露天地下聯(lián)合開(kāi)采礦山三維礦業(yè)軟件應(yīng)用技術(shù)研究*

曾慶田，汪德文，唐澤勛，趙懷軍，黃勁松，張達(dá)兵

(1.玉溪礦業(yè)有限公司，云南 玉溪 653100)

(2.涼山礦業(yè)股份有限公司拉拉公司，四川 會(huì)理 615100)

(3.中南大學(xué)，湖南 長(zhǎng)沙 410083)

信息化和工業(yè)化的融合，為工業(yè)發(fā)展提供強(qiáng)大的信息支撐，以工業(yè)化帶動(dòng)信息化，以信息化促進(jìn)工業(yè)化的新型工業(yè)化道路，在我國(guó)已經(jīng)形成了強(qiáng)大的信息化和工業(yè)化集群優(yōu)勢(shì)，發(fā)揮著各自不同的作用，共同促進(jìn)和推動(dòng)了國(guó)家經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的進(jìn)步，三維礦業(yè)軟件的應(yīng)用也屬于工業(yè)化和信息化融合的范疇。

20 世紀(jì)中葉以來(lái)，隨著世界科技水平和手段的不斷提高，以圖紙化辦公和管理的礦山企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)和管理模式發(fā)生了翻天覆地的變革，管理信息化已成為礦山企業(yè)現(xiàn)代化的一個(gè)重要標(biāo)志，建設(shè)數(shù)字礦山成為我國(guó)現(xiàn)代化礦山發(fā)展的必然趨勢(shì)。礦業(yè)企業(yè)作為國(guó)家能源與原材料供應(yīng)者，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中具有十分重要的地位。我國(guó)礦業(yè)經(jīng)過(guò)半個(gè)世紀(jì)的快速發(fā)展，已建成國(guó)有礦山近萬(wàn)座，集體礦山和其他非國(guó)有礦山20 多萬(wàn)座，年開(kāi)采礦石量超過(guò)50 億t［1-2］。龐大的礦業(yè)集群和巨大的產(chǎn)業(yè)鏈條，都在以極大的熱情迎接三維礦業(yè)軟件的到來(lái)，澳大利亞、美國(guó)、英國(guó)等三維礦業(yè)軟件的引進(jìn)、消化、吸收及本地化工作為國(guó)外礦業(yè)軟件的推廣應(yīng)用掀起了一次高潮。隨著應(yīng)用的深入，國(guó)內(nèi)一些大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)采用國(guó)外的三維平臺(tái)和引擎，以國(guó)內(nèi)三維礦業(yè)軟件的實(shí)際需求，進(jìn)行了軟件的本地化開(kāi)發(fā)，取得了較大的成果，國(guó)內(nèi)三維軟件的應(yīng)用又掀起了一次浪潮［3］。

