基于DIMINE三維礦業(yè)軟件的普朗銅礦基建采掘工程網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃編制

劉華武，馮興隆，劉關(guān)鋒，楊德全，關(guān)洪海

(1.云南迪慶有色金屬有限責(zé)任公司，云南迪慶 674400;2.金誠(chéng)信礦業(yè)管理股份有限公司，北京 101500)

礦山采掘進(jìn)度計(jì)劃是指導(dǎo)礦山生產(chǎn)的依據(jù)，計(jì)劃編制是礦山生產(chǎn)管理中不可缺少的重要組成部分［1］。隨著礦業(yè)三維軟件的發(fā)展，為生產(chǎn)計(jì)劃的編制提供了一個(gè)良好的平臺(tái)。一方面，在三維環(huán)境下，地下各種采掘工程在空間上的分布以及其之間的空間關(guān)系變得十分清晰明了;另一方面，三維地質(zhì)塊段模型為塊段地質(zhì)屬性，如品位、巖性等，提供了空間分布狀態(tài)［2］。應(yīng)用優(yōu)化方法［3，4］、模擬方法［5］和人工智能等方法，可以在三維環(huán)境下合理地確定采掘工程順序，合理分配資源(設(shè)備、勞動(dòng)力、資金等)［6～9］。

1 采掘網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃編制的關(guān)鍵技術(shù)

1.1 基于VTK平臺(tái)的三維可視化建模技術(shù)

礦山數(shù)據(jù)的建模方法主要分為表面建模和實(shí)體建模兩大類。表面模型在表達(dá)空間對(duì)象的邊界、可視化和幾何變換等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì);而實(shí)體模型則可以很好地表達(dá)空間對(duì)象的內(nèi)部信息，易于進(jìn)行布爾操作和空間數(shù)據(jù)查詢與統(tǒng)計(jì)分析。

在表面模型建立完成后，為了表達(dá)評(píng)價(jià)區(qū)域的內(nèi)部信息，形成真正意義上的“區(qū)域”，必須進(jìn)行實(shí)體建模。實(shí)體建模中為了準(zhǔn)確計(jì)算不規(guī)則地質(zhì)體的體積，必須首先對(duì)地質(zhì)體進(jìn)行塊段劃分，即按照一定的規(guī)則將地質(zhì)體劃分為一定幾何尺寸的塊段，用這些塊體的集合來逼近地質(zhì)體的空間形態(tài)。在塊段模型中，塊段規(guī)則地分布于空間網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)位置處，把地質(zhì)體模型中的塊體與地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法劃分的塊體一一對(duì)應(yīng)起來，就能準(zhǔn)確地估計(jì)出評(píng)價(jià)區(qū)域的屬性值。其方法是通過樣品組合、樣品分析、變異函數(shù)計(jì)算、選擇正確的估值方法、確定估值參數(shù)等一系列過程對(duì)塊段進(jìn)行品位估值。實(shí)體建模總體流程如圖1所示。

圖1 實(shí)體建模總體過程

1.2 三維實(shí)體模型自相交檢測(cè)原理

三維實(shí)體的自相交檢測(cè)是數(shù)據(jù)檢驗(yàn)的重要步驟，其核心是三角面片的相交檢測(cè)算法。當(dāng)實(shí)體模型三角面片間存在相交時(shí)，三維實(shí)體模型的體積、表面積估算將存在一定誤差，從而影響生產(chǎn)計(jì)劃編制的精度和可靠性。

1.2.1 三維實(shí)體模型自相交檢測(cè)的基本思想

實(shí)現(xiàn)實(shí)體三角面片間相交檢測(cè)最簡(jiǎn)單的做法是:依次遍歷并取出構(gòu)成該實(shí)體模型的三角面片，將該三角面片和其它三角面片進(jìn)行相交檢測(cè)，當(dāng)進(jìn)行相交檢測(cè)的兩三角形之間存在不共邊的交線時(shí)，該實(shí)體模型需要用戶重新進(jìn)行三維重構(gòu)。該方法簡(jiǎn)單，但時(shí)間復(fù)雜度較高，當(dāng)構(gòu)成三維實(shí)體的三角形數(shù)目為n時(shí)，其時(shí)間復(fù)雜為O(n2)。

