉溪鴿 楊天鴻 張鵬海 朱萬成

(東北大學資源與土木工程學院，遼寧 沈陽110819)

基于計算機技術發(fā)展起來的虛擬現(xiàn)實技術與數(shù)值模擬技術應用于采礦工程領域，為采礦工程的發(fā)展起到了積極的促進作用。文獻［1］探討了虛擬現(xiàn)實技術在我國礦業(yè)領域的應用前景與接口技術;文獻［2-6］分別就虛擬現(xiàn)實技術在采礦工程領域各個方面的應用情況進行了論述;文獻［7-9］結合采礦工程特點，闡述了數(shù)值模擬技術在采礦工程中的應用現(xiàn)狀;此外，文獻［10］對采礦工程中常用的數(shù)值模擬軟件進行了歸納總結。總體而言，目前關于虛擬現(xiàn)實技術與巖石力學數(shù)值模擬在采礦工程中的應用都相對獨立，沒有很好地實現(xiàn)二者的有機結合與綜合利用。

本研究通過對虛擬現(xiàn)實技術與巖石力學數(shù)值模擬共性與差異性的比較，分析2 種技術方法在采礦工程應用中各自發(fā)揮的作用，并結合山東黃金新城金礦的工程實例，從優(yōu)勢互補的角度探討虛擬現(xiàn)實技術與巖石力學數(shù)值模擬結合應用的效果。

1 虛擬現(xiàn)實技術

虛擬現(xiàn)實技術是以計算機技術為核心，結合相關科學技術，生成與一定范圍真實環(huán)境在視、聽、觸感等方面高度近似的數(shù)字化環(huán)境，用戶借助必要的裝備與數(shù)字化環(huán)境中的對象進行交互作用、相互影響，可以產(chǎn)生親臨對應真實環(huán)境的感受和體驗［11］。

所謂“虛擬現(xiàn)實”，首先需要將現(xiàn)實世界的研究對象轉化為計算機識別的數(shù)字信息，然后依據(jù)此信息借助計算機軟件建立虛擬的三維模型，最后將各類信息集成到同一個虛擬展示平臺并互動地進行顯示。虛擬現(xiàn)實的實現(xiàn)涉及到一系列互相關聯(lián)的研究領域，比如計算機圖形學、圖像處理與模式識別、多傳感器技術、智能接口技術、語音處理與音響技術、人工智能技術、網(wǎng)絡技術等。

虛擬現(xiàn)實具有多感官調(diào)動、沉浸與實時交互性的特點，通過對人體產(chǎn)生多種感官的綜合刺激，使得存在于現(xiàn)實世界的事物與場景在虛擬的環(huán)境中得到最高程度的模仿。

虛擬現(xiàn)實技術最早應用于軍事、航天等科技前沿領域，隨著計算機軟件、硬件的不斷增強以及其應用成本的不斷降低，虛擬現(xiàn)實技術逐漸在各個行業(yè)得到普及。近年來，虛擬現(xiàn)實在礦業(yè)領域的應用也取得了諸多成果。

目前，虛擬現(xiàn)實技術在采礦工程中主要有以下方面的用途:①配合礦山對人員、設備的實時管理、調(diào)配;②外來人員參觀展示與新員工的培訓教育;③生產(chǎn)事故演示并為救援提供指導等。

但是，單純依據(jù)虛擬現(xiàn)實技術還很難做出采礦生產(chǎn)設計以及優(yōu)化回采方案，而這恰好是巖石力學數(shù)值模擬的優(yōu)勢。

2 巖石力學數(shù)值模擬

隨著計算機科學技術的發(fā)展和普及應用，巖石力學進入了嶄新的發(fā)展階段［12］?；趲r石力學理論的多種數(shù)值模擬方法，如有限元、離散元、有限差分等方法在采礦工程中均有廣泛的應用。

巖石力學數(shù)值模擬方法是目前解決巖石工程問題的有力工具。在現(xiàn)場進行實地監(jiān)測成本高昂，而且獲得的監(jiān)測數(shù)據(jù)在空間和時間上均受限制。數(shù)值模擬方法以現(xiàn)場調(diào)查的地質條件為計算基礎，將局部零散位置的監(jiān)測數(shù)據(jù)推廣到整體研究區(qū)域，并通過對過去一段時間巖體變化規(guī)律的模擬預測未來開采條件下的巖體變化情況，彌補實測數(shù)據(jù)的不足。

