矿山三维巷道网络模型的构建及其空间分析研究

"数字矿山"的科学研究和技术攻关是当前地矿领域的一个重要研究方向，矿山三维巷道网络模型的构建与空间分析则是数字矿山的重要研究内容。在现场调研的基础上，采用空间实体拓扑关系分析方法、面向对象方法和点集拓扑学等方法研究适于矿山三维巷道网络系统模型构建与空间分析的三维数据模型和数据结构；采用计算几何、地理信息系统网络分析、计算机图形图像学等方法进行三维巷道网络模型的生成方法、空间查询方法和空间分析方法研究；以Window XP为平台，以SQLServer、Visual C++6.0、OpenGL图形函数包为开发工具，开发三维矿山巷道网络系统模型与空间分析实验系统，并以典型煤矿和金属矿山巷道网络系统为例进行应用研究。本项研究对丰富三维地理信息系统（3DGIS）的理论和方法，促进数字矿山技术的快速发展和开发实用矿山三维地质采矿建模分析软件具有重要意义。

矿山三维巷道网络模型的构建与空间分析是数字矿山的重要内容。本项目重点研究了矿山三维巷道网络模型构建的数据模型和数据结构、模型的生成方法、模型的空间分析方法及三维地质模型与巷道模型的集成建模方法，完成了原定的计划任务。在数据模型和数据结构方面，采用面向对象方法的方法，研究提出了一种新的适合矿山三维巷道网络模型构建和路径分析的数据模型；采用空间实体拓扑关系分析方法，给出了该数据模型相对应的数据结构；采用点集拓扑学方法，对该数据模型进行了形式化描述。在模型生成方法方面，以所提出的三维数据模型和数据结构为基础，采用计算几何和地理信息系统方法，研究提出了一种新的基于半巷道构模的方法——对称建模法；采用双结点定向法和中点插值法解决了简单巷道和相交复杂巷道体模型的无缝连接问题；采用拱顶统一高度法解决了急弯曲拱形巷道拱顶开裂问题；研究了梯形巷道与拱形巷道的连接建模方法以及立井与上下平巷、立井与三平巷、立井与地面的集成建模方法，实现了复杂矿山巷道三维网络模型的构建。在空间分析方面，以图论方法为基础，将巷道网络抽象成结点-弧段图，研究了巷道网络的连通性分析方法，提出了适合缓倾斜矿床开采巷道网络的单源最短路径分析和点对间最短路径分析方法及适合急倾斜矿床开采巷道网络的基于分层的最短路径分析方法，进而研究给出了双源最佳路径、必经结点最佳路径和存在障碍的最佳路径分析方法。在三维矿山巷道模型与三维地质模型的集成建模方面，按照基于剖面的三维地质建模方法，通过剖面上地层界线与巷道轮廓线的交切，进而实现了地层模型和巷道模型的集成建模。以Window XP为平台，以SQLServer、Visual C++6.0、OpenGL图形函数包为开发工具，开发了三维矿山巷道网络模型与空间分析实验系统，并以陕西黄陵一号煤矿和陕西凤县银母寺铅锌矿巷道网络系统为例进行了应用研究。本项研究对丰富三维地理信息系统（3DGIS）的理论和方法，促进数字矿山技术的快速发展和开发实用矿山三维地质采矿建模分析软件具有重要意义。