可以毫不夸張地說(shuō)，國(guó)內(nèi)知名的大型礦業(yè)企業(yè)集團(tuán)，都購(gòu)置了三維礦業(yè)軟件，并開(kāi)展了應(yīng)用研究，也取得過(guò)一些應(yīng)用成果，但時(shí)至今日，真正將三維礦業(yè)軟件作為生產(chǎn)的主要設(shè)計(jì)工具及管理手段的礦山寥寥無(wú)幾。究其原因，有三維礦業(yè)軟件自身功能和準(zhǔn)備不足的原因，無(wú)法滿(mǎn)足礦山企業(yè)最終的需要，或者需要經(jīng)過(guò)繁瑣復(fù)雜的操作，大費(fèi)周章之后才能實(shí)現(xiàn)往日通過(guò)簡(jiǎn)單制圖就能實(shí)現(xiàn)的功能，不可否認(rèn)的，三維和二維存在質(zhì)和量上的天壤之別。另一方面是復(fù)雜的地質(zhì)建模，耗費(fèi)了大量的人力物力，形成了巨大的海量數(shù)據(jù)，一個(gè)大型礦山的塊段模型，要真正達(dá)到地質(zhì)邊界控制、采礦塊段劃分及計(jì)算工程副產(chǎn)的要求，塊段數(shù)達(dá)到上千萬(wàn)塊，模型存儲(chǔ)容量達(dá)到數(shù)G，根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享、方便調(diào)用和快速計(jì)算。第三方面就是以單機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的方式開(kāi)展應(yīng)用，無(wú)法實(shí)現(xiàn)一個(gè)礦山數(shù)據(jù)的高度共享，不同專(zhuān)業(yè)建立和修改的模型數(shù)據(jù)，由于種種原因，無(wú)法實(shí)現(xiàn)第一時(shí)間共享，存在信息的不對(duì)等，造成了各專(zhuān)業(yè)之間互相推卸責(zé)任，久而久之，傳統(tǒng)的管理模式和方法又重新回到了臺(tái)前，三維礦業(yè)軟件僅僅成為作秀的工具或?qū)⑵涫唛w。第四個(gè)重要原因是地質(zhì)和儲(chǔ)量認(rèn)證滿(mǎn)足不了國(guó)家管理部門(mén)的要求，科技部門(mén)極力主張和開(kāi)發(fā)三維礦業(yè)軟件，863 計(jì)劃重大專(zhuān)項(xiàng)至少曾經(jīng)列過(guò)2 個(gè)重大課題開(kāi)展研究，但是礦業(yè)企業(yè)的資源和儲(chǔ)量主管部門(mén)，對(duì)于三維礦業(yè)軟件積極性不高，無(wú)法實(shí)現(xiàn)三維礦業(yè)軟件與資源和儲(chǔ)量管理部門(mén)的對(duì)接，是三維礦業(yè)軟件無(wú)法走上正常應(yīng)用的重要原因。最根本的原因當(dāng)然還是礦山企業(yè)對(duì)三維礦業(yè)軟件缺乏深刻的理解和必要的研究，僅僅依靠軟件商的功能介紹，不結(jié)合實(shí)際工作，開(kāi)展應(yīng)用創(chuàng)新和應(yīng)用研究，三維礦業(yè)軟件就無(wú)法真正應(yīng)用起來(lái)，發(fā)揮它應(yīng)有的作用。文章以一露天和地下聯(lián)合開(kāi)采礦山的應(yīng)用研究實(shí)例為主線，展開(kāi)對(duì)三維礦業(yè)軟件應(yīng)用問(wèn)題的探討，分析三維礦業(yè)軟件應(yīng)用中的技術(shù)方法及成果，探討應(yīng)用過(guò)程中存在的問(wèn)題，力求為三維礦業(yè)軟件的應(yīng)用提供較為有效的范例。

1 礦山概況

礦山位于四川省會(huì)理縣城212°方向，直距55 km的會(huì)理縣綠水鄉(xiāng)境內(nèi)。地理坐標(biāo):東經(jīng)101°56＇13″～101°57＇43″，北緯26°13＇25″～26°14＇44″。礦區(qū)范圍北起大團(tuán)箐、南至營(yíng)盤(pán)山、東自四人抬橋、西迄老鴨田，面積4 km2。礦區(qū)海拔標(biāo)高2 000～2 300 m，相對(duì)高差300 余米。

礦區(qū)有公路至黎屯與108 國(guó)道相接。礦區(qū)選廠至黎屯38 km，經(jīng)黎屯至?xí)砜h城103 km;至涼山州府所在地西昌市292 km;至攀枝花市130 km(再至昆明476 km);經(jīng)黎屯沿108 國(guó)道至昆明376 km;經(jīng)黎屯至成昆鐵路線上的拉鲊火車(chē)站58 km;由拉鲊火車(chē)站北上成都794 km，南下昆明329 km。礦山是一座以露天開(kāi)采為主，深部礦體采用地下開(kāi)采的露天地下聯(lián)合開(kāi)采銅多金屬礦山。

2 礦山三維模型創(chuàng)建及應(yīng)用

2.1 地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)及其統(tǒng)計(jì)分析［4］

研究系統(tǒng)收集了礦山各個(gè)時(shí)期的勘探資料，主要包含:(1)地質(zhì)詳勘工程;(2)生產(chǎn)探礦鉆探工程;(3)露天底部延深勘探工程;(4)東部E 剖面勘探工程。地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)和地質(zhì)模型建立的工作對(duì)象為上述全部勘探工程，勘探工程總數(shù)789 個(gè)，建成的地質(zhì)數(shù)據(jù)成果如圖1 所示。

圖1 地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)空間跡線圖

地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)建成后，對(duì)其中的銅、鈷、鉬、鐵等金屬元素進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，擬合了變異函數(shù)，并對(duì)變異函數(shù)進(jìn)行了交叉驗(yàn)證。統(tǒng)計(jì)分析及變異函數(shù)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖2、圖3，變異函數(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖3 Co 元素變異函數(shù)計(jì)算及擬合結(jié)果圖

