王 錚，高 鋒

(1.馬鋼(集團(tuán))控股有限公司桃沖礦業(yè)公司， 安徽蕪湖市 241208；2.華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院， 河北唐山市 063009)

基于3DMine的露天轉(zhuǎn)地下三維模型構(gòu)建

王 錚1，高 鋒2

(1.馬鋼(集團(tuán))控股有限公司桃沖礦業(yè)公司， 安徽蕪湖市 241208；2.華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院， 河北唐山市 063009)

以某鐵礦露天轉(zhuǎn)地下開采為背景，研究應(yīng)用3DMine礦山工程軟件分別建立礦山地表模型、礦體模型、小斜坡道系統(tǒng)和開拓系統(tǒng)模型。通過集成組合，構(gòu)建露天轉(zhuǎn)地下開采的三維分析平臺。該平臺的構(gòu)建是數(shù)字化礦山技術(shù)的具體應(yīng)用，對礦山過渡期內(nèi)的生產(chǎn)指導(dǎo)具有極大的影響意義。

露天轉(zhuǎn)地下；數(shù)字建模；3DMine

0 前 言

國內(nèi)一些大中型露天礦山隨著采坑下延，坑內(nèi)平面可采礦量急劇縮小，生產(chǎn)條件逐漸惡化，技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)下降，亟需露天轉(zhuǎn)地下開采。露天轉(zhuǎn)地下過渡期的安全高效生產(chǎn)技術(shù)，是決定礦山經(jīng)濟(jì)效益的關(guān)鍵因素和當(dāng)前國內(nèi)采礦行業(yè)面臨的一個(gè)難題。本文以某大型礦山露天轉(zhuǎn)地下開采為背景，研究應(yīng)用3DMine軟件構(gòu)建露天轉(zhuǎn)地下開采三維分析平臺，為該項(xiàng)技術(shù)的研究提供有利條件[1-6]。

1 礦山概況

經(jīng)多年開采，該礦山剩余礦體出露長1460 m，寬20～150 m。礦體總體走向10°～50°，傾向北西轉(zhuǎn)南東，傾角 74°～87°，平均品位TFe29.30%，mFe 24.27%，礦體圍巖穩(wěn)固。礦體形態(tài)多呈似層狀、扁豆?fàn)睿刈呦?、傾向可見膨縮及分支復(fù)合現(xiàn)象。依據(jù)礦體平面分布位置，由東至西共分4個(gè)礦體，編號為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ，呈平行帶狀排列。Ⅱ號礦體為主礦體，其中分布在11線北至14線南，全長1380 m。礦體由多層礦組成，總體呈南寬北窄中間厚大的層狀。依據(jù)礦層和夾石分布情況，Ⅱ礦體進(jìn)一步分為3層礦體，由西向東編號為Ⅱ-1、Ⅱ-2、Ⅱ-3。

經(jīng)過多年開采，該露天礦已經(jīng)開采到468水平。露天采場內(nèi)考慮損失貧化后可采出礦石量已經(jīng)不多，按礦山目前的生產(chǎn)能力，礦山露天開采已面臨結(jié)束，而地下礦儲量豐富。礦山委托了多家單位進(jìn)行了露天擴(kuò)幫設(shè)計(jì)、地下開采設(shè)計(jì)、露天轉(zhuǎn)地下過渡方案等課題的研究，準(zhǔn)備露天轉(zhuǎn)地下開采。

2 礦山三維模型建立

通過建立礦山三維分析平臺，實(shí)現(xiàn)礦山信息數(shù)字化、可視化，有助于研究礦山開采現(xiàn)狀、分析露天開采和地下開采的地質(zhì)條件，為確定合理的露天轉(zhuǎn)地下過渡方案、過渡期區(qū)域的劃分、過渡期產(chǎn)能分析、過渡期時(shí)空節(jié)點(diǎn)的確定以及地下開拓系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供分析工具。

