數(shù)字化、信息化礦山建設(shè)
——三維礦業(yè)軟件3DMine在四方金礦的應(yīng)用

張鳳巍

（陜西鳳縣四方金礦有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721706）

隨著現(xiàn)代科技的進(jìn)步，建設(shè)數(shù)字化、信息化礦山已經(jīng)成為礦山行業(yè)發(fā)展的大方向，陜西鳳縣四方金礦有限責(zé)任公司所屬的八卦廟金礦是一坐大型黃金礦山。近年來，企業(yè)為了更加科學(xué)合理利用礦產(chǎn)資源、提高工作效率，逐步開展了礦山數(shù)字化和信息化建設(shè)，引進(jìn)了3DMine三維礦業(yè)軟件，應(yīng)用于礦山地質(zhì)探礦、測量作業(yè)、采礦設(shè)計(jì)以及圖件制作和生產(chǎn)管理等方面，大幅提高了公司礦山工作的質(zhì)量和效率，為企業(yè)數(shù)字礦山的建設(shè)奠定了基礎(chǔ)。

1 3DMine礦業(yè)軟件主要特點(diǎn)

3DMine礦業(yè)工程軟件是全中文開發(fā)的國產(chǎn)三維礦業(yè)軟件，在操作模式上借鑒常用軟件風(fēng)格，易學(xué)易用。此軟件兼容常用的AutoCAD、Mapgis 等軟件的數(shù)據(jù)文件。可快速導(dǎo)入多款全站儀和 GPS 數(shù)據(jù)，3DMine礦業(yè)工程軟件支持 SQL Server、Access、等關(guān)系數(shù)據(jù)庫文件。運(yùn)用三角網(wǎng)建模算法和手段，利用輔助控制線、分區(qū)線，可對空間形態(tài)復(fù)雜的礦體建立三維立體模型，實(shí)現(xiàn)對任意類型的礦體、構(gòu)造、井巷工程建模?？蛇\(yùn)用剖面法、縱投影法、距離冪次反比法等多種儲量方法對礦體進(jìn)行儲量估算。具有類似于 CAD 的 VBA 二次開發(fā)功能。廣泛運(yùn)用于礦山的地質(zhì)、測量、采礦和生產(chǎn)管理等方面（見圖1）。

圖1 礦山生產(chǎn)數(shù)據(jù)的3DMine三維可視化顯示

2 3DMine礦業(yè)軟件在四方金礦礦山生產(chǎn)中的應(yīng)用

3DMine礦業(yè)軟件在四方金礦井下生產(chǎn)應(yīng)用主要包括地質(zhì)、采礦、測量三個(gè)方面，利用3DMine礦業(yè)軟件初步實(shí)現(xiàn)了礦山生產(chǎn)管理的三維數(shù)字化、信息化。通過對礦山前期收集的地質(zhì)、采礦、測量數(shù)據(jù)整理分析，建立了本礦山數(shù)據(jù)庫，再利用數(shù)據(jù)庫資料構(gòu)建礦山三維空間數(shù)字模型，然后實(shí)現(xiàn)了地質(zhì)圖件、采礦設(shè)計(jì)圖件、測量工程圖件和相應(yīng)報(bào)表的快速生成[1]，礦山儲量快速估算和動態(tài)管理，提高了礦山工程技術(shù)人員的工作效率和工作質(zhì)量。

（1）三維空間數(shù)字模型的建模流程。首先完成數(shù)據(jù)的處理導(dǎo)入，將CAD、Mapgis 等軟件的數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入到3DMine礦業(yè)工程軟件中，進(jìn)行坐標(biāo)校正變換，并保存。其次完成地質(zhì)編錄、鉆孔等數(shù)據(jù)資料錄入，可通過Excel將工程的數(shù)據(jù)按照規(guī)則的表格批量錄入，保存為Access數(shù)據(jù)庫文件。3DMine 三維礦山軟件核心可以將數(shù)據(jù)庫與中心圖形系統(tǒng)緊密相聯(lián)，通過菜單選擇或者鼠標(biāo)右鍵功能可以迅速的瀏覽和查詢數(shù)據(jù)[2]，并運(yùn)用控制線和分區(qū)線聯(lián)合方法，利用四方金礦礦山數(shù)據(jù)庫中平面圖件、測量坐標(biāo)資料，逐步逐類完成空間實(shí)體模型的建模，再對各類已完成的實(shí)體模型進(jìn)行組合，即可完成四方金礦礦山三維數(shù)字空間模型。具體建模流程（見圖2）。