表1 四川某銅礦Cu、Co、Mo、TFE 元素理論變異函數(shù)擬合參數(shù)結(jié)果表

幾乎所有的三維礦業(yè)軟件都具備進(jìn)行地質(zhì)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，進(jìn)行變異函數(shù)計(jì)算，擬合和交叉驗(yàn)證等功能。但是對(duì)于不同的礦床，還需要對(duì)地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)進(jìn)行深入研究，針對(duì)復(fù)雜礦床，既要能夠運(yùn)用線性地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)，也需要研究非線性地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)，或通過(guò)模型的套合等方式，尋求最滿(mǎn)足礦床的變異函數(shù)模型，同時(shí)要加強(qiáng)交叉驗(yàn)證理論判據(jù)的研究，方便研究者以定量的方法判斷理論變異函數(shù)擬合的合理性。

2.2 地質(zhì)模型創(chuàng)建與應(yīng)用

本次研究對(duì)礦山的地形地物模型、礦體模型、斷層模型、巖性模型及開(kāi)采現(xiàn)狀模型進(jìn)行了全面的建模，對(duì)于三維礦業(yè)軟件而言，這些建模功能都是成熟的，差異只存在于建模的方便性和效率的高低層面。建成的各類(lèi)地質(zhì)模型成果見(jiàn)圖4～圖6。

圖4 礦體模型成果

圖5 巖性實(shí)體模型成果圖

圖6 地質(zhì)模型復(fù)合成果圖

2.3 塊段模型及品位估值［5-8］

研究對(duì)礦床采用距離冪反比法和普通克里格法進(jìn)行了品位估值，同時(shí)對(duì)各個(gè)時(shí)期的資源儲(chǔ)量成果進(jìn)行了對(duì)比研究，研究結(jié)果認(rèn)為，資源儲(chǔ)量估算結(jié)果滿(mǎn)足礦山開(kāi)發(fā)和資源管理的要求。

品位估算的方法要與地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)的研究成果結(jié)合起來(lái)，將多種估值方法，如簡(jiǎn)單性克里格、普通克里格、泛克里格、析取克里格等功能一一實(shí)現(xiàn)，方便在估值時(shí)根據(jù)需要選用。

對(duì)于資源與儲(chǔ)量的問(wèn)題，還存在資源儲(chǔ)量分類(lèi)和分級(jí)的研究，孫玉柱等在三維礦業(yè)軟件的分級(jí)分類(lèi)研究方面進(jìn)行過(guò)研究和探討，取得了一些研究成果，但是資源與儲(chǔ)量的問(wèn)題，要爭(zhēng)取獲得國(guó)家資源和儲(chǔ)量管理部門(mén)的認(rèn)可，只有這樣，才能為三維礦業(yè)軟件的應(yīng)用和地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)的發(fā)展創(chuàng)造基礎(chǔ)條件。

3 三維礦業(yè)軟件地下礦應(yīng)用技術(shù)研究

3.1 開(kāi)拓系統(tǒng)及中段平面設(shè)計(jì)

本研究按照實(shí)測(cè)和實(shí)際兩種方法，建成了礦山實(shí)測(cè)和設(shè)計(jì)共同結(jié)合的井下部分開(kāi)拓系統(tǒng)模型，三維礦業(yè)軟件在建立開(kāi)拓系統(tǒng)模型和再現(xiàn)實(shí)測(cè)模型上，功能逐步趨于完善，對(duì)于設(shè)計(jì)的中段平面圖，也開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的自動(dòng)出圖工具，為減少出圖工作量等方面提供了良好的工具的和平臺(tái)，本次建立的開(kāi)拓系統(tǒng)圖及中段平面出圖結(jié)果見(jiàn)圖7、圖8。

圖7 小露天底部開(kāi)拓系統(tǒng)模型圖

圖8 中段平面設(shè)計(jì)自動(dòng)出圖

3.2 盤(pán)區(qū)及采場(chǎng)設(shè)計(jì)

按照采場(chǎng)設(shè)計(jì)的原則，本次建立了無(wú)底柱分段崩落采礦法采場(chǎng)，在采礦采切設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，開(kāi)展了深孔回采爆破設(shè)計(jì)工作，建成的采場(chǎng)及回采爆破設(shè)計(jì)結(jié)果見(jiàn)圖9、圖10。

圖9 采場(chǎng)采切設(shè)計(jì)模型

圖10 回采爆破設(shè)計(jì)出圖效果

3.3 生產(chǎn)計(jì)劃編制

地下礦山生產(chǎn)計(jì)劃編制功能是基于交互式模擬方法構(gòu)建的。它在三維礦業(yè)軟件先前建立的塊段模型、工程模型及采場(chǎng)模型基礎(chǔ)上，根據(jù)計(jì)劃編制者輸入的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，生成生產(chǎn)任務(wù)并進(jìn)行模擬排序得出優(yōu)化方案。計(jì)劃編制者在三維可視化環(huán)境下對(duì)方案進(jìn)行交互修改，再由計(jì)算機(jī)重新模擬運(yùn)行，直到得出一個(gè)可行的最佳方案。最終的計(jì)劃結(jié)果可通過(guò)三維動(dòng)畫(huà)、甘特圖以及定制報(bào)表展示。一般來(lái)說(shuō)，計(jì)劃的編制要經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、數(shù)據(jù)錄入、任務(wù)搜索方案設(shè)置、系統(tǒng)執(zhí)行、用戶(hù)調(diào)整、再執(zhí)行和輸出結(jié)果幾個(gè)步驟。本研究開(kāi)展了地下礦生產(chǎn)計(jì)劃編制，結(jié)果如圖11、圖12 所示。

