李雙（河南能源中聯(lián)潤(rùn)世新疆煤業(yè)有限公司紅沙泉北露天煤礦， 新疆 昌吉 831800）

SMCAD計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)在紅沙泉北露天煤礦的應(yīng)用

李雙（河南能源中聯(lián)潤(rùn)世新疆煤業(yè)有限公司紅沙泉北露天煤礦， 新疆 昌吉 831800）

數(shù)字化露天煤礦虛擬開采計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)（SMCAD），是以礦山三維動(dòng)態(tài)實(shí)體模型為基礎(chǔ)，緊密結(jié)合露天礦山的生產(chǎn)實(shí)際，以簡(jiǎn)潔實(shí)用為目標(biāo)，采用人機(jī)交互、計(jì)算機(jī)仿真手段，虛擬整個(gè)開采過程，對(duì)比分析采用不同的開采工藝、開采程序、開拓方式、開采參數(shù)等多個(gè)開采方案，從而獲得最為合理的開采方案。其最終目的在于為露天礦生產(chǎn)提供一個(gè)動(dòng)態(tài)、直觀、立體的開采對(duì)象數(shù)字信息平臺(tái)以及功能強(qiáng)大而有效的采礦輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)工程設(shè)計(jì)三維可視化，降低設(shè)計(jì)難度和設(shè)計(jì)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，減少設(shè)計(jì)失誤，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，更有效地指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)，提高露天礦技術(shù)管理水平和經(jīng)濟(jì)效益。

露天煤礦；SMCAD；設(shè)計(jì)；三維可視化

1　引言

近年來(lái)隨著數(shù)字地球、數(shù)字中國(guó)等概念的不斷涌現(xiàn)，“數(shù)字礦山”的概念也逐步得到推廣和實(shí)施。早在二十世紀(jì)八十年代，一些礦山企業(yè)、科研院所、大專院校就已經(jīng)開始探索計(jì)算機(jī)技術(shù)在礦山設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中的應(yīng)用，并開發(fā)了一些應(yīng)用系統(tǒng)軟件。九十年代后，隨著國(guó)家信息化的高速發(fā)展和市場(chǎng)環(huán)境的變化，礦山信息化進(jìn)入快速發(fā)展階段，圍繞著如何提高礦山生產(chǎn)效率和管理效率、降低開采成本、提高礦山開采的技術(shù)水平和生產(chǎn)能力等開展了大量的研究，數(shù)字露天礦作為數(shù)字礦山的重要分支，也成為我國(guó)各大露天礦的數(shù)字化進(jìn)程中的重要研究?jī)?nèi)容。

紅沙泉北露天煤礦資源儲(chǔ)量豐富，開采條件優(yōu)越，設(shè)計(jì)的開采工藝和技術(shù)裝備先進(jìn)，有條件建設(shè)一流的高產(chǎn)高效現(xiàn)代化露天煤礦。在露天礦開發(fā)過程中，涉及到地質(zhì)信息的科學(xué)預(yù)測(cè)、地質(zhì)儲(chǔ)量管理與預(yù)報(bào)、剝采排工程的優(yōu)化控制設(shè)計(jì)、生產(chǎn)計(jì)劃編制和優(yōu)化調(diào)整、剝采排工程量的精準(zhǔn)化驗(yàn)收等技術(shù)管理工作。對(duì)于如此巨大而復(fù)雜的生產(chǎn)技術(shù)管理工作，傳統(tǒng)的工程技術(shù)管理方法遠(yuǎn)不能適應(yīng)現(xiàn)代化露天礦管理的技術(shù)需求，在尋求先進(jìn)的技術(shù)方法和手段，實(shí)現(xiàn)建設(shè)安全、經(jīng)濟(jì)、高產(chǎn)、高效現(xiàn)代化露天礦的目標(biāo)的過程中，引進(jìn)了由遼寧工程技術(shù)大學(xué)露天開采研究所，礦業(yè)及軟件專家們共同研究開發(fā)出的基于三維輔助設(shè)計(jì)，具有國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平的礦山數(shù)字化軟件系統(tǒng)（SMCAD），在實(shí)際使用過程中切實(shí)有效的解決了諸多技術(shù)問題。