2.1 表面模型建立

3DMine軟件采用不規(guī)則三角網(wǎng)來構(gòu)建礦體三維可視化模型。分析礦區(qū)地質(zhì)地形資料，屏蔽無用信息，對圖內(nèi)各類線條和點(diǎn)進(jìn)一步分層，并導(dǎo)入3DMine中，將圖形轉(zhuǎn)換為真實(shí)坐標(biāo)，保存為單獨(dú)的線文件[3]。對等高線、臺階坡頂線、坡底線等賦高程。采坑西幫存在大量的人工堆積體，拼接和局部高程錯(cuò)誤問題較多，根據(jù)地貌實(shí)際情況，推算局部未知高程，建立三維坐標(biāo)，在三維狀態(tài)下觀察賦值結(jié)果的正確性。執(zhí)行“生成DTM表面”命令，生成礦區(qū)地表模型。為了使表面模型逼真形象，通過地表模型“Gouraud渲染”和“顏色渲染”及“透明顯示”等功能，對模型進(jìn)行處理。生成的開采現(xiàn)狀表面模型如圖1所示。按照同樣的方法，把露天逐年開采計(jì)劃圖三維數(shù)字化，直至露天開采最終境界。

2.2 礦體模型構(gòu)建

礦體的分支復(fù)合現(xiàn)象較多，夾石厚大，礦體之間的距離很近，通過“剖面線法”構(gòu)建礦體模型。礦體的一部分已經(jīng)通過露天開采采出，為了便于露天轉(zhuǎn)地下開采過渡方案的研究，已經(jīng)被開采的礦體利用CAD礦體剖面線還原。

矢量化前對每張勘探線剖面圖需進(jìn)行預(yù)處理[4]，僅保留礦體剖面線和圖名。在每張剖面圖中，將每一礦體單獨(dú)存放到以其名字命名的圖層中。加載到3DMine軟件中，經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、移動和旋轉(zhuǎn)等操作，使勘探線剖面圖在三維坐標(biāo)下反映實(shí)際情況，如圖2所示。

圖1 露天開采現(xiàn)狀表面模型

圖2 各剖面相對位置

根據(jù)礦體地質(zhì)條件，設(shè)置合適的三角網(wǎng)參數(shù)，在相鄰的剖面圖中選擇同一礦體的閉合線，依次連接成三角網(wǎng)，采用加“控制線”、“分區(qū)連接”對連接的三角網(wǎng)形態(tài)進(jìn)行控制，形成完整的礦體模型。對于端部礦體，結(jié)合地質(zhì)學(xué)知識和地質(zhì)資料推測尖滅狀態(tài)[5]，采用“外推礦體”的方法進(jìn)行處理。建模時(shí)，不同的礦體采用不同的實(shí)體編號進(jìn)行區(qū)分，同時(shí)利用鮮明的顏色對已開采部分、未開采部分、高品位礦體、低品位礦體加以區(qū)分。

對形成的實(shí)體，及時(shí)進(jìn)行優(yōu)化、驗(yàn)證，使礦體模型能夠進(jìn)行布爾運(yùn)算、儲量計(jì)算等。通過實(shí)體驗(yàn)證的礦體模型見圖3?？梢郧宄胤治龅V體之間的空間位置關(guān)系、每個(gè)礦體的賦存狀態(tài)、露天和地下開采和的分界面、礦體的品位分布和分段處理，為過渡期內(nèi)產(chǎn)能優(yōu)化和開拓系統(tǒng)以及采準(zhǔn)工程的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)。

圖3 礦體模型

2.3 主井開拓系統(tǒng)模型構(gòu)建

根據(jù)地下礦開采初步設(shè)計(jì)，階段高度120 m，分段高度20 m，礦體從360 m往下分為4個(gè)階段，主井斜坡道聯(lián)合開拓，0 m以下布置粉礦回收系統(tǒng)。

井巷模型屬于實(shí)體模型，對原始巷道工程平面圖進(jìn)行處理，將主副井、風(fēng)井、斜坡道以及不同中段巷道的信息單獨(dú)提取出來，分層保存為3Ds格式文件，對各圖形線條三維矢量化處理[4]。在“由斷面及中線生成”對話框中，設(shè)定巷道斷面參數(shù)，設(shè)置交叉口參數(shù)，確認(rèn)執(zhí)行生成巷道模型，不同的井巷用不同的顏色和實(shí)體號加以區(qū)分。對于每個(gè)錯(cuò)誤的巷道交叉口，通過沿線切割剖面刪除，設(shè)置交叉口參數(shù)進(jìn)行交叉口設(shè)計(jì)。生成的巷道模型見圖4。

