張萌萌 葉義成，2 盧雅琪 魯 方

(1.武漢科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢430081;2.湖北省頁(yè)巖釩資源高效清潔利用工程技術(shù)研究中心，湖北 武漢430081)

開(kāi)拓方案的確定影響著整個(gè)開(kāi)采系統(tǒng)的井下提升、運(yùn)輸、通風(fēng)、排水和地面運(yùn)輸?shù)认嚓P(guān)子系統(tǒng)的布置，涉及到生產(chǎn)安全性、投產(chǎn)時(shí)間、開(kāi)拓工程量以及礦山企業(yè)整體經(jīng)濟(jì)效益等，所以綜合考慮基建投資、運(yùn)營(yíng)成本等因素，合理確定開(kāi)拓方案對(duì)于礦山實(shí)現(xiàn)安全、高效、經(jīng)濟(jì)開(kāi)采至關(guān)重要。

階段高度是開(kāi)拓方案中重要的參數(shù)之一。礦床賦存狀態(tài)查明之后，階段高度的確定直接影響著階段數(shù)和采礦方案的確定，進(jìn)而影響到整個(gè)開(kāi)采過(guò)程的工程量和生產(chǎn)成本以及生產(chǎn)效率等。所以運(yùn)用現(xiàn)代信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)方案優(yōu)選，選擇合適的階段高度對(duì)于高效合理、安全經(jīng)濟(jì)開(kāi)采具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

對(duì)于復(fù)雜難采的緩傾斜多層礦床，技術(shù)工作者們不僅開(kāi)展了很多關(guān)于采礦方法的研究，而且在開(kāi)拓系統(tǒng)優(yōu)化和開(kāi)拓方案優(yōu)選做了廣泛探討。其中，開(kāi)拓方案優(yōu)選多采用技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)優(yōu)化法，通過(guò)人工計(jì)算相應(yīng)的工程量、投資成本、經(jīng)營(yíng)費(fèi)用、財(cái)務(wù)凈現(xiàn)值等指標(biāo)來(lái)選擇較優(yōu)方案［1］。

近年來(lái)，隨著礦山數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)自主開(kāi)發(fā)的3DMine 軟件的使用者越來(lái)越多，借助3DMine技術(shù)平臺(tái)，為各類礦山構(gòu)建了地表模型、礦體模型、巷道模型等三維可視化模型，基本實(shí)現(xiàn)了礦山開(kāi)采的三維仿真模擬［2］。另外，技術(shù)工作者們?cè)跇?gòu)建礦山三維模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究了模型的延伸應(yīng)用:吳仲雄［3］以礦體模型和塊體模型為基礎(chǔ)，采用線性規(guī)劃法來(lái)研究并編制了開(kāi)采計(jì)劃;馮盼學(xué)，楊志強(qiáng)［4］利用3DMine 建立爆破后采場(chǎng)模型進(jìn)行爆破效果(損失率、貧化率、垮落等)評(píng)估;周科平，杜相會(huì)［5］利用3DMine 建立殘礦、周圍地質(zhì)體及地表的三維數(shù)字幾何模型，結(jié)合MIDAS 和FLAC3D軟件進(jìn)行殘礦回采穩(wěn)定性研究;阮德修，胡建華等［6］將FLO2D的區(qū)域泥石流計(jì)算功能與3DMine 三維數(shù)字化模擬結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)了尾礦庫(kù)潰壩災(zāi)害的三維數(shù)字化評(píng)價(jià);陳慶發(fā)、趙有明等［7］運(yùn)用GeneralBlock 初步解算采場(chǎng)內(nèi)結(jié)構(gòu)體，結(jié)合3DMine 建立簡(jiǎn)單材料力學(xué)模型，計(jì)算出固定結(jié)構(gòu)體的最小固定結(jié)構(gòu)面。

基于3DMine 軟件的地質(zhì)體模型研究已有較多成果，而且基于可視化礦床模型的單項(xiàng)工程技術(shù)研究也有較多報(bào)導(dǎo)，但是綜合運(yùn)用3DMine 軟件的設(shè)計(jì)功能，在可視化模型基礎(chǔ)上開(kāi)展采礦工程設(shè)計(jì)的研究還有待完善。