為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間，三維礦業(yè)軟件應(yīng)用一種基于OBB樹的三維實(shí)體自動(dòng)檢測(cè)方法，其基本過程如下:

步驟1:為待檢測(cè)的三維實(shí)體復(fù)制生成一個(gè)新的對(duì)象，為兩模型構(gòu)建兩棵OBB樹。

步驟2:利用分離軸理論對(duì)兩棵OOBB樹的結(jié)點(diǎn)進(jìn)行軸分離測(cè)試。

步驟3:分別循環(huán)取出不可分離的兩葉子OBB結(jié)點(diǎn)的所有三角形對(duì)另一個(gè)OBB結(jié)點(diǎn)進(jìn)行分離測(cè)試，得到兩個(gè)潛在的相交三角形集合。

步驟4:求出兩兩相交三角形面片之間的交線。

1.2.2 相交測(cè)試

三角面片求交線的理論基礎(chǔ)是:如果一個(gè)三角形的三個(gè)頂點(diǎn)位于另一個(gè)三角形所在平面的另一側(cè)，則它們不會(huì)相交;如果它們相交，則兩個(gè)三角形各自形成一段交線區(qū)間，如果這兩段區(qū)間有重疊，則重疊部分為最終交線段，否則兩三角形不相交。

1.3 生產(chǎn)計(jì)劃編制優(yōu)化技術(shù)

生產(chǎn)計(jì)劃編制過程中，通過任務(wù)排序確定生產(chǎn)者的移動(dòng)路徑和各個(gè)任務(wù)之間的依賴關(guān)系。

采掘工程的依賴關(guān)系是明確的，必須在所有工作條件創(chuàng)造完成后方可進(jìn)行。而其它巷道在不同的初始條件下會(huì)有不同的依賴關(guān)系。如圖2所示，如果有兩個(gè)施工隊(duì)，它們的入場(chǎng)地點(diǎn)是C川脈西和D川脈西，與入場(chǎng)地點(diǎn)是A進(jìn)路上和B進(jìn)路上，所形成的依賴結(jié)果是完全不一樣的。所以在執(zhí)行計(jì)劃前是沒法確定它們的依賴關(guān)系的。當(dāng)一個(gè)生產(chǎn)者到達(dá)一個(gè)交叉口，那么就根據(jù)這些生產(chǎn)路徑所對(duì)應(yīng)的施工場(chǎng)地的優(yōu)先級(jí)別來確定生產(chǎn)者的前進(jìn)方向，如果優(yōu)先級(jí)別都一樣，則根據(jù)方向的一致性來判定。當(dāng)某項(xiàng)活動(dòng)到達(dá)生產(chǎn)路徑的端點(diǎn)時(shí)，則將查詢所有與該端點(diǎn)臨近的其它生產(chǎn)路徑，并設(shè)置其同類活動(dòng)所對(duì)應(yīng)的任務(wù)或依賴于該活動(dòng)的任務(wù)可開工。在計(jì)算下一個(gè)計(jì)劃周期時(shí)，如果某條生產(chǎn)路徑可開工，同時(shí)又有可提供的生產(chǎn)者，則該場(chǎng)地開始生產(chǎn)，至于首先開始哪項(xiàng)活動(dòng)，根據(jù)各活動(dòng)之間的依賴關(guān)系確定。

圖2 依賴關(guān)系不確定性示意圖

1.4 生產(chǎn)計(jì)劃三維可視化編制流程

當(dāng)?shù)V山礦產(chǎn)資源條件、施工力量、人員和設(shè)備工效以及相關(guān)經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)確定后，礦山的實(shí)際生產(chǎn)能力就可以確定?；贒IMINE三維礦業(yè)軟件的礦山采掘計(jì)劃的編制流程，打破了原來的采掘計(jì)劃編制模式，在充分掌握礦產(chǎn)資源狀況、勞動(dòng)定員、人員和設(shè)備工效以及相關(guān)經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)的基礎(chǔ)上，根據(jù)礦山采掘現(xiàn)狀進(jìn)行礦山生產(chǎn)計(jì)劃的編制。具體采掘計(jì)劃編制流程如圖3所示。