2　SMCAD的組成

該軟件以三維實(shí)體構(gòu)模為核心，以AutoCAD為基礎(chǔ)平臺(tái)運(yùn)用VBA進(jìn)行二次開發(fā)而成。主要由地質(zhì)信息管理系統(tǒng)、測(cè)量驗(yàn)收系統(tǒng)、采礦計(jì)劃三部分構(gòu)成。系統(tǒng)的主要構(gòu)成如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)主要構(gòu)成

三維實(shí)體構(gòu)模技術(shù)作為軟件的核心，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的可視化編輯，在整套系統(tǒng)中承擔(dān)支撐作用。考慮到軟件的通用性，SMACAD與國(guó)內(nèi)主流制圖軟件AutoCAD實(shí)現(xiàn)了無(wú)縫兼容，并兼顧以往工程技術(shù)資料二維到三維完美自動(dòng)轉(zhuǎn)換，同時(shí)增加了外部文本和Excel數(shù)據(jù)導(dǎo)入生成數(shù)據(jù)圖形及數(shù)據(jù)格式化輸出的接口，增強(qiáng)了軟件的實(shí)用性。

（1）地質(zhì)信息管理系統(tǒng)在對(duì)原始鉆孔數(shù)據(jù)、地質(zhì)平/剖面圖數(shù)據(jù)、地質(zhì)界面等值線數(shù)據(jù)、斷層數(shù)據(jù)分析處理的基礎(chǔ)上，建立了動(dòng)態(tài)地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)了地質(zhì)數(shù)據(jù)的可視化管理。采用包絡(luò)面固化成體技術(shù)構(gòu)建露天礦地形模型、地質(zhì)模型，真實(shí)表達(dá)礦區(qū)地形地貌、煤巖層賦存特征。同時(shí)利用地質(zhì)寫實(shí)數(shù)據(jù)和生產(chǎn)補(bǔ)勘信息可對(duì)集成模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)的更新與修改，以地質(zhì)模型為基礎(chǔ)進(jìn)行儲(chǔ)量計(jì)算、煤質(zhì)分析、地質(zhì)出圖表等，為采礦設(shè)計(jì)與生產(chǎn)提供相對(duì)精確可靠的地質(zhì)信息資料。其詳細(xì)功能如表1所示。

表1　地質(zhì)信息管理系詳細(xì)功能

（2）測(cè)量驗(yàn)收系統(tǒng)支持多格式數(shù)據(jù)點(diǎn)的導(dǎo)入，實(shí)現(xiàn)了實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)AutoCAD之間的數(shù)據(jù)與圖形互換功能，從而使測(cè)量?jī)?nèi)業(yè)工作變得更加直觀、便捷。在該功能中，工程技術(shù)人員可快速形成不同形式下的三維成果，包括建立地表DEM模型（見圖2）和生成等值線、露天礦現(xiàn)狀和掘進(jìn)坑道模型，采動(dòng)區(qū)域內(nèi)的煤、巖工程量分類計(jì)算，快捷、準(zhǔn)確的完成工程驗(yàn)收。其詳細(xì)功能如表2所示。

（3）生產(chǎn)計(jì)劃系統(tǒng)。生產(chǎn)計(jì)劃子系統(tǒng)是上述兩個(gè)系統(tǒng)的信息數(shù)據(jù)接收端，以露天礦三維集成實(shí)體模型為基礎(chǔ)，利用層間組合與定位顯示的方法進(jìn)行露天礦的虛擬開采，實(shí)現(xiàn)了采、運(yùn)、排工程量計(jì)算和具體的工程位置計(jì)劃安排，并同時(shí)自動(dòng)生成圖形和數(shù)值結(jié)果。

圖2　露天礦DEM模型

表2　測(cè)量驗(yàn)收系統(tǒng)詳細(xì)功能

3　實(shí)際使用效果

下面就SMCAD在紅沙泉北露天煤礦解決實(shí)際問題情況對(duì)其功能實(shí)際效果進(jìn)行演示。

3.1工程量驗(yàn)算精度比較

由于實(shí)際工程地貌的復(fù)雜性，在計(jì)算其真實(shí)體積的過程中難免會(huì)產(chǎn)生誤差，所以技術(shù)組取一個(gè)理想狀態(tài)下的規(guī)則體，本次以長(zhǎng)寬高分別為180、100、100的規(guī)則長(zhǎng)方體為實(shí)例，選用SMCAD和其他具有同類功能的軟件進(jìn)行計(jì)算結(jié)果對(duì)比，過程中沿上述長(zhǎng)方體對(duì)角線按臺(tái)階坡面角45°、平盤寬度20將長(zhǎng)方體分割成體積相同的兩塊，模擬出露天礦山邊坡的形狀。利用SMCAD三維實(shí)體技術(shù)將上述長(zhǎng)方體展示如圖3所示。