1 開(kāi)拓系統(tǒng)模型構(gòu)建

研究礦山傾角5° ～25°，礦體多呈層狀、似層狀產(chǎn)出，賦礦巖石主要為灰黑、黑色炭質(zhì)頁(yè)巖、硅質(zhì)頁(yè)巖和(含炭)頁(yè)巖，次為硅質(zhì)巖，中等穩(wěn)固，礦區(qū)水文地質(zhì)簡(jiǎn)單，工程地質(zhì)屬于簡(jiǎn)單—中等類型。根據(jù)礦床特征及開(kāi)采技術(shù)條件，開(kāi)拓方法采用下盤中央斜井加斜坡道聯(lián)合開(kāi)拓，即在礦體下盤布置1 條主斜井，兩端各布置1 條通風(fēng)斜井，斜坡道連接地表，用作人員、大型無(wú)軌設(shè)備和材料等進(jìn)出。各階段布置有沿脈運(yùn)輸巷道和穿脈巷道。

現(xiàn)代礦山設(shè)計(jì)均采用CAD 技術(shù)進(jìn)行方案設(shè)計(jì)。研究中基于CAD 的工程設(shè)計(jì)圖，解決多方案優(yōu)化選擇的開(kāi)拓系統(tǒng)建模技術(shù)問(wèn)題。基于CAD 工程設(shè)計(jì)圖建立開(kāi)拓系統(tǒng)三維模型的重要工作是巷道實(shí)體模型的構(gòu)建，其主要技術(shù)問(wèn)題是巷道實(shí)體模型的生成和存儲(chǔ)識(shí)別。巷道實(shí)體模型要求無(wú)重疊、無(wú)自相交邊、無(wú)開(kāi)放邊。其構(gòu)模流程如圖1。

3DMine 軟件提供了多種巷道建模方法，有巷道中心線法、手工繪制、巷道腰線生成法。巷道中心線法和手工繪制多用于巷道設(shè)計(jì)，其中中心線法可直接利用二維設(shè)計(jì)圖，點(diǎn)擊線段生成實(shí)體。巷道腰線生成法多用于已建礦山且擁有豐富的巷道實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。3種方法建模的基礎(chǔ)均是斷面設(shè)計(jì)，3DMine 提供了多種斷面類型，可適應(yīng)礦山實(shí)際情況，設(shè)計(jì)確定符合要求的斷面類型及參數(shù)。一般有CAD 二維開(kāi)拓設(shè)計(jì)圖，采用巷道中心線法構(gòu)建巷道模型;若礦山有豐富的巷道實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，可采用巷道腰線生成法。

圖1 巷道建模流程Fig.1 Modeling flowchart of roadway

在3DMine 軟件中構(gòu)建巷道實(shí)體模型時(shí)，1 條線段可以生成1 個(gè)實(shí)體，所以在3DMine 軟件中打開(kāi)開(kāi)拓系統(tǒng)CAD 設(shè)計(jì)圖，首先需去除重復(fù)、壓蓋線段，釘子角，連接斷開(kāi)線;整理修飾好中線后再給中線賦高程，原來(lái)的二維設(shè)計(jì)圖就變成了Z 軸方向賦有高程值的開(kāi)拓系統(tǒng)中心線立體圖(如圖2);然后選擇需要生成巷道實(shí)體模型的中心線，設(shè)計(jì)相應(yīng)斷面，完成該巷道的三維模型創(chuàng)建。逐次設(shè)計(jì)各巷道斷面，完成所有巷道三維模型創(chuàng)建(如圖3);最后，要對(duì)生成的巷道模型進(jìn)行實(shí)體驗(yàn)證。