就目前巖石力學數(shù)值模擬軟件的功能而言，一般的應用程序大致分為如下幾個部分:模型構建與網(wǎng)格劃分(前處理)、參數(shù)輸入與計算邊界條件確定、數(shù)值模擬計算、結果分析與顯示(后處理)。數(shù)值模擬軟件的主要目標是做力學分析、位移分析等，其前處理功能一般相對簡單，即數(shù)值模擬軟件建模通常要做簡化處理。例如，將不規(guī)則的采場簡化為規(guī)則的六面體、將曲折的巷道簡化為棱柱體或圓柱體、省略掉次要的工程及設備等，而交叉、包含、尖角、異形等不規(guī)則模型的建立與計算一般很難實現(xiàn)。至于后處理部分，位移場、應力場、關鍵塊、塑性區(qū)等計算結果一般是以切割剖面的形式顯示，這些計算結果的顯示區(qū)域也受限于前處理建立的模型。

在巖石力學數(shù)值模擬軟件的應用過程中，前處理可以通過建立多種軟件接口、綜合利用實現(xiàn)復雜模型的耦合建模，而后處理一般也可以通過借助圖形圖像處理軟件增強顯示效果。即便如此，數(shù)值模擬的計算結果仍然不能夠具象到虛擬現(xiàn)實的顯示水平。

3 虛擬現(xiàn)實與數(shù)值模擬的優(yōu)勢互補性

采礦工程是不斷打破原巖力學平衡再建立新的力學平衡的過程。隨著采礦工程的推進，巖體的地應力狀態(tài)、地下水、地熱、瓦斯、采空區(qū)范圍等環(huán)境因素均處于不斷變化與演進的狀態(tài)之中。因此，在對采礦工程問題進行虛擬現(xiàn)實演示時，需要將這些復雜的信息集成顯示。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)如果只能顯示采礦生產(chǎn)進度、采礦工藝方法、人員設備位置等內(nèi)容，那么，礦山的生產(chǎn)決策就會缺乏工程穩(wěn)定性、安全性方面的信息支持。

采礦工程問題涉及采場、巷道等工程的穩(wěn)定性分析、采礦方案優(yōu)化、地質災害預防和治理等方面的內(nèi)容。巖石力學數(shù)值模擬技術是以巖體安全性評估為主要目標的分析工具，雖然數(shù)值模擬可以根據(jù)采礦進度的不同計算出不同工況下的地應力、地下水、地熱等信息，但是，不能結合生產(chǎn)實際狀況顯示。

在指導采礦生產(chǎn)、改善采場和圍巖穩(wěn)定性方面，虛擬現(xiàn)實不能提供應力場、位移場、塑性區(qū)等信息;在顯示效果方面，數(shù)值模擬不能夠達到虛擬現(xiàn)實的顯示水平。因此，在采礦工程中實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實與數(shù)值模擬在技術上的優(yōu)勢互補，將為工程實踐提供更大的幫助。

虛擬現(xiàn)實作為一個綜合展示平臺，可以將所有信息集成在一起，然后根據(jù)需要進行顯示。數(shù)值模擬的結果加入到虛擬現(xiàn)實平臺之上，既增強了數(shù)值模擬的顯示效果，也使得虛擬現(xiàn)實技術得到了更充分的利用。

此外，采礦工程的生命周期一般比較長，一般情況下，礦山從基建到閉坑時間長度為幾十年至上百年。隨著采礦活動的進行，雖然礦山工作面及采空區(qū)等情況一直處于變動之中，但是，礦山的整體面貌受限于礦體的固有形態(tài)、礦山的地理位置等客觀條件，一般變化不大。這為虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的繼承性提供了很好的基礎，即當一個礦山的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)建立完成，隨著開采活動的不斷進行，只需對已建立完成的系統(tǒng)做局部信息更新即可，不必整體重建。

4 工程應用實例

本研究基于東北大學VRP 虛擬現(xiàn)實平臺，分別完成對山東黃金新城金礦的實體建模以及數(shù)值模擬結果的集成，外部整體顯示如圖1。地表、礦體、斷層、豎井、斜坡道與主要巷道工程經(jīng)3DMine 軟件建模被導入到虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中。

圖1 新城金礦虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)整體效果Fig.1 General picture of the virtual reality system in Xincheng Gold Mine

建立虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，一方面有助于新城金礦制定整體的回采方案，另一方面可以為建立區(qū)域數(shù)值計算模型作指導并最終將數(shù)值計算結果整合到虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中進行集成顯示。