圖2 礦山三維空間數(shù)字模型建模流程

（2）礦山生產(chǎn)數(shù)據(jù)收集和建立 3DMine數(shù)據(jù)庫。四方金礦成立于1997年，隨著企業(yè)的生產(chǎn)和發(fā)展，已經(jīng)積累了大量的礦山生產(chǎn)數(shù)據(jù)資料和圖件，我們通過對收集的生產(chǎn)數(shù)據(jù)整理和分析，將地質(zhì)、采礦、測量數(shù)據(jù)以Excel表的形式導(dǎo)入到3DMine軟件的數(shù)據(jù)庫中，紙質(zhì)圖件主要就是通過掃描矢量化成3DMine格式文件保存，電子版的CAD、Mapgis圖件可利用此軟件直接轉(zhuǎn)換成3DMine格式的文件保存，建立四方金礦礦山數(shù)據(jù)庫。

（3）建立礦山井巷和采空區(qū)實(shí)體模型。首先導(dǎo)入礦山平巷、豎井、斜井、斜坡道和井下硐室的二維CAD或Mapgis矢量圖件，依據(jù)中線、腰線、斷面或者步距，并賦予高程或兩點(diǎn)坡度，再按照井巷規(guī)格，運(yùn)用3DMine軟件中導(dǎo)線點(diǎn)步距法，軟件自動計(jì)算出各測量點(diǎn)位置，并自動擬合出巷道形狀。按照地質(zhì)剖面圖上礦體界限和工程平面圖上標(biāo)出的空區(qū)界限，建立采空區(qū)空間模型?？諈^(qū)邊界線經(jīng)測量技術(shù)人員現(xiàn)場調(diào)查而進(jìn)行繪制。對于老空區(qū)，經(jīng)過多年的礦山開采，有些空區(qū)已經(jīng)冒落充填，有些因?yàn)榘踩驘o法達(dá)到邊沿，需要現(xiàn)場調(diào)查和結(jié)合圖紙資料、通過上下中段的判斷，才能比較準(zhǔn)確地確定其現(xiàn)在的形態(tài)，從而建立比較準(zhǔn)確的采空區(qū)模型如（見圖3）。

圖3 礦山井巷工程和采空區(qū)實(shí)體模型

（4）建立礦體實(shí)體模型和塊體模型。由于礦體結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，相鄰兩勘探線剖面上的礦體輪廓差異很大，在建立好的鉆孔數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上，結(jié)合中段平面圖、縱投影圖等進(jìn)行校正，使其符合實(shí)際空間的賦存狀態(tài)。根據(jù)地質(zhì)圈定礦體平面圖、剖面圖資料，通過坐標(biāo)變換、鏡像、空間連線構(gòu)造等操作，使礦體邊界線具有準(zhǔn)確的三維坐標(biāo)，再將相鄰礦體邊界線連接成三角網(wǎng)，對于復(fù)雜的礦體，連接三角網(wǎng)時(shí)需要借助控制線、分區(qū)線進(jìn)行輔助連接，三角網(wǎng)蒙面合成三角面，多個(gè)三角面閉合成內(nèi)外不透氣的實(shí)體，生成礦體的空間實(shí)體模型[3]。

為了便于估算儲量，我們將礦體實(shí)體模型分成若干個(gè)塊體模型四方金礦塊體模型的塊體尺寸我們分為為10×10×10，和次級模塊的5×5×5，每個(gè)細(xì)分塊體都有一個(gè)質(zhì)心點(diǎn)，質(zhì)心點(diǎn)具有礦巖類型、比重、品位等所有屬性，這是儲量估算所需要的數(shù)據(jù)，在礦體資源儲量估算中，利用塊體模型的體積、屬性數(shù)據(jù)就可以快速準(zhǔn)確地進(jìn)行資源量估算，并可快速生成按照標(biāo)高和指定區(qū)塊范圍的多種儲量估算報(bào)表（見圖4）。

圖4 礦山三維礦體模型和塊體模型

（5）建立地表表面模型。利用全站儀實(shí)測的礦山地表地形測量數(shù)據(jù)或者以前Cass、Autocad生成地形圖的數(shù)據(jù)或者生成的地形圖文件，導(dǎo)入到3DMine中，校正圖件坐標(biāo)，給每條等高線都賦予相應(yīng)的高程數(shù)據(jù)，把等高線高程作為約束條件，通過等全部等高線上的點(diǎn)生成等高線三角網(wǎng)，連接相鄰三角網(wǎng)構(gòu)建地表地形模型（3DM），再對建立的地表地形模型進(jìn)行渲染和按Z軸產(chǎn)生不同顏色過渡帶顯示地形處理生成地表表面模型。

