一种空场嗣后充填法的三维充填设计方法、装置及存储介质与流程

本发明属于数字矿山模拟，特别涉及一种空场嗣后充填法的三维充填设计方法，以及执行该方法的电子装置和存储、实现该方法的计算机可读存储介质。

背景技术：

1、阶段空场嗣后充填采矿法的充填设计是一项根据矿山的地质条件、开采方式、充填材料等因素选定合理充填方案的工作，该工作直接关系到矿山的安全生产和经济效益。传统阶段空场嗣后充填采矿法的充填设计常采用原始手绘图纸设计，工作量大、精度低且不易存储，难以实现现代化高效工作要求。在计算机技术普及之后，二维cad制图技术得到发展，得以在计算机内进行数字化绘图设计，但该方法受二维平面限制无法使绘图人员在三维空间内进行设计，设计参数较为单一，仍存在可视化和直观性较差的问题，且设计准确性难以有效保证，对实际施工的指导价值较低。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提出一种空场嗣后充填法的三维充填设计方法及其装置和存储介质，以解决传统充填设计方法精度不足、设计效率低下、缺乏可视化和直观性、难以进行多专业协同设计等问题。

2、本发明通过如下技术方案实现：

3、本发明提出了一种空场嗣后充填法的三维充填设计方法包括以下步骤：

4、s1，构建待充填区域的三维实体模型，包括构建采空区模型和井巷工程模型，并根据设计范围进行模型裁剪；

5、s2，充填孔自动布置：对井巷工程模型进行方向一致化处理并提取井巷工程底板面，作为充填孔的孔口约束面；遍历采空区模型的所有顶点数据，取高程值最大的顶点作为充填孔孔底位置；以50°～90°的充填孔倾角范围和不贯穿其他井巷工程和采空区为前提，迭代求解孔底位置至孔口约束面的最短路径作为充填轨迹，并以该充填轨迹与孔口约束面的交点作为最终孔口位置，完成充填孔的设计；

6、s3，挡墙自动生产：拾取井巷工程底板面中巷道底板的边界线顶点作为挡墙在井巷工程中的空间布置位置；输入挡墙尺寸参数、墙体排水管布设参数和立柱布设参数，结合挡墙空间布置位置和井巷工程断面信息采用断面法自动生成三维挡墙模型；根据三维挡墙模型的横截面生成挡墙平面图作为施工指导图纸，并根据输入参数和三维模型输出各项材料的消耗量；

7、s4，充填体分层算量：通过曲面等距均匀采样方法和a l phashape算法构建充填体模型；依据分层充填标高，计算水平分割平面方程，遍历充填体模型面片与水平分割平面方程的空间关系分割充填体模型，形成分层充填体模型；输入充填材料参数，结合分层充填体模型体积计算各分层充填量指标，输出充填量指标表；

8、s5，参数化出图：依据三维模型及其数据，分别定义施工指导图的出图参数；制定水平布局和剖面布局的出图参数模板，遍历三维模型的水平布局和剖面布局位置输出二维图纸对象，对二维图纸对象进行图面修饰，生成最终的二维施工指导图。

9、优选的，前述步骤s1中的采空区模型和井巷工程模型的构建方法为：使用三维激光扫描仪分别对采空区和井巷工程实体进行扫描，并结合slam技术速获取对应区域的点云数据，使用高斯滤波算法对点云数据进行降噪处理，处理后的点云数据采用泊松表面重建方法生成采空区模型和井巷工程模型。

10、优选的，前述步骤s1中井巷工程模型通过基于实测腰线数据的分区建模方法生成，具体为：调整腰线高程并建立结点-路径网络，构造局部断面轮廓线，并提取空间网格进行曲面三角化，合并所有局部网格生成内部连通的井巷工程模型。

11、进一步地，前述步骤s2中孔口约束面的确定方法包括：对井巷工程模型进行方向一致化处理，使得模型上的每一个三角面片的法向均朝向模型外部；遍历模型上所有三角面片法向，以法向朝上为90°，法向朝下为-90°；提取法向在-120°～-60°范围内的所有三角面片为井巷工程底板面，即孔口约束面。

12、进一步地，前述步骤s2中充填轨迹的确定方法包括：遍历井巷工程底板面的顶点并依次与孔底位置连线生成若干充填轨迹；计算各充填轨迹的倾角，排出不在充填孔倾角范围内的充填轨迹；未排除的充填轨迹与其他工程模型进行空间碰撞检测，排出空间相交的充填轨迹；计算剩余充填轨迹的长度，取最短路径的充填轨迹作为最终的充填轨迹。

13、进一步地，前述步骤s3中生成挡墙平面图的具体步骤包括：基于三维挡墙模型的横截面创建剖面布局，将挡墙模型投影至剖面布局，生成挡墙模型闭合轮廓线并用“墙体”填充花纹填充；根据输入的墙体排水管布设参数和立柱布设参数在剖面布局中自动绘制立柱、排水管轮廓线；将剖面布局及剖面布局中的所有对象转换坐标生成挡墙平面图。

14、进一步地，前述步骤s4中构建充填体模型的具体步骤为：以0.1m的采样间距在采空区模型和井巷工程模型的模型表面上进行曲面等距均匀采样并获得均匀采样点集，并以该点集为基础采用3d al phashape算法进行曲面重建，生成与原采空区模型、井巷工程模型表面拟合且内部联通的闭合实体模型，作为生成充填体模型。

15、进一步地，前述步骤s5中的施工指导图出图参数包括三维模型输出二维对象的输出模式、线宽、线型、线型比例、颜色、填充花纹、标注属性和标注样式，其中三维模型输出二维对象的输出模式包括投影、限制投影、切割、拷贝和延伸。

