本發(fā)明涉及一種地下礦山采空區(qū)相似模型的制作方法，尤其涉及多中段不規(guī)則金屬礦山采空區(qū)（群）進(jìn)行物理相似模擬實驗的3D建模試驗方法，可在金屬、非金屬、化工、煤炭礦山的采空區(qū)、地下工程硐室等物理相似模擬實驗建模時靈活應(yīng)用。

背景技術(shù)：

地下礦山采空區(qū)是人為開采礦產(chǎn)資源后在地表以下產(chǎn)生的“空洞”，礦山采空區(qū)是礦山安全生產(chǎn)事故發(fā)生的一個主要誘因。采空區(qū)在高地壓、高應(yīng)力的作用下產(chǎn)生的大面積冒頂、片幫、塌陷和閉合變形等都是重要的地質(zhì)災(zāi)害，嚴(yán)重影響礦山正常生產(chǎn)運作和井下工作人員的生命安全，采空區(qū)的存在使得礦山的安全生產(chǎn)面臨重大安全隱患，采空區(qū)的穩(wěn)定性評估和破壞方式研究是采空區(qū)治理工程的基礎(chǔ)工作，這方面工作最常用的手段為相似材料模擬實驗法。

目前，采空區(qū)模型的建立有基于點云數(shù)據(jù)的采空區(qū)三維建模算法、基于Surpac的采空區(qū)模型建立法。如《有色金屬》(礦山部分)2009年7月第4期發(fā)表的“基于Surpac的坑道與采空區(qū)模型建立及其應(yīng)用”一文中，詳細(xì)介紹了廣西高峰錫礦105號礦體坑道模型以及采空區(qū)模型建立的基本過程，運用Surpac建立采空區(qū)模型,在Surpac軟件的三維顯示區(qū)顯示采空區(qū)實體模型。但采用該文建立的模型，仍然只能在計算機中顯示，無法制成實物模型，因而也就無法對實物模型采用相似模擬方法在實驗室內(nèi)進(jìn)行試驗研究，從而影響到研究的可靠程度和模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。

幾何相似是相似材料模擬實驗中首要的相似條件，采空區(qū)穩(wěn)定性分析需要建立準(zhǔn)確的真實形態(tài)采空區(qū)3D相似模型，而目前采空區(qū)穩(wěn)定性分析中相似材料模擬試驗中均采用簡化標(biāo)準(zhǔn)模型，這種模型的實驗?zāi)M研究成果往往和現(xiàn)實情況差距巨大。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的，就是針對目前采空區(qū)穩(wěn)定性分析和破壞規(guī)律相似材料模擬實驗研究中，無法建立真實形態(tài)的采空區(qū)模型的難題，而提供一種地下礦山采空區(qū)相似材料3D模型的制作方法。

為實現(xiàn)本發(fā)明的上述目的，本發(fā)明一種地下礦山采空區(qū)相似材料3D模型的制作方法采用以下工藝、步驟實現(xiàn)：

1）采空區(qū)三維測量：利用三維激光掃描儀CMS對地下采空區(qū)進(jìn)行360°球形精確測量，獲取地下采空區(qū)的邊界坐標(biāo)信息（X,Y,Z）。

2）采空區(qū)3D數(shù)字模型建立：將獲取的地下采空區(qū)的邊界坐標(biāo)信息（X,Y,Z）進(jìn)行處理后，輸入到三維礦業(yè)軟件3Dmine中，在計算機中建立采空區(qū)3D數(shù)字實體模型。

3）采空區(qū)石蠟?zāi)Ｐ偷拇蛴。河?D打印機按需求比例將采空區(qū)3D數(shù)字實體模型打印成采空區(qū)石蠟?zāi)Ｐ汀?/p>

4）制作巖體相似材料模型：將采空區(qū)石蠟?zāi)Ｐ桶凑湛臻g位置擺放，周圍搭建模板，并在模板底部預(yù)留一個石蠟溶出口，將配比好的巖體相似材料混合攪拌均勻后澆筑到搭建好的模板內(nèi)，制作出巖體相似材料模型。所述的巖體相似材料是由水泥、石膏、河沙、導(dǎo)熱粉按比例混合制成。

5）石蠟?zāi)Ｐ腿鄢觯合嗨撇牧夏Ｐ宛B(yǎng)護(hù)達(dá)到設(shè)定的強度后，利用加熱法將采空區(qū)石蠟?zāi)Ｐ图訜岵氖炄鄢隹谥腥鄢?，最終制作出采空區(qū)采空區(qū)相似材料3D模型。相似材料模型的養(yǎng)護(hù)時間一般為26-30天，以28天為佳。