圖11 生產(chǎn)計(jì)劃動(dòng)畫(huà)演示

圖12 生產(chǎn)計(jì)劃甘特圖

4 三維礦業(yè)軟件露天應(yīng)用技術(shù)研究

4.1 露天境界優(yōu)化及設(shè)計(jì)

本次進(jìn)行露天境界優(yōu)化，主要考慮3 種情況:一是原始地形約束下的可研經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)條件;二是原始地形約束下的現(xiàn)價(jià)體系經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)條件;三是2012 年5 月末開(kāi)采現(xiàn)狀約束下的現(xiàn)價(jià)體系經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)條件，按照不同的價(jià)格折扣率進(jìn)行了多境界優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果見(jiàn)圖13。按照礦山的設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)，對(duì)境界進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并計(jì)算了各個(gè)臺(tái)階的資源儲(chǔ)量，設(shè)計(jì)結(jié)果見(jiàn)圖14。

圖13 露天境界優(yōu)化結(jié)果

圖14 露天終了境界設(shè)計(jì)模型

4.2 露天應(yīng)用技術(shù)

在前期完成的地質(zhì)建?；A(chǔ)上，露天應(yīng)用技術(shù)主要開(kāi)展如下研究:(1)開(kāi)展露天境界優(yōu)化技術(shù)研究，為礦山開(kāi)采提供快捷的、適應(yīng)市場(chǎng)條件需求的經(jīng)濟(jì)優(yōu)化和評(píng)價(jià)手段;(2)開(kāi)展基于DIMINE 軟件的露天終了境界設(shè)計(jì)，為露天設(shè)計(jì)提供快速高效的技術(shù)手段;(3)開(kāi)展基于DIMINE 軟件的礦山中長(zhǎng)期規(guī)劃、采剝計(jì)劃編制應(yīng)用技術(shù)研究，服務(wù)生產(chǎn)設(shè)計(jì)和技術(shù)管理;(4)開(kāi)展基于DIMINE 軟件的露天臺(tái)階爆破設(shè)計(jì)、爆破網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)及裝配礦研究。研究成果見(jiàn)圖15、圖16。

圖15 露天中長(zhǎng)期計(jì)劃及短期計(jì)劃編制模型成果

圖16 露天爆破及網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和露天裝配礦結(jié)果

5 結(jié)論

目前的三維礦業(yè)軟件功能，具備了進(jìn)行地質(zhì)建模、露天開(kāi)采、地下開(kāi)采設(shè)計(jì)及技術(shù)管理的全過(guò)程的功能實(shí)現(xiàn)和操作［9-14］。通過(guò)對(duì)三維礦業(yè)軟件模型構(gòu)建技術(shù)、資源儲(chǔ)量估算及動(dòng)態(tài)管理、地下采礦設(shè)計(jì)、爆破設(shè)計(jì)和露天境界優(yōu)化等多方面的實(shí)用應(yīng)用技術(shù)的分析研究，實(shí)際結(jié)合一露天和地下聯(lián)合礦山應(yīng)用三維礦業(yè)軟件的實(shí)際應(yīng)用研究過(guò)程的分析，得出如下結(jié)論:

(1)三維礦業(yè)軟件的發(fā)展，對(duì)于礦業(yè)企業(yè)而言，為工業(yè)化與信息化的深度融合提供了基礎(chǔ)平臺(tái)，具有十分重要的意義。

(2)三維礦業(yè)軟件應(yīng)用，還存在軟件功能準(zhǔn)備不足、應(yīng)用研究不透、資源與儲(chǔ)量管理得不到管理部門(mén)認(rèn)證等一些制約發(fā)展的問(wèn)題，政府、科研機(jī)構(gòu)及礦山企業(yè)應(yīng)該加強(qiáng)合作，共同推動(dòng)礦業(yè)信息化的發(fā)展，建立起符合礦山三維礦業(yè)軟件應(yīng)用的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，為三維礦業(yè)軟件的規(guī)范應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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