對現(xiàn)場掃面得到的巖體結構面進行分組處理，根據(jù)走向、傾向的不同用不同顏色加以標示，使之便于觀察統(tǒng)計。將掃描得到的節(jié)理面集成到VRP 編輯器中，實現(xiàn)巖體結構面的三維重構，效果如圖2 所示。同時，將采場及巷道結構面掃描的結果轉化為數(shù)字信息，作為巖體分級的量化依據(jù)。

圖2 結構面三維展示Fig.2 Three-dimensional display of the rock joints

對礦體模型按照實際的回采順序進行虛擬“回采”，并用動畫效果顯示，如圖3。一方面可以顯示采礦生產(chǎn)進度和總體設計規(guī)劃;另一方面可以結合不同回采階段顯示某一特定狀態(tài)下的采場與巷道工程的受力情況，便于隨時合理地調(diào)整采礦生產(chǎn)安排。

圖3 礦體回采進度Fig.3 The orebody mining progress

應用FLAC 數(shù)值模擬軟件計算的應力云圖與應用ShapeMetriX 3D 軟件計算獲得的關鍵塊信息，集成顯示在巷道模型中，如圖4、圖5 所示。根據(jù)關鍵塊體與應力云圖等信息，礦山巷道與采場的支護工作可以有更加科學的依據(jù)。將數(shù)值模擬得到的應力場數(shù)據(jù)集成到虛擬場景中，隨著采礦過程的動態(tài)發(fā)展，可直觀形象地展示出采空區(qū)及巷道的形成對圍巖體內(nèi)原始地應力場的擾動情況，再現(xiàn)深部采礦引起的地壓變化過程。在此基礎之上，新城金礦采礦工程師可以在生產(chǎn)設計過程中第一時間直觀地獲得應力場信息，有助于提高生產(chǎn)決策的安全性。

圖4 巷道外部應力云圖與關鍵塊信息Fig.4 Stress nephogram and the key rock of roadway in the external tunnel

圖5 巷道內(nèi)部應力云圖與關鍵塊信息Fig.5 Stress nephogram and the key rock of roadway in the internal tunnel

對工程關心區(qū)域進行變形監(jiān)測，監(jiān)測信息可以以列表的形式在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中顯示，如圖6 所示。此類監(jiān)測信息也可以隨著采礦生產(chǎn)而實時更新。

新城金礦虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的建立，可以使應力云圖、關鍵塊、位移監(jiān)測數(shù)據(jù)等信息根據(jù)礦體回采及巷道工程施工的推進實時更新，為礦山確定整體與局部的開采方案提供便利。

圖6 巷道位移監(jiān)測信息顯示Fig.6 Displacement monitoring information of the tunnel

新城金礦虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)是帶有虛擬漫游、數(shù)據(jù)查詢和交互控制功能的礦山數(shù)字化系統(tǒng)。通過虛擬現(xiàn)實技術將礦山生產(chǎn)過程中的工程地質條件、礦體形態(tài)、巷道及采區(qū)位置、開采進度等大量三維數(shù)據(jù)集成為動態(tài)可視化的三維模型，并與圍巖應力場數(shù)值仿真、巷道位移監(jiān)測等手段結合，建立了完善的礦山三維可視化平臺。新城金礦虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)可以實現(xiàn)如下幾方面的功能:①提供充分的礦床形態(tài)、礦巖屬性、地質構造信息，可以方便用戶對礦山數(shù)據(jù)的觀察和理解;②通過集成相關數(shù)據(jù)信息進行綜合判斷分析可幫助人們發(fā)現(xiàn)礦山生產(chǎn)過程中的安全隱患;③作為礦山安全培訓平臺;④為礦山下步開采提供技術支撐。

5 結 論

虛擬現(xiàn)實技術與數(shù)值模擬技術在采礦工程中均有比較廣泛的應用。虛擬現(xiàn)實技術具有顯示逼真、互動性強等優(yōu)勢，數(shù)值模擬可以提供位移場、應力場等重要的安全性信息，將兩者在采礦工程中結合應用、優(yōu)勢互補可以獲得很好的效果?；谔摂M現(xiàn)實技術和數(shù)值仿真技術的礦山數(shù)據(jù)分析處理與集成系統(tǒng)是礦山數(shù)字化向智能化方向發(fā)展的趨勢，數(shù)值模擬結果的信息導入對新城金礦提高現(xiàn)代化水平和生產(chǎn)效率、用高新技術改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)等都具有重要意義。

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