劉永旭

(貴州開磷集團股份有限公司， 貴州 貴陽 550081)

基于MineSight Atlas的地下礦山三維采掘進度計劃編制

劉永旭

(貴州開磷集團股份有限公司， 貴州 貴陽 550081)

采掘進度計劃對礦山建設(shè)和均衡生產(chǎn)具有指導(dǎo)作用，其編制目的是進一步落實礦山生產(chǎn)能力，以保證生產(chǎn)者對生產(chǎn)過程中礦石數(shù)量、礦石質(zhì)量、開采技術(shù)、經(jīng)濟效益、生產(chǎn)效率、礦產(chǎn)資源合理利用等的總體要求。隨著數(shù)字礦山的發(fā)展，貴州開磷地下礦山應(yīng)用MineSight Atlas軟件，編制適應(yīng)于國內(nèi)地下礦山管理模式的三維采掘進度計劃取得了良好效果，為礦山生產(chǎn)計劃編制提供了新方法。

MineSight Atlas；地下礦山；采掘進度；計劃編制

地下礦山采掘進度計劃是指導(dǎo)礦山合理開發(fā)，均衡生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，是具體組織生產(chǎn)、管理生產(chǎn)的重要依據(jù)[1-2]。隨著計算機模擬技術(shù)及三維可視化技術(shù)的發(fā)展，在三維可視化環(huán)境下進行生產(chǎn)計劃編制,已成為目前國際國內(nèi)礦山的發(fā)展趨勢[3]。

地下礦山采掘生產(chǎn)系統(tǒng)工藝流程多，作業(yè)場所的動態(tài)性和生產(chǎn)單元間的時空性等制約性強，致使地下礦山采掘進度計劃編制更加具有復(fù)雜性與難度性。隨著計算機存儲、管理、計算、分析數(shù)據(jù)的速度和規(guī)模隨之提高，尤其是計算機圖形學(xué)以及三維可視化技術(shù)的迅速發(fā)展，為生產(chǎn)計劃的三維可視化編制提供了一個很好的環(huán)境[4]。在三維環(huán)境下編制的采掘計劃，一方面可以直觀地展示出地下采掘工程在空間上的分布，另一方面，三維地質(zhì)塊段模型為塊段地質(zhì)屬性，如品位、巖性、礦段等提供了空間分布狀態(tài)。當(dāng)?shù)V山設(shè)計、生產(chǎn)計劃、進度計劃、設(shè)備應(yīng)用、勞動組織等參數(shù)發(fā)生變化時，利用三維采掘計劃，管理人員可以全面細(xì)致地分析客觀情況，合理組織采掘工程，以保證生產(chǎn)效率最大化[5]。

1 MSAtlas采掘進度計劃基本原理

地下礦山采掘進度計劃編制國內(nèi)外常用的編制方法為L-G圖論法、動態(tài)規(guī)劃法、整體線性規(guī)劃法等。MSAtlas礦業(yè)軟件功能模塊應(yīng)用最大流最小割原理對地下礦山采掘計劃進行編制，確保了采掘計劃的數(shù)學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)性。其核心思想是依據(jù)井下工程在時間和空間上的先后順序及依賴關(guān)系，對工程進行約束，以保證各工程具有合理科學(xué)的開采順序。并綜合應(yīng)用人工智能、優(yōu)化法和模擬法有效地解決礦山生產(chǎn)計劃的優(yōu)化編制問題。

1.1 創(chuàng)建數(shù)字礦山數(shù)據(jù)庫

MineSight可以利用不同的數(shù)據(jù)形式實現(xiàn)地質(zhì)、安全、技術(shù)信息的存儲和管理，數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)來源主要為勘探數(shù)據(jù)和生產(chǎn)刻槽數(shù)據(jù)。運用勘探模塊可以對礦山的數(shù)據(jù)進行編錄與分析，形成用于礦山技術(shù)管理的數(shù)據(jù)庫。

1.2 創(chuàng)建礦山三維實體模型

實體模型用于描述三維空間之內(nèi)物體的幾何塊狀，實體模型建立在數(shù)字礦山數(shù)據(jù)之上。礦山的巖層、礦體、井巷、采場分布等信息均以二維的輪廓線存儲于礦山的平剖面圖紙之中，利用輪廓線重構(gòu)出復(fù)雜的三維實體模型。

1.3 創(chuàng)建數(shù)字礦山地表模型

地表模型可以把目前地形圖內(nèi)的所有地表測量數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件之中，根據(jù)實際修改，建立符合現(xiàn)場實際的DTM三維地表模型。