2 普朗銅礦基建采掘工程網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃的編制

2.1 工程簡(jiǎn)介

普朗銅礦基建期井巷工程量753 911 m3，3 736 m拉底水平切割工程量為200 000 m3，基建工程量合計(jì)為953 911 m3。截止目前已施工完成井巷工程量248 544 m3，尚有未完成井巷工程量505 367 m3，拉底水平切割工程量200 000 m3。

未完成的主要工程包括:溜破系統(tǒng)、3 660 m有軌運(yùn)輸水平、3 700 m回風(fēng)水平、3 720 m無軌運(yùn)輸水平、3 736 m拉底水平和3 736 m拉底水平200 000 m3切割工程。未完成工程的三維布置如圖4所示。

圖3 礦山生產(chǎn)計(jì)劃三維可視化編制流程

圖4 普朗銅礦基建工程三維實(shí)體圖

2.2 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

數(shù)據(jù)準(zhǔn)備主要包括路徑文件、工程實(shí)體文件、生產(chǎn)工效和塊段模型四類數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備。

2.2.1 塊段模型

應(yīng)用建立的礦山三維礦體約束空白塊段模型，根據(jù)建立的地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)，然后應(yīng)用地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法對(duì)塊段模型進(jìn)行賦值，記錄礦石品位的空間分布。

2.2.2 路徑文件

路徑文件主要為井巷工程中心線，是采掘隊(duì)伍或作業(yè)設(shè)備的運(yùn)動(dòng)軌跡或發(fā)展方向，其主要作用是建立生產(chǎn)運(yùn)動(dòng)的軌跡空間拓?fù)潢P(guān)系。

2.2.3 工程實(shí)體文件

工程實(shí)體文件主要為生產(chǎn)過程中人類活動(dòng)所作用的三維實(shí)體對(duì)象，包括井巷、硐室、底部結(jié)構(gòu)等。礦山三維實(shí)體數(shù)據(jù)見圖4。

2.2.4 施工方法和生產(chǎn)工效確定

2.2.4.1 平巷施工方法

平巷施工方法采用Boomer281鑿巖、人工裝藥爆破、4 m3鏟運(yùn)機(jī)出渣、20 t坑內(nèi)卡車運(yùn)渣的方式。

巷道支護(hù)方式主要為噴砼和噴錨網(wǎng)支護(hù)，其余還有單筋砼、雙筋砼、錨索支護(hù)等。

2.2.4.2 平巷施工進(jìn)度指標(biāo)

根據(jù)工程分布特點(diǎn)，平巷的作業(yè)可分為獨(dú)頭掘進(jìn)和多頭掘進(jìn)兩種情形，獨(dú)頭狀態(tài)下平巷掘進(jìn)的正規(guī)作業(yè)循環(huán)如圖5所示。

根據(jù)正規(guī)循環(huán)作業(yè)的編排，不考慮支護(hù)因素時(shí)，單工作面作業(yè)每天可以完成2個(gè)作業(yè)循環(huán)，多工作面作業(yè)每天可以完成3個(gè)或4個(gè)作業(yè)循環(huán)，當(dāng)遇到需要進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)加永久支護(hù)，每次支護(hù)需要約1天的時(shí)間。編制計(jì)劃時(shí)按平均指標(biāo)測(cè)算進(jìn)度，選取進(jìn)度指標(biāo)為獨(dú)頭掘進(jìn)巷道平均指標(biāo)100 m/月，多頭掘進(jìn)巷道平均指標(biāo)200 m/月。

2.2.4.3 豎井施工方法和進(jìn)度指標(biāo)

對(duì)于溜井、礦倉(cāng)等豎向工程，采用先用反井鉆機(jī)施工一個(gè)Φ1.5 m的小井，再自上而下人工刷大到設(shè)計(jì)規(guī)格，同步完成混凝土支護(hù)的施工方法。根據(jù)設(shè)計(jì)的溜井和礦倉(cāng)結(jié)構(gòu)決定礦倉(cāng)及溜井掛襯板是同步進(jìn)行或是最后集中進(jìn)行。豎井施工進(jìn)度為60 m/月。