圖2 開(kāi)拓系統(tǒng)中心線Fig.2 Central lines of the development system

圖3 開(kāi)拓系統(tǒng)三維模型Fig.3 3D model of the development system

巷道實(shí)體模型存儲(chǔ)主要是要解決復(fù)雜開(kāi)拓系統(tǒng)眾多巷道文件的分別存儲(chǔ)和識(shí)別調(diào)用問(wèn)題。研究礦山開(kāi)拓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，巷道眾多，存儲(chǔ)巷道實(shí)體模型時(shí)注意更改實(shí)體名稱，實(shí)體名稱可按巷道類型分類命名或按階段高度標(biāo)高命名或其他方式命名，進(jìn)行分類存儲(chǔ)。實(shí)體模型實(shí)際上是由一系列不規(guī)則的三角面連接成三角網(wǎng)形成的密封、不透氣的面。每一個(gè)三角面都是由3 個(gè)相鄰的點(diǎn)組成的，每個(gè)點(diǎn)上都儲(chǔ)存了X、Y、Z 3 個(gè)方向的坐標(biāo)值，計(jì)算機(jī)就是利用這些存有坐標(biāo)值的點(diǎn)通過(guò)某種函數(shù)關(guān)系來(lái)計(jì)算實(shí)體模型的體積?？衫玫V體模型進(jìn)行儲(chǔ)量估算，巷道模型進(jìn)行工程量核算。

2 基于3DMine 軟件的階段高度方案優(yōu)選

2.1 階段高度方案優(yōu)選方法

基于3DMine 軟件的階段高度方案優(yōu)選方法，是以礦體模型和開(kāi)拓系統(tǒng)三維模型為基礎(chǔ)，首先利用3DMine 軟件計(jì)算實(shí)體體積的功能，計(jì)算出礦體的可采礦量和巷道模型的體積，即掘進(jìn)工程量;然后，計(jì)算可采礦量與掘進(jìn)工程量的比值求出單位掘進(jìn)量;最后，通過(guò)比較單位掘進(jìn)量選出最優(yōu)階段高度方案。

以單位掘進(jìn)量為評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行方案優(yōu)選［8］，既考慮了礦山基建期的開(kāi)拓工程，也考慮了生產(chǎn)期的采準(zhǔn)切割工程，簡(jiǎn)化了以單位礦石成本為評(píng)價(jià)指標(biāo)的方案優(yōu)選過(guò)程，避免了以工程量和可采礦量為評(píng)價(jià)指標(biāo)的片面性。

根據(jù)研究礦山條件，現(xiàn)提出4 個(gè)可行的備選方案，階段高度分別為30、40、50、60 m 為有效比選各方案，4 個(gè)方案均選擇同一采礦方法，同樣的技術(shù)工藝和設(shè)備條件等。因礦體模型和開(kāi)拓三維模型圖均采用固定坐標(biāo)構(gòu)建，將二者在某階段高度進(jìn)行組合，即可構(gòu)成某階段高度的開(kāi)拓系統(tǒng)三維模型(如圖4);將礦體模型透明顯示，可研究礦體與所有井巷工程的空間位置關(guān)系和各階段礦石大致分布情況，自由轉(zhuǎn)動(dòng)三維模型，即可以任意角度查看模型;將開(kāi)拓系統(tǒng)三維模型在縱向切割動(dòng)態(tài)剖面，可研究井巷在垂直方向上的空間位置關(guān)系(如圖5);在水平方向上切割動(dòng)態(tài)剖面，可研究某階段各采場(chǎng)內(nèi)的工程布置和空間位置關(guān)系。

圖4 礦體模型與開(kāi)拓三維模型組合Fig.4 Combination of the deposit model and the development system 3D model

圖5 開(kāi)拓系統(tǒng)三維模型的縱向動(dòng)態(tài)切割剖面Fig.5 Longitudinal dynamic section of the development system 3D model

2.2 階段高度方案優(yōu)選過(guò)程

2.2.1 可采礦量計(jì)算

3DMine 軟件有2 種途徑計(jì)算礦量，一種是根據(jù)礦體模型建立塊體模型并賦值，賦值方法有最近距離法、距離冪次反比法和普通克里格法，然后根據(jù)地質(zhì)資料等勘探數(shù)據(jù)或礦體模型對(duì)塊體模型進(jìn)行約束，稱約束后的塊體模型為礦體礦量計(jì)算模型，生成塊段報(bào)告，這種方法能較準(zhǔn)確地計(jì)算出礦量，但需要以豐富的地質(zhì)數(shù)據(jù)資料為基礎(chǔ)，建立地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)，組合樣品數(shù)據(jù);另一種計(jì)算礦量的方法是利用“實(shí)體體積”計(jì)算功能，計(jì)算出礦體實(shí)體模型體積，再根據(jù)地質(zhì)報(bào)告中平均礦石體重計(jì)算礦量，這種方法雖較第一種方法的精確性差，但是易于操作。