1.4 創(chuàng)建數(shù)字礦山塊段模型

塊段模型是可視化計劃編制的基本計算模型，根據(jù)八叉樹法將三維體的空間幾何模型按照一定的尺寸劃分為眾多的立方體網(wǎng)格，采用網(wǎng)格模型與實體模型邊界套合的方法，并基于變塊技術(shù)使得實體邊界處的網(wǎng)格的大小自動進行細(xì)分，以確保劃分網(wǎng)格后的模型能夠真實的反映巖體的幾何形態(tài)。單元塊內(nèi)存儲各種地質(zhì)屬性，包括品位、巖性、密度等，地質(zhì)塊段模型中單元塊的品位信息通常使用地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)方法進行插值。

2 MSAtlas采掘進度計劃特性及優(yōu)點

(1) MSAtlas以一種容易操作使用的人機交互界面囊括了生產(chǎn)計劃內(nèi)的各項作業(yè)活動、設(shè)備資源的配置以及甘特圖，并與MS3D、MSReserve 和 MSHaulage集成在一起方便用戶使用和編輯，根據(jù)需要快速生成多方案的采掘計劃，從多方案的采掘計劃中尋求最優(yōu)。

(2) MSAtlas軟件提供了開放式的Python和C語言錄入平臺，能以易學(xué)易用的計算機語言將用戶需要實現(xiàn)的目標(biāo)錄入MSAtlas軟件模塊之中，并利用MSAtlas模塊實現(xiàn)快速、直觀的需求管理。

(3) MSAtlas與MSReserve、MSstope、MSPlanner等功能模塊交互合作，以地質(zhì)模型、經(jīng)濟模型為基礎(chǔ)，實現(xiàn)資源綜合評估、采掘供充平衡，并以經(jīng)濟模型為基礎(chǔ)，進行凈現(xiàn)值分析、貼現(xiàn)分析、投資分析等方面的礦山經(jīng)濟分析。

(4) MSAtlas在編制采掘計劃時，充分考慮了生產(chǎn)能力與勞動協(xié)調(diào)組織、設(shè)備調(diào)度效率等之間的關(guān)系，利用生產(chǎn)計劃甘特圖、設(shè)備調(diào)度甘特圖、人員組織甘特圖等進行相互驗證，確保三維采掘計劃的科學(xué)性、合理性、嚴(yán)謹(jǐn)性和可行性。

(5) 通過MSAtlas，可以快速生成作業(yè)能力報表、設(shè)備調(diào)度報表、經(jīng)濟成本報表、物料消耗報表、勞動效率報表等各類報表，用于礦山的生產(chǎn)技術(shù)管理、經(jīng)濟成本管理、設(shè)備調(diào)度管理等。

(6) MSAtlas以acQuireTM完整性數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)為基礎(chǔ)，為數(shù)據(jù)客戶、采礦計劃系統(tǒng)、GIS系統(tǒng)、會計等提供服務(wù)，并提供了改進其礦石控制技術(shù)和優(yōu)化生產(chǎn)的機會；去除對第三方軟件如GIS和CAD計算機輔助設(shè)計程序的依賴，提高了生產(chǎn)技術(shù)管理的工效，從而降低了生產(chǎn)技術(shù)管理成本。

(7) MSAtlas可以快速生成excel表格，cad圖紙、mapgis圖件以及txt文本等各類報告、表格和圖紙，方便工程技術(shù)的使用和編輯，為礦山管理人員提供決策依據(jù)。

3 數(shù)據(jù)流程及采掘進度計劃編制

根據(jù)采掘計劃編制需求，結(jié)合貴州開磷礦業(yè)總公司地下礦山生產(chǎn)管理模式，建立如圖1所示的采掘進度計劃編制系統(tǒng)構(gòu)架。

3.1 MineSight軟件平臺數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

3.1.1 原始資料收集和數(shù)字化

將各類用于生產(chǎn)技術(shù)管理的圖紙和報表轉(zhuǎn)換為MineSight軟件可識別應(yīng)用的數(shù)字化資料，包括鉆孔模型需要的巖性文件、測斜文件、化驗文件、鉆孔文件，以及地表、礦體、巷道模型需要的地表地形圖、井下實測圖、勘探線剖面圖、地質(zhì)平面圖等。

圖1 采掘進度計劃編制流程

3.1.2 基礎(chǔ)地質(zhì)模型建模

地質(zhì)模型主要分為表面模型和實體模型，表面模型主要包括地形、地表以及斷層等平面模型；實體模型主要包括礦體、巷道、礦房、采場、井下其他工程等。表面模型一般由若干點和線連成相鄰的三角面，形成一系列連續(xù)的光滑面。實體模型由一系列在線上的點鏈接成三角網(wǎng)，再由一系列相鄰的三角網(wǎng)形成閉合的實體。實體模型按照實際的規(guī)則和尺寸進行分割形成用于生產(chǎn)的礦塊模型。