圖5 單工作面正規(guī)作業(yè)循環(huán)圖表

2.3 計(jì)劃編制

2.3.1 計(jì)劃執(zhí)行

計(jì)劃執(zhí)行主要是根據(jù)在各實(shí)體巷道和路徑上指定的任務(wù)，以生產(chǎn)者推進(jìn)為主線，以計(jì)劃周期時(shí)間為約束，查找候選場(chǎng)地和計(jì)算場(chǎng)地內(nèi)的生產(chǎn)周期。

由于礦山工程較多，故在計(jì)劃編制的過程中，把圖4所示的整體工程分成四部分運(yùn)行，計(jì)算各工程的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，再按照工程間的相互關(guān)系調(diào)整受其它工程限制工程的開工時(shí)間。溜破系統(tǒng)的三維布置及計(jì)算結(jié)果如圖6和圖7所示。

圖6 溜破系統(tǒng)三維視圖

圖7 溜破系統(tǒng)施工甘特圖

2.3.2 計(jì)劃編制結(jié)果

根據(jù)三維軟件計(jì)算結(jié)果，普朗銅礦基建采掘工程施工工期為28個(gè)月，關(guān)鍵線路有兩條，為溜破系統(tǒng)的掘進(jìn)與設(shè)備安裝和3 736 m拉底及基建切割工程。

2.4 咽喉工程通過能力校驗(yàn)

根據(jù)工程總體安排，在3 720 m無軌運(yùn)輸水平、3 660 m有軌運(yùn)輸水平等部位成為運(yùn)輸集中的咽喉部位，其通過能力決定了通過該部位外運(yùn)的渣石總量，在上述兩個(gè)運(yùn)輸水平有間距不等的錯(cuò)車道，按照合理的行車密度測(cè)算了不同錯(cuò)車道間距下的最大通過能力，其測(cè)算數(shù)據(jù)見表1。

表1 按照行車密度測(cè)算的通過能力

上述測(cè)算為理論指標(biāo)，在實(shí)際生產(chǎn)中受運(yùn)輸不平衡以及其它各種因素的干擾很難達(dá)到上述最大運(yùn)輸量，需要進(jìn)行精心組織、合理安排。

根據(jù)編制的普朗銅礦基建采掘工程施工網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃統(tǒng)計(jì)出來的各月份出渣量如圖8所示。通過分析可以預(yù)測(cè)，各咽喉部位運(yùn)輸能力可以滿足基建進(jìn)度要求，其中3 660 m和3 720 m運(yùn)輸負(fù)荷在50%以上，需要采取必要的管理措施以調(diào)節(jié)施工的均衡性。

圖8 采掘工程各月份出渣量

3 結(jié)論

1.以三維礦業(yè)軟件為平臺(tái)的地下礦采掘計(jì)劃編制方法，最終真正實(shí)現(xiàn)以三維地質(zhì)建模和地質(zhì)塊段模型為基礎(chǔ)，以生產(chǎn)工作場(chǎng)地、生產(chǎn)者能力、采掘工藝技術(shù)為約束編制地下礦相對(duì)科學(xué)合理的采掘計(jì)劃。

2.文章歸納出了三維環(huán)境下采掘計(jì)劃編制的實(shí)現(xiàn)流程，介紹了采掘計(jì)劃編制的關(guān)鍵技術(shù)和原理。

3.地下礦采掘計(jì)劃編制的約束條件復(fù)雜并且相互制約較多，在三維環(huán)境下，使工程間的關(guān)系變得清晰明了，并且可以根據(jù)計(jì)劃運(yùn)行的結(jié)果實(shí)時(shí)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。

4.通過DIMINE三維礦業(yè)軟件和選定的施工進(jìn)度指標(biāo)，編制的普朗銅礦基建采掘工程施工工期為28個(gè)月，關(guān)鍵線路有兩條，為溜破系統(tǒng)的掘進(jìn)與設(shè)備安裝和3 736 m拉底及基建切割工程。

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