高軍利

國(guó)家能源集團(tuán)準(zhǔn)能公司哈爾烏素露天煤礦安監(jiān)站 內(nèi)蒙古 鄂爾多斯010030

引言

可視化三維露天礦模擬開(kāi)采技術(shù)能夠充分優(yōu)化露天礦施工單位的生產(chǎn)與開(kāi)采流程，降低施工單位的作業(yè)成本并提升其經(jīng)濟(jì)收益?；诖耍瑢?duì)于可視化三維露天礦模擬開(kāi)采技術(shù)的研究有著重要意義。

一、建立開(kāi)采模型

(一)分層礦床模型。計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用于露天礦開(kāi)采工程，能夠有效幫助采礦工程師編制生產(chǎn)及開(kāi)采方案；其主要應(yīng)用為：借助地質(zhì)模型與地形模型的構(gòu)建，使用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)露天礦臺(tái)階的發(fā)展與形成過(guò)程進(jìn)行模擬，依照開(kāi)采、運(yùn)輸及排土作業(yè)流程的時(shí)空關(guān)系設(shè)置并優(yōu)化相應(yīng)的工作方案。為充分探究露天礦的模擬開(kāi)采問(wèn)題，應(yīng)在設(shè)立完畢的露天礦床模型的基礎(chǔ)上進(jìn)一步構(gòu)建可以精確反映露天礦開(kāi)采過(guò)程的露天礦開(kāi)采模型，該模型需要完全展現(xiàn)露天礦開(kāi)采工程的發(fā)展情況。在對(duì)露天礦進(jìn)行開(kāi)采的進(jìn)程中，通常將露天礦的采場(chǎng)劃分為具備相應(yīng)高度的傾斜或水平分層，并統(tǒng)稱為臺(tái)階。露天礦開(kāi)采的顯著特點(diǎn)表現(xiàn)為臺(tái)階開(kāi)采，露天礦的開(kāi)采過(guò)程會(huì)涉及復(fù)雜多變的各類礦山，而通過(guò)露天礦臺(tái)階的具體位置能夠相對(duì)準(zhǔn)確地展現(xiàn)各類礦山的約束關(guān)系以及工程進(jìn)展情況。基于此，需要在露天礦的地質(zhì)模型上借助計(jì)算機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)并建立了以露天礦臺(tái)階為基礎(chǔ)的分層式開(kāi)采模型。分層式露天礦開(kāi)采模型是將設(shè)計(jì)開(kāi)采的各個(gè)臺(tái)階都作為獨(dú)立單元，每個(gè)單元都涵蓋了眾多尺寸相同但高度不一的平面和網(wǎng)塊節(jié)點(diǎn)，不同單元中的網(wǎng)塊節(jié)點(diǎn)的高度會(huì)依照開(kāi)采進(jìn)程出現(xiàn)相應(yīng)的變化，但各單元的網(wǎng)塊平面具有相同的尺寸且尺寸恒定不變。將開(kāi)采模型內(nèi)的各分層依照高程次序以及平面坐標(biāo)相加就形成了整體的露天礦開(kāi)采模型。這是二維固定、變動(dòng)的開(kāi)采模型。

(二)三維分層模型。可視化三維開(kāi)采模型主要的設(shè)計(jì)目的是將露天礦采場(chǎng)的實(shí)際情況充分描述。在設(shè)計(jì)和建立相應(yīng)模型時(shí)充分結(jié)合露天礦的實(shí)際地質(zhì)條件，臺(tái)階的布置以及生產(chǎn)工藝等各方面因素。借助CAD軟件對(duì)圖形進(jìn)行處理并構(gòu)建可視化三維立體開(kāi)采模型。分層式三維立體開(kāi)采模型將整個(gè)露天礦的采場(chǎng)依照相關(guān)設(shè)計(jì)分割成若干單元，并在各單元內(nèi)部設(shè)置特征點(diǎn)作為傳遞露天礦信息的傳播載體；同時(shí)各單元的高程也表明露天礦臺(tái)階的高程。在對(duì)露天礦的實(shí)際項(xiàng)目狀況進(jìn)行綜合考慮后，依照下列方法建立開(kāi)采模型。在建立露天礦開(kāi)采模型前將臺(tái)階劃分方案、礦床、地質(zhì)模型以及露天礦地形模型調(diào)入，借助三維條件下的人機(jī)交互技術(shù)科學(xué)合理地對(duì)臺(tái)階進(jìn)行劃分。露天礦的臺(tái)階主要借助底盤(pán)和頂面模型進(jìn)行描述，而開(kāi)采模型的底盤(pán)與頂盤(pán)的信息是借助設(shè)置在露天礦臺(tái)階底面的信息載體進(jìn)行存儲(chǔ)的。因此，露天礦臺(tái)階模型的全部空間平臺(tái)組合成了三維分層開(kāi)采模型。

二、可視化三維露天礦模擬開(kāi)采技術(shù)