3.1.3 構(gòu)建地質(zhì)塊段模型

地質(zhì)塊段模型是三維可視化采掘進度計劃編制的基礎(chǔ)模型。MineSight軟件利用地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)的方法，采取網(wǎng)格模型與實體模型邊界套合的方式，通過計算機模擬估值計算后，將品位、巖性、比重賦入單元塊中形成塊段模型文件(15號文件), MineSight軟件根據(jù)不同的礦床類型，提供了多樣的地質(zhì)統(tǒng)計方法，包括變異函數(shù)法、距離平方反比法、克里克統(tǒng)計法、多邊形法、體積法等，以確保估值結(jié)果真實可靠。

3.2 MSAtlas屬性配置和采掘進度計劃編制

3.2.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

在 MSAtlas中進行三維采掘進度計劃編制 ，需要準(zhǔn)備的數(shù)據(jù)如下：

(1) 地質(zhì)塊模型(15號文件)：包含了礦體編號、品位、比重、單元塊位于地表以下的體積百分比和礦體占單元塊的體積百分比等屬性，它是統(tǒng)計礦石量、工程量的基礎(chǔ)。

(2) 巷道模型：根據(jù)生產(chǎn)進度計劃，用于統(tǒng)計工程量和作業(yè)時間信息。

(3) 礦體模型：用于計算生產(chǎn)進度計劃中的礦量及品位信息。

3.2.2 新建MSAtlas采掘進度計劃

新建MSAtlas工程項目(MSAtlas Project)，選擇項目創(chuàng)建方式、選擇鏈接的模板、命名項目名稱等，設(shè)置統(tǒng)計礦量、工程量時用到的約束條件，包括項目控制文件(MineSight 軟件中的 10#文件)、15#文件、比重、礦體百分比、邊界品位、采礦回采率等，以便于后續(xù)MSAtlas統(tǒng)計礦量及工程量。

3.2.3 項目屬性配置

MSAtlas Configuration 用于設(shè)置與生產(chǎn)計劃相關(guān)的技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)及其它約束條件，主要由以下8個部分構(gòu)成：

(1) 基本設(shè)置：設(shè)置項目的基本屬性、物料的體積松散系數(shù)、數(shù)據(jù)的顯示格式、與項目相關(guān)的塊模型水平等。

(2) 計劃周期：根據(jù)礦山生產(chǎn)的需要，設(shè)置生產(chǎn)計劃的起始時間，計劃的時間周期，如年、月、周等。

(3) 生產(chǎn)屬性：該窗口提供開放式的Python和C語言錄入平臺，用戶可以根據(jù)需要，自定義寫入各類用于生產(chǎn)技術(shù)管理的技術(shù)指標(biāo)、經(jīng)濟指標(biāo)、以及需要統(tǒng)計管理的礦山信息，并建立各類生產(chǎn)、技術(shù)、經(jīng)濟等指標(biāo)的邏輯關(guān)系。如設(shè)置井巷工程斷面信息及井巷工程進尺邏輯關(guān)系等。

(4) 作業(yè)類型：設(shè)置各作業(yè)活動的作業(yè)效率及其度量單位、是否顯示與之關(guān)聯(lián)的作業(yè)對象、是否參與儲量計算、是否與目的地有關(guān)聯(lián)、作業(yè)對象以何種方式顯示、選擇在甘特圖可見的工程屬性，以及動畫播放的約束條件等。

(5) 生產(chǎn)工藝：根據(jù)礦山生產(chǎn)工藝，將同一作業(yè)循環(huán)中的作業(yè)類型按一定的邏輯順序組合在一起，并在它們之間建立起聯(lián)系。如“采場回采”集合，按順序依次為：采場鑿巖→采場裝藥→采場爆破→采場出礦，各工藝對象的順序不可隨意更改，見圖2。

圖2“采場回采”集合設(shè)置

(6) 運輸路線：設(shè)置不同種類、品位、區(qū)域礦石和廢石的運輸路徑和卸載地點，參與運輸設(shè)備的數(shù)量等信息。

(7) 勞動組織：設(shè)置礦山工作制度和交接班時間；根據(jù)礦山的生產(chǎn)實際，設(shè)置計劃周期內(nèi)的國家法定節(jié)假日、設(shè)備保養(yǎng)時間、礦山檢查時間等非工作時間。