（6）建立礦山數(shù)字空間模型。在3Dmine中，將各中段井巷工程實(shí)體模型、采空區(qū)模型、礦體實(shí)體模型和地表表面模型按三維坐標(biāo)在軟件中定位組合，即可生成礦山數(shù)字空間模型（見圖5）。實(shí)體模型和表面模型都可以在任意方向上按照標(biāo)高切割剖面。礦體、井巷工程和采空區(qū)的實(shí)體模型之間，表面模型之間，都可以進(jìn)行邏輯運(yùn)算，即交集、并集、差運(yùn)算。通過這些邏輯運(yùn)算可以得到回填挖方量、采出礦量等數(shù)據(jù)。

圖5 礦山三維數(shù)字空間模型

3 三維空間數(shù)字模型的應(yīng)用

依據(jù)建立的3DMine礦山數(shù)字空間模型，利用軟件的查詢、分析、計(jì)算、統(tǒng)計(jì)、設(shè)計(jì)、計(jì)劃等功能，可以直觀的完成礦山采礦設(shè)計(jì)、地質(zhì)勘探設(shè)計(jì)、地質(zhì)圖件制作、儲量快速估算、排產(chǎn)計(jì)劃等工作。

（1）井下開拓和開采中深孔設(shè)計(jì)。礦山井下開拓設(shè)計(jì)是指導(dǎo)生產(chǎn)的科學(xué)依據(jù)，礦山工程技術(shù)人員在礦井開拓設(shè)計(jì)及施工時(shí)應(yīng)避開工程地質(zhì)不良地段，科學(xué)合理選擇設(shè)計(jì)方案。利用3DMine進(jìn)行開拓設(shè)計(jì)，創(chuàng)建由彎道、岔口、硐室、標(biāo)注等組成的復(fù)雜圖件，快速調(diào)整坡度并計(jì)算工程量。利用礦體模型，在三維模型上直接進(jìn)行剝離與采礦計(jì)算，并同時(shí)自動生成圖形與數(shù)據(jù)報(bào)表。四方金礦目前現(xiàn)在采用的采礦方法主要是無底柱分段崩落法，利用已經(jīng)完成的礦山數(shù)字空間模型和3DMine軟件的中深孔爆破方案，可以實(shí)現(xiàn)布置扇形孔、平行孔和手動布置單孔。對孔底距、鉆孔約束、鉆機(jī)參數(shù)等初始化參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，通過創(chuàng)建一系列爆破回采單元，對每個(gè)單元進(jìn)行切割巷道和塊體邊界的操作，并布置回采排線和鉆機(jī)位置、炮孔邊界，可以快速完成中深孔爆破設(shè)計(jì)工作。

（2）探采計(jì)劃編制。探采計(jì)劃工作是礦山生產(chǎn)實(shí)踐中的重要環(huán)節(jié)，在3Dmine軟件中可以快速的完成生產(chǎn)計(jì)劃編制，在三維礦體地質(zhì)模型的基礎(chǔ)上，利用礦體、采場、采空區(qū)模型 ,可在三維空間內(nèi)對探礦和采礦工作進(jìn)行總體設(shè)計(jì)和單體設(shè)計(jì)。可按照給定參數(shù)系統(tǒng)自動完成斜坡道、天（豎）井、采準(zhǔn)、回采和開拓設(shè)計(jì)工程，快速形成平面設(shè)計(jì)圖，按照指定斷面形態(tài)形成立體模型，實(shí)現(xiàn)探采礦設(shè)計(jì)的參數(shù)化、快速化與可視化。同時(shí)與塊體模型相結(jié)合，可以快速得出各種工程設(shè)計(jì)報(bào)表、工程量、回采礦量、品位和損失貧化指標(biāo)，極大地提高了計(jì)劃編排的靈活性和效率。

（3）地質(zhì)圖件的制作。3DMine繪圖軟件不僅擁有較高的精準(zhǔn)度，更包含了地質(zhì)工作的多個(gè)內(nèi)容, 圖形的精確性和直觀性也能得到很大程度的提高，地質(zhì)平面圖、剖面圖的制作首先把測量組所做的實(shí)測中段工程平面圖導(dǎo)入到3DMine軟件中，通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的方法，把平面圖定位到三維空間的實(shí)際坐標(biāo)中來，然后用3DMine軟件中的編輯鉆孔—錄入單孔功能把探礦穿脈錄入軟件的數(shù)據(jù)庫中，建立地質(zhì)數(shù)據(jù)庫并且將定位、測斜、化驗(yàn)、巖性表等數(shù)據(jù)導(dǎo)入進(jìn)去后，就可以顯示鉆孔形態(tài)了，打開數(shù)據(jù)庫時(shí)，彈出“顯示鉆孔數(shù)據(jù)庫”對話框，包含鉆孔軌跡、圖案、文字、品位曲線和品位組合等5個(gè)選項(xiàng)卡，還可以設(shè)置鉆孔顯示風(fēng)格和顯示部分鉆孔。當(dāng)然圖框、圖例、地形線這些要素要在3DMine軟件中用繪圖命令自己繪制。再把探礦穿脈的樣品化驗(yàn)品位錄入軟件的數(shù)據(jù)庫，這樣3DMine軟件就可以顯示出穿脈樣軌線及品位，最后就可以按圈礦指標(biāo)手動圈礦了。