16、本发明还提出一种电子装置，用于执行前述的空场嗣后充填法的三维充填设计方法。

17、本发明还提出一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序或指令，当所述计算机程序或指令被计算装置执行时，实现前述的方法。

18、有益效果

19、上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：

20、本发明的三维充填设计方法尤为适用于阶段空场嗣后充填采矿法的充填设计，其中，基于三维激光扫描结合slam技术形成的实体模型为设计精准性提供了基础，在此基础上，充填孔的自动布置综合考虑充填孔倾角要求、工程贯穿安全条件以及孔口孔底约束，通过迭代求解最短路径即可生成既合理又经济安全的充填孔轨迹，并在输入设定的挡墙参数后即可对挡墙进行参数化设计并输出二维施工指导图纸；此外，通过融合采空区和井巷工程的实体模型形成充填体模型，只需确定充填体各分层高度和输入充填材料参数即可完成充填体的分层充填量指标计算并自动生成相应的二维施工图纸。整个设计过程仅在构建实体模型时涉及实地测绘，其余通过模型变换和简单处理和相关参数输入即可完成设计工作和图纸输出，具有设计工作量小，设计过程简单、便捷，设计周期短且可视化程度高，设计精准性高，施工指导价值高，极大提升了充填设计的工作效率并降低了施工误差，有效节约了生产成本。

技术特征：

1.一种空场嗣后充填法的三维充填设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种空场嗣后充填法的三维充填设计方法，其特征在于，s1中的采空区模型和井巷工程模型的构建方法为：使用三维激光扫描仪分别对采空区和井巷工程实体进行扫描，并结合slam技术速获取对应区域的点云数据，使用高斯滤波算法对点云数据进行降噪处理，处理后的点云数据采用泊松表面重建方法生成采空区模型和井巷工程模型。

3.根据权利要求1所述的一种空场嗣后充填法的三维充填设计方法，其特征在于：s1中井巷工程模型通过基于实测腰线数据的分区建模方法生成，具体为：调整腰线高程并建立结点-路径网络，构造局部断面轮廓线，并提取空间网格进行曲面三角化，合并所有局部网格生成内部连通的井巷工程模型。

4.根据权利要求1所述的一种空场嗣后充填法的三维充填设计方法，其特征在于，s2中孔口约束面的确定方法包括：对井巷工程模型进行方向一致化处理，使得模型上的每一个三角面片的法向均朝向模型外部；遍历模型上所有三角面片法向，以法向朝上为90°，法向朝下为-90°；提取法向在-120°～-60°范围内的所有三角面片为井巷工程底板面，即孔口约束面。

5.根据权利要求1所述的一种空场嗣后充填法的三维充填设计方法，其特征在于，s2中充填轨迹的确定方法包括：遍历井巷工程底板面的顶点并依次与孔底位置连线生成若干充填轨迹；计算各充填轨迹的倾角，排出不在充填孔倾角范围内的充填轨迹；未排除的充填轨迹与其他工程模型进行空间碰撞检测，排出空间相交的充填轨迹；计算剩余充填轨迹的长度，取最短路径的充填轨迹作为最终的充填轨迹。

6.根据权利要求1所述的一种空场嗣后充填法的三维充填设计方法，其特征在于，s3中生成挡墙平面图的具体步骤包括：基于三维挡墙模型的横截面创建剖面布局，将挡墙模型投影至剖面布局，生成挡墙模型闭合轮廓线并用“墙体”填充花纹填充；根据输入的墙体排水管布设参数和立柱布设参数在剖面布局中自动绘制立柱、排水管轮廓线；将剖面布局及剖面布局中的所有对象转换坐标生成挡墙平面图。

7.根据权利要求1所述的一种空场嗣后充填法的三维充填设计方法，其特征在于，s4中构建充填体模型的具体步骤为：以0.1m的采样间距在采空区模型和井巷工程模型的模型表面上进行曲面等距均匀采样并获得均匀采样点集，并以该点集为基础采用3d alphashape算法进行曲面重建，生成与原采空区模型、井巷工程模型表面拟合且内部联通的闭合实体模型，作为生成充填体模型。

8.根据权利要求1所述的一种空场嗣后充填法的三维充填设计方法，其特征在于，s5中的施工指导图出图参数包括三维模型输出二维对象的输出模式、线宽、线型、线型比例、颜色、填充花纹、标注属性和标注样式，其中三维模型输出二维对象的输出模式包括投影、限制投影、切割、拷贝和延伸。

9.一种电子装置，其特征在于：用于执行如权利要求1-8任一所述的空场嗣后充填法的三维充填设计方法。

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于：所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序或指令，当所述计算机程序或指令被计算装置执行时，实现如权利要求1-8中任一项所述的方法。

技术总结
本发明公开了一种空场嗣后充填法的三维充填设计方法，包括步骤：采用三维激光扫描和SLAM技术构建待充填区域的三维实体模型，充填孔自动布置，自动生成挡墙并输出材料消耗量和二维施工图，构建分层充填体模型并自动计算分层充填量，自动生成充填二维施工指导图。本发明在构建三维实体模型的基础上，通过模型变换和简单处理，以及相关参数输入即可自动布置经济合理的充填孔，参数化的挡墙，自动生成挡墙、充填体的材料消耗量及相应的二维施工图纸，大幅减少实地测绘、计算和制图的工作量，具有设计简单、便捷、周期短，可视化程度高，设计精准性高，施工指导价值高的特点，极大提升充填设计的工作效率并减少施工误差，有效节约生产成本。

技术研发人员：董军庭,幸吉祥,王志东,国立花,罗道清,许荣勇,阙加锋,林有斌,郑雨航,胡绍龙,付皓鑫,梁建勇,陈文通,王于杭,邱立强,陈海斌
受保护的技术使用者：福建马坑矿业股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5