研究礦山為緩傾斜多層礦床，礦床賦存特征穩(wěn)定，礦體厚度較穩(wěn)定;品位變化系數(shù)小，有用組分分布均勻，不同方法計(jì)算精度變化不大，為此本研究選擇第2 種方法計(jì)算可采礦量。計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)單，計(jì)算結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求，相對(duì)誤差較小。計(jì)算中根據(jù)設(shè)計(jì)的井巷工程，將原礦體模型進(jìn)行實(shí)體切割，切除設(shè)計(jì)損失礦量，留下設(shè)計(jì)可采礦體。

由于總儲(chǔ)量一定，階段高度不同，各階段的可采礦量也就不同，不同方案計(jì)算的的可采礦量Q 見(jiàn)表1。

表1 最優(yōu)階段高度Table 1 The optimum stage height

2.2.2 計(jì)算掘進(jìn)工程量

在3DMine 軟件中，有2 個(gè)途徑可以計(jì)算工程量:一種是“地下”菜單中“開(kāi)拓設(shè)計(jì)”欄的下級(jí)菜單“巷道工程量計(jì)算”，是基于線段有效長(zhǎng)度和斷面面積來(lái)計(jì)算體積;另一種是“實(shí)體體積”計(jì)算，基于實(shí)體模型計(jì)算體積。對(duì)于賦存狀態(tài)穩(wěn)定的礦床，2 種方法計(jì)算結(jié)果差別不大，第一種方法計(jì)算步驟較多。研究中基于已建立的井巷實(shí)體模型，選用第2 種方法，實(shí)體體積計(jì)算掘進(jìn)工程量如圖6。

掘進(jìn)工程量不僅包含了基建期的開(kāi)拓工程量，此外也包括了正常生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)期間的采準(zhǔn)切割巷道掘進(jìn)工程量。由于一些工程的工程量受階段高度影響較小或不受影響，所以在計(jì)算掘進(jìn)工程量時(shí)就不將這些工程計(jì)算在內(nèi)。例如，階段高度不同，礦床設(shè)計(jì)開(kāi)采深度受其影響較小，所以各方案的斜井工程量相差不大，故而不考慮斜井掘進(jìn)工程量。要計(jì)算的開(kāi)采巷道工程主要包括運(yùn)輸大巷、聯(lián)絡(luò)道、斜坡道、上山。

圖6 掘進(jìn)工程量計(jì)算Fig.6 Computation of the tunneling engineering

2.2.3 最優(yōu)階段高度

單位掘進(jìn)工程量表示開(kāi)采1 t 礦石所需分?jǐn)偟木蜻M(jìn)工程量。用數(shù)學(xué)關(guān)系式表示即為

式中，N 為單位掘進(jìn)工程量，t/m3;M 為掘進(jìn)工程量，m3;Q 為可采礦量，t。

單位掘進(jìn)工程量是一個(gè)綜合性指標(biāo)，能從技術(shù)經(jīng)濟(jì)角度較科學(xué)實(shí)用、方便快捷地比較方案的優(yōu)劣性。按照式(1)計(jì)算各方案的單位掘進(jìn)量，結(jié)果見(jiàn)表1。

依照最少單位掘進(jìn)量原則，最優(yōu)結(jié)果是9 097 t/m3，即最優(yōu)方案為階段高度50 m，與研究礦山實(shí)際相符(該礦山實(shí)際段高50 m)。

3 結(jié) 論

(1)基于緩傾斜多層礦床傾角小、有用組分分布較均勻，賦礦圍巖較穩(wěn)固的特點(diǎn)，利用三維礦業(yè)軟件3DMine 建立了礦體三維模型，并可快捷計(jì)算階段可采礦量;以CAD 工程設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，從而建立了地下開(kāi)采開(kāi)拓系統(tǒng)三維實(shí)體模型，并核算了掘進(jìn)工程量，解決了工程量計(jì)算量大的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了地下工程的三維可視化及空間分布優(yōu)化分析，彌補(bǔ)了二維設(shè)計(jì)狀態(tài)下難以整體直觀了解礦體與巷道、巷道與巷道之間的空間位置關(guān)系的不足。