(一)模擬開(kāi)采?？梢暬S露天礦模擬開(kāi)采是指依照構(gòu)建的開(kāi)采模型對(duì)露天礦的開(kāi)采、運(yùn)輸以及排土作業(yè)流程和發(fā)展情況進(jìn)行模擬。同時(shí)觀察露天礦的巖煤量的變動(dòng)狀況并顯示工程進(jìn)展情況。例如對(duì)露天礦開(kāi)采工程當(dāng)中排土場(chǎng)的構(gòu)建，礦石、巖石的運(yùn)輸，露天礦臺(tái)階的形成進(jìn)行模擬并計(jì)算各類工程的作業(yè)量[1]?？梢暬S露天礦模擬開(kāi)采技術(shù)通過(guò)在項(xiàng)目采場(chǎng)的分層三維模型上對(duì)露天礦臺(tái)階的底線與坡頂進(jìn)行篩選，規(guī)劃相應(yīng)的計(jì)劃線；依照露天礦的線框三維模型對(duì)規(guī)劃出的計(jì)劃線進(jìn)行賦值，輸入相應(yīng)的高程數(shù)值并根據(jù)相應(yīng)的開(kāi)采參數(shù)擴(kuò)展規(guī)劃的計(jì)劃線；借助規(guī)劃的計(jì)劃線對(duì)影響該露天礦區(qū)內(nèi)的各個(gè)臺(tái)階的底線及頂線進(jìn)行截取，進(jìn)而形成露天礦整體的線框三維計(jì)劃模型；依照制定的線框三維計(jì)劃模型建立區(qū)域內(nèi)的礦區(qū)實(shí)體開(kāi)采模型，并將巖、煤等地質(zhì)模型通過(guò)實(shí)體的模式引入上述實(shí)體模型，借助露天礦的巖、煤實(shí)體地質(zhì)模型開(kāi)展相應(yīng)的布爾運(yùn)算得出露天礦各分層的巖、煤的實(shí)體模型。通過(guò)對(duì)實(shí)體地質(zhì)模型相應(yīng)數(shù)值的分析得出開(kāi)采工程的總工程量并制定相應(yīng)的工程表。

(二)模擬運(yùn)輸。通過(guò)對(duì)露天礦采場(chǎng)的線框三維模型的計(jì)算明確各分層坡道的具體參數(shù)，計(jì)劃修建的臺(tái)階數(shù)量以及各分層臺(tái)階的中心線。將計(jì)劃線設(shè)置為各分層單元的斜坡臺(tái)階的中心線并將斜坡臺(tái)階底線與計(jì)劃中心線的交點(diǎn)設(shè)定為各分層坡道的起點(diǎn)，依照各分層坡道的長(zhǎng)度計(jì)算出坡道終點(diǎn)；借助各分層坡道的具體參數(shù)與斜坡臺(tái)階底線進(jìn)行坡道中心線的計(jì)算，得出坡道三維中心線；依照坡道三維中心線計(jì)算出整體露天礦各分層坡道的線框三維模型，借助各分層坡道的線框三維模型與計(jì)劃中心線剪裁區(qū)域內(nèi)的坡斜坡臺(tái)階得到斜坡臺(tái)階的底線與頂線。通過(guò)坡道線框三維模型與計(jì)劃線計(jì)算得出相應(yīng)的計(jì)劃線框三維模型。施工單位的設(shè)計(jì)人員需要細(xì)致地檢查計(jì)劃線框三維模型，當(dāng)明確該模型并無(wú)疏漏且能充分滿足設(shè)計(jì)需求后，運(yùn)轉(zhuǎn)相應(yīng)的計(jì)算模塊[2]。依照計(jì)劃線框三維模型設(shè)置區(qū)域內(nèi)的計(jì)劃實(shí)體模型。并引入巖、煤的實(shí)體地質(zhì)模型，再次根據(jù)巖、煤實(shí)體地質(zhì)模型開(kāi)展布爾運(yùn)算得到本次巖、煤運(yùn)輸過(guò)程的工程量并制成相應(yīng)的表格。

(三)模擬計(jì)算。計(jì)算排土空間以及明確排土場(chǎng)位置是整體露天礦開(kāi)采工程的關(guān)鍵。借助可視化三維露天礦模擬開(kāi)采技術(shù)在露天礦線框三維模型的基礎(chǔ)上明確二維排土臺(tái)階的底線與頂線位置，依照二維排土臺(tái)階底線與頂線的數(shù)值明確其影響區(qū)域。對(duì)二維排土臺(tái)階頂線與底線進(jìn)行排列組合，同時(shí)裁剪露天礦的線框三維模型并進(jìn)行計(jì)算能夠確定計(jì)劃排土臺(tái)階的大致區(qū)域。借助影響區(qū)域內(nèi)的坡道臺(tái)階的底線與頂線進(jìn)行賦高程運(yùn)算得出排土場(chǎng)的計(jì)劃線框三維模型。與此同時(shí)，借助二維排土臺(tái)階的底線與頂線以及其影響區(qū)域設(shè)置露天礦排土場(chǎng)的實(shí)體地質(zhì)模型，通過(guò)計(jì)算露天礦排土場(chǎng)實(shí)體地質(zhì)模型的體積能夠得出露天礦排土場(chǎng)的排土空間進(jìn)而完成對(duì)排土空間的計(jì)算及排土場(chǎng)位置的確定工作。

結(jié)論

綜上所述，可視化三維露天礦模擬開(kāi)采技術(shù)借助CAD軟件作為圖形處理平臺(tái)以開(kāi)采模型為基礎(chǔ)建立了模擬開(kāi)采系統(tǒng)，對(duì)露天礦開(kāi)采工程的開(kāi)采、運(yùn)輸、排土等作業(yè)工序進(jìn)行模擬，設(shè)置出高效的工程方案，有效提升施工單位的作業(yè)效率，降低施工單位的成本，提高施工單位的經(jīng)濟(jì)效益。