(8) 設(shè)備資源：設(shè)置執(zhí)行作業(yè)活動的設(shè)備的相關(guān)指標(biāo)，包括設(shè)備數(shù)量、設(shè)備完好率、設(shè)備利用率、設(shè)備效率和設(shè)備的檢修時間等；考慮礦山的生產(chǎn)實際，同一個采礦設(shè)備，其生產(chǎn)能力會隨著作業(yè)地點的不同而發(fā)生變動，因此，安排生產(chǎn)計劃時，尤其是短期計劃，需要根據(jù)實際情況分別設(shè)置設(shè)備的生產(chǎn)能力。

3.2.4 導(dǎo)入作業(yè)對象

項目屬性配置好之后，在MSAtlas界面，選擇作業(yè)類型，然后在MS3D視圖中依次導(dǎo)入作業(yè)對象。作業(yè)對象導(dǎo)入之后，基于井巷工程掘進和采場回采的單位生產(chǎn)能力，MSAtlas 會自動計算該作業(yè)對象需要的工作時間，并以甘特圖的形式反映出來，見圖3。

圖3生產(chǎn)計劃甘特圖

作業(yè)對象導(dǎo)入MSAtlas之后，可在甘特圖中查看編輯、計劃進度，通過動畫播放器模擬采礦和掘進活動以檢查計劃的合理性之外，還可通過MSAtlas將計劃的礦量、工程量以圖表形式直觀、形象地呈現(xiàn)出來，便于礦山技術(shù)人員及時優(yōu)化、調(diào)整計劃，進而優(yōu)化礦山工程設(shè)計和布局，以更好地指導(dǎo)生產(chǎn)。

3.2.5 生成報表和圖件

工程技術(shù)人員可以根據(jù)生產(chǎn)管理需要設(shè)置篩選參數(shù)，出具需要的采掘進度計劃表格和圖件，圖表信息包括生產(chǎn)日期、礦石量、廢石量、品位、作業(yè)地點、巷道進尺、巷道類型，方量、裝藥長度、裝藥量、鉆孔總長度等各類人員、設(shè)備、技術(shù)和經(jīng)濟信息，并可以按照日、月、年進行各類數(shù)據(jù)的統(tǒng)計。采掘進度計劃可直接輸出為CAD圖件和Excel表格文件，用于生產(chǎn)指導(dǎo)，為生產(chǎn)技術(shù)管理提供決策依據(jù)。

4 系統(tǒng)應(yīng)用結(jié)論

將MSAtlas用于貴州開磷礦業(yè)總公司的生產(chǎn)管理工程中，編制三維采掘進度計劃。相對于傳統(tǒng)的在CAD圖件和Excel表格中編制的采掘進度計劃，突顯出如下的優(yōu)勢：

(1) 系統(tǒng)提供了一個智能化、可視化的地下礦山采掘進度計劃編制平臺，可適時反映地下礦山生產(chǎn)及采場變化的情況，使礦山管理和設(shè)計工作變得直觀、快捷和方便。

(2) 系統(tǒng)可以根據(jù)不同的生產(chǎn)要求，快速生成不同的采掘進度計劃，可以在開放式的Python和C語言錄入平臺中，輸入影響礦山生產(chǎn)的各類地質(zhì)、人員、設(shè)備等參數(shù)后自動生成生產(chǎn)工藝方案、形成技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)。通過對比不同采掘進度計劃的經(jīng)濟技術(shù)指標(biāo)，選擇適合礦山當(dāng)前生產(chǎn)的最佳采掘進度計劃，為生產(chǎn)管理決策提供依據(jù)。

(3) 系統(tǒng)代替采礦設(shè)計人員完成在計劃編制過程中繁雜、重復(fù)性較強的數(shù)據(jù)計算、圖形繪制工作，大大提高了設(shè)計效率。

(4) 應(yīng)用MineSight Atlas軟件成功編制適應(yīng)于國內(nèi)地下礦山管理模式的三維采掘進度計劃，為礦山生產(chǎn)計劃編制提供新方法，提高礦山生產(chǎn)效率，同時也為國內(nèi)其它礦山編制三維采掘進度計劃提供了新思路，新選擇。

(5) 三維可視化采掘進度計劃與地質(zhì)模型的成功應(yīng)用，為礦業(yè)走向更深層次的可視化、智能化、無人化開采奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

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[4]荊永濱.地下礦山生產(chǎn)計劃三維可視化編制技術(shù)研究[D].長沙：中南大學(xué)，2007.

[5]董衛(wèi)軍．礦山生產(chǎn)計劃智能決策計算機系統(tǒng)[J].金屬礦山，2002(3)：10-12,16．

2017-07-24)