(2)依據(jù)多層緩傾斜礦床開(kāi)采技術(shù)條件，建立了以單位掘進(jìn)量為評(píng)價(jià)指標(biāo)的階段高度方案優(yōu)選方法，克服了采用可采礦量指標(biāo)和工程量指標(biāo)評(píng)價(jià)的單一片面的不足，實(shí)現(xiàn)了方案的系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)。應(yīng)用階段高度優(yōu)化模型研究了某多層緩傾斜礦床開(kāi)拓系統(tǒng)中階段高度的方案優(yōu)選問(wèn)題，當(dāng)階段高度為50 m 時(shí)，單位掘進(jìn)工程量最小，為最優(yōu)方案，驗(yàn)證了研究模型的適用性和可行性。

［1］ 汪益群，葉義成，王其虎，等. 緩薄礦床沿傾向最優(yōu)采深研究［J］.金屬礦山，2011(8):22-24.

Wang Yiqun，Ye Yicheng，Wang Qihu，et al.Research of the optimal mining depth for gently inclined and thin ore deposit along the inclination［J］.Metal Mine，2011(8):22-24.

［2］ 吳建飛，葉義成，王其虎，等. 某多層復(fù)雜礦床開(kāi)采優(yōu)化的三維地質(zhì)建模［J］.金屬礦山，2012(9):124-128.

Wu Jianfei，Ye Yicheng，Wang Qihu，et al. Study on 3D geological modeling for mining optimization of a multilayer complex ore deposit［J］.Metal Mine，2012(9):124-128.

［3］ 吳仲雄，朱 超. 華銀鋁土礦三維可視化模型與開(kāi)采計(jì)劃優(yōu)化研究［J］.中國(guó)礦業(yè)，2011，20(3):78-81.

Wu Zhongxiong，Zhu Chao. Research on three-dimensional visual model and mining plan optimization in Huayin Bauxite Mine［J］.China Mining Magazine，2011，20(3):78-81.

［4］ 馮盼學(xué)，楊志強(qiáng). 爆破過(guò)程精準(zhǔn)數(shù)字化建模與效果評(píng)估的應(yīng)用［J］.有色金屬，2014，66(2):4-6.

Feng Panxue，Yang Zhiqiang. Application of precise digital blasting process modeling and effect evaluation［J］.Nonferrous Metals:Mine Section，2014，66(2):4-6.

［5］ 周科平，杜相會(huì).基于3DMine －MIDAS －FLAC3D耦合的殘礦回采穩(wěn)定性研究［J］.中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2011，21(5):17-22.

Zhou Keping，Du Xianghui.Study on stability of residual ore recovery based on coupling of 3DMine-MIDAS/GTS-FLAC3D［J］.China Safety Science Journal，2011，21(5):17-22.

［6］ 阮德修，胡建華，周科平，等. 基于FLO2D與3DMine 耦合的尾礦庫(kù)潰壩災(zāi)害模擬［J］.中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2012，22(8):150-156.

Ruan Dexiu，Hu Jianhua，Zhou Keping，et al. Simulation of tailing dam failure disaster based on coupled FLO2Dand 3DMine［J］.China Safety Science Journal，2012，22(8):150-156.

［7］ 陳慶發(fā)，趙有明，陳德炎，等. 采場(chǎng)內(nèi)結(jié)構(gòu)體解算及其穩(wěn)定性計(jì)算［J］.巖土力學(xué)，2013，34(7):2051-2058.

Chen Qingfa，Zhao Youming，Chen Deyan，et al.Solution of structure body and its stability calculation in stope［J］. Rock and Soil Mechanics，2013，34(7):2051-2058.

［8］ 馬 軍，才慶祥，陳樹召，等. 復(fù)合煤層條件下拉斗鏟作業(yè)方式優(yōu)化研究［J］.采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2006，23(2):155-158.

Ma Jun，Cai Qingxiang，Chen Shuzhao，et al.Optimization of dragline operation mold for multiple coal seams［J］. Journal of Mining ＆Safety Engineering，2006，23(2):155-158.