可視化三維露天礦模擬開采技術(shù)研究

高軍利

國家能源集團準(zhǔn)能公司哈爾烏素露天煤礦安監(jiān)站 內(nèi)蒙古 鄂爾多斯010030

引言

可視化三維露天礦模擬開采技術(shù)能夠充分優(yōu)化露天礦施工單位的生產(chǎn)與開采流程，降低施工單位的作業(yè)成本并提升其經(jīng)濟收益。基于此，對于可視化三維露天礦模擬開采技術(shù)的研究有著重要意義。

一、建立開采模型

(一)分層礦床模型。計算機技術(shù)應(yīng)用于露天礦開采工程，能夠有效幫助采礦工程師編制生產(chǎn)及開采方案；其主要應(yīng)用為：借助地質(zhì)模型與地形模型的構(gòu)建，使用計算機技術(shù)對露天礦臺階的發(fā)展與形成過程進(jìn)行模擬，依照開采、運輸及排土作業(yè)流程的時空關(guān)系設(shè)置并優(yōu)化相應(yīng)的工作方案。為充分探究露天礦的模擬開采問題，應(yīng)在設(shè)立完畢的露天礦床模型的基礎(chǔ)上進(jìn)一步構(gòu)建可以精確反映露天礦開采過程的露天礦開采模型，該模型需要完全展現(xiàn)露天礦開采工程的發(fā)展情況。在對露天礦進(jìn)行開采的進(jìn)程中，通常將露天礦的采場劃分為具備相應(yīng)高度的傾斜或水平分層，并統(tǒng)稱為臺階。露天礦開采的顯著特點表現(xiàn)為臺階開采，露天礦的開采過程會涉及復(fù)雜多變的各類礦山，而通過露天礦臺階的具體位置能夠相對準(zhǔn)確地展現(xiàn)各類礦山的約束關(guān)系以及工程進(jìn)展情況。基于此，需要在露天礦的地質(zhì)模型上借助計算機技術(shù)設(shè)計并建立了以露天礦臺階為基礎(chǔ)的分層式開采模型。分層式露天礦開采模型是將設(shè)計開采的各個臺階都作為獨立單元，每個單元都涵蓋了眾多尺寸相同但高度不一的平面和網(wǎng)塊節(jié)點，不同單元中的網(wǎng)塊節(jié)點的高度會依照開采進(jìn)程出現(xiàn)相應(yīng)的變化，但各單元的網(wǎng)塊平面具有相同的尺寸且尺寸恒定不變。將開采模型內(nèi)的各分層依照高程次序以及平面坐標(biāo)相加就形成了整體的露天礦開采模型。這是二維固定、變動的開采模型。

(二)三維分層模型。可視化三維開采模型主要的設(shè)計目的是將露天礦采場的實際情況充分描述。在設(shè)計和建立相應(yīng)模型時充分結(jié)合露天礦的實際地質(zhì)條件，臺階的布置以及生產(chǎn)工藝等各方面因素。借助CAD軟件對圖形進(jìn)行處理并構(gòu)建可視化三維立體開采模型。分層式三維立體開采模型將整個露天礦的采場依照相關(guān)設(shè)計分割成若干單元，并在各單元內(nèi)部設(shè)置特征點作為傳遞露天礦信息的傳播載體；同時各單元的高程也表明露天礦臺階的高程。在對露天礦的實際項目狀況進(jìn)行綜合考慮后，依照下列方法建立開采模型。在建立露天礦開采模型前將臺階劃分方案、礦床、地質(zhì)模型以及露天礦地形模型調(diào)入，借助三維條件下的人機交互技術(shù)科學(xué)合理地對臺階進(jìn)行劃分。露天礦的臺階主要借助底盤和頂面模型進(jìn)行描述，而開采模型的底盤與頂盤的信息是借助設(shè)置在露天礦臺階底面的信息載體進(jìn)行存儲的。因此，露天礦臺階模型的全部空間平臺組合成了三維分層開采模型。

二、可視化三維露天礦模擬開采技術(shù)