（4）儲量計(jì)算。3DMine 三維礦山軟件突破了塊體分割和合并技術(shù)，運(yùn)用了多邊形法、最近距離法、距離冪次反比法和克里格法等進(jìn)行礦體品位和屬性估值，為礦產(chǎn)儲量估算提供了全面的方法。提供了旋轉(zhuǎn)模型、修改、約束保存和屬性提取等高級編輯功能。強(qiáng)大的邏輯約束引擎，可實(shí)現(xiàn)在不同約束條件下的礦石量和品位和儲量報(bào)告。

利用已經(jīng)完成的塊體實(shí)體模型，建立塊體模型，通過設(shè)置報(bào)告的主要內(nèi)容、統(tǒng)計(jì)方法、比重值、比重屬性、分類屬性、約束類型等參數(shù)生成塊體的儲量報(bào)告文件，地質(zhì)塊段法是傳統(tǒng)儲量計(jì)算中常用的方法，通過將空間塊體模型中各項(xiàng)探礦工程揭露礦體的位置（點(diǎn)）投影到垂直或水平平面上，用來圈定礦體范圍、劃分塊段和儲量級別。3DMine軟件采用TIN（不規(guī)則三角形）技術(shù)產(chǎn)生數(shù)字地面模型和三維地質(zhì)實(shí)體模型，運(yùn)用塊體概念，采用變塊技術(shù)建立礦床資源品位模型，最終采用地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法或者線性內(nèi)插值方法對塊體模型進(jìn)行估值，結(jié)合我國固體礦產(chǎn)儲量分級標(biāo)準(zhǔn)，在投影圖下，應(yīng)用礦體模型和工程網(wǎng)度圈定相關(guān)的儲量級別范圍分別求出相關(guān)的儲量級別的礦石量和平均品位。然后用距離冪次反比法對礦體品位進(jìn)行加權(quán)平均計(jì)算，再用礦體模型對賦值對塊體進(jìn)行約束，3DMine 軟件就可報(bào)告出塊體模型范圍內(nèi)的地質(zhì)儲量。

（5）打印輸出。工程圖件輸出打印是礦山技術(shù)工作中必不可少的一項(xiàng)內(nèi)容。如實(shí)測的工程平面圖、采切設(shè)計(jì)圖、爆破設(shè)計(jì)圖、地質(zhì)工程圖等，3DMine軟件建立了完整的工程制圖、打印輸出模塊，打印出圖功能簡單易操作，具有類似于AutoCAD的獨(dú)立繪圖打印模塊，同時(shí)可以將圖形輸出為CAD、MagGis等軟件文件格式，便于保存和打印。

4 結(jié)語

四方金礦通過3DMine軟件初步實(shí)現(xiàn)了礦山生產(chǎn)工作的數(shù)字化、信息化管理。通過對礦山地質(zhì)、采礦、測量數(shù)據(jù)的收集、整理，建立了礦山數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)庫共享，利用這些數(shù)據(jù)庫建立起礦山的地表、井巷工程、鉆孔、礦體、空區(qū)、夾石、主要構(gòu)造體等礦山數(shù)字空間模型，實(shí)現(xiàn)了礦山三維數(shù)字空間模型動態(tài)顯示與數(shù)據(jù)分析，可以直觀、準(zhǔn)確地認(rèn)識礦體、夾石和空區(qū)情況，為礦山開采和儲量評估提供了可靠的參考。同時(shí)，在此模型的基礎(chǔ)上對礦山的采掘順序和地壓管理進(jìn)行研究，對礦山殘采的安全性進(jìn)行評估，有利于安全合理的回收低品位資源。使用3Dmine三維礦業(yè)軟件，能很好地解決礦山數(shù)字化建設(shè)進(jìn)程中的應(yīng)用難題，提高了地質(zhì)探礦、工程測繪、采礦設(shè)計(jì)和生產(chǎn)管理等方面的科學(xué)合理性，促進(jìn)了礦山的數(shù)字化信息化的發(fā)展和礦山科技進(jìn)步。