為了保證采空區(qū)三維測量的精準(zhǔn)性，在上述1）步驟，采空區(qū)測量的掃描參數(shù)設(shè)置為垂直方向上每1°記錄一個坐標(biāo)值，水平方向上每1°掃描一組數(shù)據(jù)，共獲取360組數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)存儲360個坐標(biāo)點。

在上述3）步驟，采用工業(yè)級3D打印機用52號或54號石蠟原料按需求比例打印出的三維的采空區(qū)石蠟?zāi)Ｐ蜑榧选?/p>

在上述4）步驟中，室內(nèi)環(huán)境溫度控制在18°C-0°C范圍，以15°C-5°C為佳。超過溫度需要對環(huán)境進(jìn)行降溫處理。

本發(fā)明一種地下礦山采空區(qū)相似材料3D模型的制作方法，采用以上技術(shù)方案后具有積極效果：

（1）該方法解決了采空區(qū)穩(wěn)定性分析相似材料模擬實驗中建模的幾何相似條件，大大提高了相似材料模擬實驗的可靠程度和模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。

（2）消除了目前礦山采空區(qū)穩(wěn)定性分析和破壞方式相似材料試驗研究中采用采空區(qū)簡化標(biāo)準(zhǔn)模型的弊端，解決了以往無法建立與真實采空區(qū)空間形態(tài)一致的3D模型難題。本方法相當(dāng)于將地下復(fù)雜形狀的采空區(qū)按照需求相似比例復(fù)制到實驗室內(nèi)，為試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性提供了非?？煽康幕A(chǔ)。

附圖說明

圖1為地下采空區(qū)三維測量示意圖；

圖2為建立的采空區(qū)3D數(shù)字實體模型；

圖3為地下采空區(qū)石蠟?zāi)Ｐ停?/p>

圖4為采用本發(fā)明一種地下礦山采空區(qū)相似材料3D模型的制作方法制作的采空區(qū)相似材料3D模型。

附圖標(biāo)記：1－三維激光掃描儀CMS；2－采空區(qū)通道；3－地下采空區(qū)；4－采空區(qū)3D數(shù)字實體模型；5－采空區(qū)石蠟?zāi)Ｐ停?－巖體相似材料；7－石蠟熔出口；8-采空區(qū)相似材料3D模型。

具體實施方式

為進(jìn)一步描述本發(fā)明，下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明一種地下礦山采空區(qū)相似材料3D模型的制作方法作更詳細(xì)的描述。

由圖1所示的地下采空區(qū)三維測量示意圖并結(jié)合圖2、圖3、圖4看出，本發(fā)明一種地下礦山采空區(qū)相似材料3D模型的制作方法，其特征在于采用以下工藝、步驟：

第一步：將三維激光掃描儀CMS 1通過采空區(qū)通道2架設(shè)在地下采空區(qū)3內(nèi)，設(shè)置掃描參數(shù)，垂直方向上每經(jīng)過1°記錄一個坐標(biāo)值，水平方向上每旋轉(zhuǎn)1°掃描一組數(shù)據(jù)，然后開始進(jìn)行360°球形無盲點掃描，掃描工作會獲取360組數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)共存儲360個點的邊界坐標(biāo)信息（X,Y,Z）。

第二步：地下采空區(qū)3掃描完成后，導(dǎo)出收集的地下采空區(qū)3邊界坐標(biāo)信息（X,Y,Z）數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)輸入到三維礦業(yè)軟件3Dmine中，經(jīng)過對離散點的去除處理，將坐標(biāo)點連接成面，在計算機中建立采空區(qū)3D數(shù)字實體模型4。

第三步：采空區(qū)3D數(shù)值實體模型4作為輸出原型，設(shè)置3D打印比例尺，利用工業(yè)級3D打印機按比例將采空區(qū)3D數(shù)字實體模型4打印成采空區(qū)石蠟?zāi)Ｐ?，打印原料技術(shù)規(guī)格要求為52號或54號石蠟。

第四步：采空區(qū)石蠟?zāi)Ｐ?打印完成后，將采空區(qū)石蠟?zāi)Ｐ?按照真實空間位置擺放，周圍搭建模板，并在模板底部預(yù)留一個石蠟溶出口7，將配比好的巖體相似材料6混合攪拌均勻后澆筑到搭建好的模板內(nèi)，制作出巖體相似材料模型。模型制作環(huán)境溫度要求低于18°C，冬季較好，以15°C-0°C為佳，夏季則要求在密閉低溫環(huán)境中。

第五步：相似材料模型澆筑完成后，養(yǎng)護(hù)28天，利用加熱法將采空區(qū)石蠟?zāi)Ｐ?從底端石蠟溶出口7加熱熔出，最終制作出采空區(qū)采空區(qū)相似材料3D模型8。

然后在實驗室內(nèi)進(jìn)行相關(guān)試驗研究。