圖3　計(jì)算用長(zhǎng)方體

計(jì)算方法的選擇上，SMCAD以三維實(shí)體方法計(jì)算體積，其他同類功能軟件以網(wǎng)格法計(jì)算體積，計(jì)算結(jié)果對(duì)比如表3所示。

表3　體積計(jì)算結(jié)果對(duì)比

從計(jì)算結(jié)果上不難看出，兩款軟件的計(jì)算結(jié)果中總體積都與實(shí)際吻合，但是分別算上下兩塊時(shí)另外一款運(yùn)用網(wǎng)格法計(jì)算的結(jié)果與實(shí)際體積存在誤差，而且隨網(wǎng)格寬度的增大誤差增大。

3.2地質(zhì)儲(chǔ)量校正

紅沙泉北露天煤礦現(xiàn)在開采的B2煤層西部露頭位置勘探程度低，屬于333推斷資源，可信度低，在工程實(shí)際中煤層貯存的深度及煤層厚度與勘探報(bào)告有較為明顯的出入，導(dǎo)致采剝關(guān)系不均衡、工程布局不合理。在引進(jìn)SMCAD系統(tǒng)后，利用系統(tǒng)的地質(zhì)信息管理模塊，根據(jù)現(xiàn)狀采集頂?shù)装妩c(diǎn)標(biāo)高結(jié)合勘探鉆孔的數(shù)據(jù)采用距離冪次反比法進(jìn)行格網(wǎng)內(nèi)插值，最終形成更接近真實(shí)的煤層模型，解決了因勘探程度低對(duì)工程施工產(chǎn)生的問題。過程如圖4。

圖4　B2煤層模型建立過程

4　結(jié)語(yǔ)

通過學(xué)習(xí)、分析、使用，筆者認(rèn)為SMCAD為露天礦設(shè)計(jì)和生產(chǎn)計(jì)劃提供了一個(gè)高效可靠的三維可視化的軟件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了不規(guī)則礦床實(shí)體模型的快速、準(zhǔn)確構(gòu)建和更新，改善了露天煤礦日常的地質(zhì)測(cè)量驗(yàn)收、生產(chǎn)計(jì)劃編制設(shè)計(jì)的技術(shù)手段，提高了工作效率和剝采排工程計(jì)劃的設(shè)計(jì)質(zhì)量，達(dá)到了提高露天礦綜合管理水平和經(jīng)濟(jì)效益的目的，對(duì)露天礦安全、高效生產(chǎn)具有重要指導(dǎo)意義和實(shí)用價(jià)值。

［1］陳建宏，古德生，周智勇.礦山數(shù)字化技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展方向［J］.中國(guó)煤炭物資供應(yīng)，2013（6）.

［2］張壽濤.3DMine礦業(yè)工程軟件在勝利露天煤礦的應(yīng)用［J］.露天采礦技術(shù)，2011（4）.

［3］孫前芳，劉光偉，趙浩.三維可視化建模技術(shù)在露天礦中的應(yīng)用［J］.采礦技術(shù)，2010，10（6）.

［4］柴修偉，李耀基，方世祥.大型露天磷礦數(shù)字礦床系統(tǒng)［J］.武漢工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，35（9）.

［5］劉光偉，白潤(rùn)才，曹蘭柱.基于AutoCAD的露天礦三維地質(zhì)模型的三維可視化構(gòu)建方法［J］.世界科技研究與發(fā)展，2008，30（6）.

李雙，2009年本科畢業(yè)于內(nèi)蒙古科技大學(xué)采礦工程專業(yè)，現(xiàn)攻讀遼寧工程技術(shù)大學(xué)露天采礦專業(yè)工程碩士。