圖4 開拓系統(tǒng)模型

主井開拓系統(tǒng)三維數(shù)字模型建模速度快，可以直觀的觀察不同階段井巷在空間上的對應(yīng)關(guān)系，能夠根據(jù)地質(zhì)條件快速調(diào)整，避免了平面圖作圖工作量大、空間關(guān)系對應(yīng)困難的缺陷。利用開拓系統(tǒng)模型快速計(jì)算基建工程量和投資，制定基建進(jìn)度計(jì)劃，分析工程布置的合理性。使用不同開拓方案的數(shù)字模型，進(jìn)行基建時(shí)間和投資的計(jì)算、通風(fēng)計(jì)算以及開拓通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化研究，極大地提高了工作效率，同時(shí)為過渡期時(shí)空節(jié)點(diǎn)的銜接提供了條件。

2.4 小斜坡道開拓系統(tǒng)模型

為了保證礦山露天轉(zhuǎn)地下開采的產(chǎn)能平穩(wěn)過渡，提出過渡期內(nèi)北端礦小斜坡道系統(tǒng)開采方案。小斜坡道開拓系統(tǒng)使用無底柱分段崩落法開采，垂直走向布置進(jìn)路，三維模型如圖5所示。在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下觀察進(jìn)路聯(lián)絡(luò)巷與露天臺階的關(guān)系，小斜坡道與各分段的連接情況以及安全礦柱與北端礦的空間位置關(guān)系，從而合理確定北端礦地下開采的運(yùn)輸路線和通風(fēng)管理方式。通過三維圖，可以對每一分段的進(jìn)路間距、分段高度以及進(jìn)路布置方式進(jìn)行調(diào)整，對采場結(jié)構(gòu)優(yōu)化起到輔助作用。

2.5 三維分析平臺形成

將表面模型、礦體模型和開拓系統(tǒng)模型按照三維坐標(biāo)有機(jī)組合，形成露天轉(zhuǎn)地下三維分析平臺，如圖6所示。分析平臺包含露天開采境界、露天采場和排土場參數(shù)、地形地貌及相關(guān)參數(shù)、工業(yè)廠區(qū)布置、礦體信息、井巷參數(shù)、工程開始和結(jié)束時(shí)間等信息。采用地表模型的優(yōu)化渲染和透明度設(shè)置，直觀清楚的分析地表、礦體和開拓系統(tǒng)的空間位置關(guān)系。通過不同視角的旋轉(zhuǎn)分析，充分結(jié)合地表形態(tài)、礦體的賦存狀態(tài)以及礦山發(fā)展的需要，在時(shí)空層面上更改不合理的露天與地下的工程布置，經(jīng)過綜合研究，確定最佳的露天轉(zhuǎn)地下安全高效開采方案。

圖5 北部開拓系統(tǒng)

圖6 礦山三維模型

3 結(jié) 語

(1)利用3DMine礦業(yè)工程軟件，通過一定的方法，建立地表、礦體和開拓系統(tǒng)的數(shù)字化模型，形成露天轉(zhuǎn)地下開采三維分析平臺。

(2)該分析平臺可以應(yīng)用于地表和礦體形態(tài)分析，露天和地下開采過程的分析、過渡期內(nèi)產(chǎn)能優(yōu)化研究、時(shí)間和空間節(jié)點(diǎn)的確定、開拓和通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化研究以及采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究等，從而為露天轉(zhuǎn)地下礦山安全高效開采技術(shù)提供研究支撐。

(3)露天轉(zhuǎn)地下三維分析平臺的構(gòu)建是數(shù)字化礦山技術(shù)的具體應(yīng)用，該平臺可以作為露天轉(zhuǎn)地下工程的指導(dǎo)藍(lán)圖，輔助礦山工程管理工作，對礦山的平穩(wěn)過渡及長遠(yuǎn)發(fā)展具有很大的影響意義。

[1]王文舉，徐 軍，侍大軍.3DMine礦業(yè)工程軟件在遠(yuǎn)程煤礦首采區(qū)及拉溝位置方案選擇中的應(yīng)用[J].露天開采技術(shù)，2012(S1):17-20.

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[3]陳竟文，吳仲雄，陳德炎.3DMine礦業(yè)工程軟件在構(gòu)建五圩礦三維可視化模型中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2012，1(1):4-7.

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[6]甘德清，張亞賓，陳 超.基于隨機(jī)介質(zhì)放礦理論的覆蓋層結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究[J].金屬礦山，2012(3):15-18.

2015-10-20)

王 錚(1989-)，男，助理工程師，注冊安全工程師，Email:tkwang@163.com。