(一)模擬開采?？梢暬S露天礦模擬開采是指依照構(gòu)建的開采模型對露天礦的開采、運輸以及排土作業(yè)流程和發(fā)展情況進(jìn)行模擬。同時觀察露天礦的巖煤量的變動狀況并顯示工程進(jìn)展情況。例如對露天礦開采工程當(dāng)中排土場的構(gòu)建，礦石、巖石的運輸，露天礦臺階的形成進(jìn)行模擬并計算各類工程的作業(yè)量[1]?？梢暬S露天礦模擬開采技術(shù)通過在項目采場的分層三維模型上對露天礦臺階的底線與坡頂進(jìn)行篩選，規(guī)劃相應(yīng)的計劃線；依照露天礦的線框三維模型對規(guī)劃出的計劃線進(jìn)行賦值，輸入相應(yīng)的高程數(shù)值并根據(jù)相應(yīng)的開采參數(shù)擴展規(guī)劃的計劃線；借助規(guī)劃的計劃線對影響該露天礦區(qū)內(nèi)的各個臺階的底線及頂線進(jìn)行截取，進(jìn)而形成露天礦整體的線框三維計劃模型；依照制定的線框三維計劃模型建立區(qū)域內(nèi)的礦區(qū)實體開采模型，并將巖、煤等地質(zhì)模型通過實體的模式引入上述實體模型，借助露天礦的巖、煤實體地質(zhì)模型開展相應(yīng)的布爾運算得出露天礦各分層的巖、煤的實體模型。通過對實體地質(zhì)模型相應(yīng)數(shù)值的分析得出開采工程的總工程量并制定相應(yīng)的工程表。

(二)模擬運輸。通過對露天礦采場的線框三維模型的計算明確各分層坡道的具體參數(shù)，計劃修建的臺階數(shù)量以及各分層臺階的中心線。將計劃線設(shè)置為各分層單元的斜坡臺階的中心線并將斜坡臺階底線與計劃中心線的交點設(shè)定為各分層坡道的起點，依照各分層坡道的長度計算出坡道終點；借助各分層坡道的具體參數(shù)與斜坡臺階底線進(jìn)行坡道中心線的計算，得出坡道三維中心線；依照坡道三維中心線計算出整體露天礦各分層坡道的線框三維模型，借助各分層坡道的線框三維模型與計劃中心線剪裁區(qū)域內(nèi)的坡斜坡臺階得到斜坡臺階的底線與頂線。通過坡道線框三維模型與計劃線計算得出相應(yīng)的計劃線框三維模型。施工單位的設(shè)計人員需要細(xì)致地檢查計劃線框三維模型，當(dāng)明確該模型并無疏漏且能充分滿足設(shè)計需求后，運轉(zhuǎn)相應(yīng)的計算模塊[2]。依照計劃線框三維模型設(shè)置區(qū)域內(nèi)的計劃實體模型。并引入巖、煤的實體地質(zhì)模型，再次根據(jù)巖、煤實體地質(zhì)模型開展布爾運算得到本次巖、煤運輸過程的工程量并制成相應(yīng)的表格。

(三)模擬計算。計算排土空間以及明確排土場位置是整體露天礦開采工程的關(guān)鍵。借助可視化三維露天礦模擬開采技術(shù)在露天礦線框三維模型的基礎(chǔ)上明確二維排土臺階的底線與頂線位置，依照二維排土臺階底線與頂線的數(shù)值明確其影響區(qū)域。對二維排土臺階頂線與底線進(jìn)行排列組合，同時裁剪露天礦的線框三維模型并進(jìn)行計算能夠確定計劃排土臺階的大致區(qū)域。借助影響區(qū)域內(nèi)的坡道臺階的底線與頂線進(jìn)行賦高程運算得出排土場的計劃線框三維模型。與此同時，借助二維排土臺階的底線與頂線以及其影響區(qū)域設(shè)置露天礦排土場的實體地質(zhì)模型，通過計算露天礦排土場實體地質(zhì)模型的體積能夠得出露天礦排土場的排土空間進(jìn)而完成對排土空間的計算及排土場位置的確定工作。

結(jié)論

綜上所述，可視化三維露天礦模擬開采技術(shù)借助CAD軟件作為圖形處理平臺以開采模型為基礎(chǔ)建立了模擬開采系統(tǒng)，對露天礦開采工程的開采、運輸、排土等作業(yè)工序進(jìn)行模擬，設(shè)置出高效的工程方案，有效提升施工單位的作業(yè)效率，降低施工單位的成本，提高施工單位的經(jīng)濟效益。