趙 明，王忠鑫，王金金，曾祥玉

（中煤科工集團(tuán)沈陽設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧 沈陽 110015）

三維建模軟件的應(yīng)用在采礦設(shè)計(jì)中占有重要地位。三維建模軟件可以根據(jù)鉆孔數(shù)據(jù)等建立礦體模型，三維展現(xiàn)礦體位置和形態(tài)。進(jìn)而建立塊體模型，可以進(jìn)行儲(chǔ)量計(jì)算和刀量切割，并為后續(xù)開采設(shè)計(jì)創(chuàng)建基礎(chǔ)條件。三維建模已經(jīng)成為采礦設(shè)計(jì)中重要的技術(shù)手段，通過三維建模可以準(zhǔn)確、快速、方便的進(jìn)行采礦設(shè)計(jì)，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量[1]。

國內(nèi)三維建模軟件有3DMine 軟件等。3DMine軟件符合中國礦業(yè)行業(yè)規(guī)范和技術(shù)要求，有著與AutoCAD 相似的操作界面，應(yīng)用普遍[2]。

國外三維建模軟件包括Minex 軟件、Surpac 軟件和Vulcan 軟件等。其中Minex 軟件是由澳大利亞GEMCOM 國際礦業(yè)軟件公司研發(fā)的在礦業(yè)領(lǐng)域內(nèi)具有國際領(lǐng)先水平的大型數(shù)字化礦山工程軟件[3]。專門針對層狀礦床設(shè)計(jì)[4]，可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)建立多個(gè)煤層模型，并且高速高效[5]。主要的核心功能包括地質(zhì)、露天采礦設(shè)計(jì)和計(jì)劃、地下采礦3 大部分11 個(gè)功能模塊，主要有：鉆孔數(shù)據(jù)庫模塊、煤層模塊、露天礦設(shè)計(jì)模塊、儲(chǔ)量計(jì)算模塊、進(jìn)度計(jì)劃模塊、爆破設(shè)計(jì)模塊、選煤設(shè)計(jì)模塊、排土場設(shè)計(jì)模塊、地質(zhì)勘察模塊、成圖及效果顯示系統(tǒng)模塊[6]。

由于國外礦山煤層劃分多，根據(jù)鉆孔數(shù)據(jù)庫建立的煤層模型為純煤模型；國內(nèi)礦山煤層劃分相對較少，建立的煤層模型間含有夾矸。Minex 軟件利用國內(nèi)礦山鉆孔數(shù)據(jù)建模及設(shè)計(jì)，需要改善操作方式。

通過對模型建立和采礦設(shè)計(jì)過程中儲(chǔ)量報(bào)告、境界優(yōu)化和塊體模型等方面操作方式的改進(jìn)，提高了工作效率和精度。

1 儲(chǔ)量報(bào)告

Minex 軟件煤層建立后就可利用煤層模型直接進(jìn)行儲(chǔ)量報(bào)告，無需建立塊體模型后報(bào)告儲(chǔ)量。儲(chǔ)量報(bào)告的地質(zhì)煤要與地質(zhì)報(bào)告進(jìn)行比對核實(shí)，誤差太大需要檢查鉆孔數(shù)據(jù)、建模步驟等，改進(jìn)模型使地質(zhì)煤量誤差在3%以內(nèi)。這樣只是調(diào)整煤層模型，不用增加塊體模型的工作量。

1.1 地質(zhì)儲(chǔ)量

由于國外礦山數(shù)據(jù)建立的煤層模型為純煤模型，可以直接報(bào)告煤層頂?shù)装彘g的煤量作為地質(zhì)煤量。國內(nèi)礦山數(shù)據(jù)建立的煤層模型含有夾矸，夾矸又有無法像金屬礦內(nèi)矸石連成實(shí)體，通常采用含煤系數(shù)計(jì)算地質(zhì)煤量[7-10]。含煤系數(shù)法通過鉆孔數(shù)據(jù)整理出每個(gè)煤層的含煤系數(shù)，包括地質(zhì)煤系數(shù)，用于核實(shí)煤量；毛煤系數(shù)、夾矸系數(shù)，用于后期采礦設(shè)計(jì)。

鉆孔數(shù)據(jù)人工整理成系數(shù)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，如果計(jì)算原則變化，如小夾矸剔除厚度變化，需要重新進(jìn)行系數(shù)整理?？梢圆捎肊xcel VBA 編程進(jìn)行系數(shù)整理，可提高速度和精度，改變計(jì)算原則時(shí)，只需改變編程程序就可重新生成系數(shù)。

整理完系數(shù)后，確定系數(shù)名稱，可以作為煤質(zhì)指標(biāo)導(dǎo)入鉆孔數(shù)據(jù)庫，通過估值建立網(wǎng)格模型。儲(chǔ)量報(bào)告時(shí)添加地質(zhì)煤系數(shù)網(wǎng)格模型，報(bào)告煤量和地質(zhì)煤系數(shù)網(wǎng)格模型的均值相乘即為地質(zhì)煤量。

分煤層分鉆孔進(jìn)行系數(shù)計(jì)算，地質(zhì)煤系數(shù)計(jì)算公式如下：

式中：Cg為地質(zhì)煤系數(shù)；Lc為純煤厚度，m；Lb為大夾矸厚度，m；Ls為小夾矸厚度，m。

還可以用地質(zhì)煤系數(shù)網(wǎng)格模型和煤層厚度網(wǎng)格模型進(jìn)行乘法運(yùn)算，生成純煤厚度網(wǎng)格模型。純煤厚度網(wǎng)格模型和煤層底板網(wǎng)格模型進(jìn)行加法運(yùn)算，生成虛擬的純煤頂板網(wǎng)格模型。用生成的純煤模型直接進(jìn)行儲(chǔ)量報(bào)告。

1.2 儲(chǔ)量級別

煤層需要按儲(chǔ)量級別報(bào)量時(shí)，國外礦山采用JORK 準(zhǔn)則，按“測定的資源量”、“標(biāo)志的資源量”以及“推斷的資源量”分別進(jìn)行圈定。利用距離網(wǎng)格模型進(jìn)行儲(chǔ)量級別報(bào)量。

國內(nèi)礦山的儲(chǔ)量級別在煤層資源儲(chǔ)量圖中已圈定完成。可以先建立一個(gè)儲(chǔ)量級別網(wǎng)格模型，利用煤層資源儲(chǔ)量圖中儲(chǔ)量級別閉合線進(jìn)行儲(chǔ)量級別網(wǎng)格模型區(qū)分賦值。儲(chǔ)量報(bào)告時(shí)添加3 次儲(chǔ)量級別網(wǎng)格模型并確定最小最大值，最小最大值的取值范圍只包含1 個(gè)儲(chǔ)量級別的數(shù)值，報(bào)告煤量時(shí)就根據(jù)取值范圍區(qū)分儲(chǔ)量級別。

1.3 開采工程量

采礦設(shè)計(jì)時(shí)需要報(bào)告毛煤量，作為實(shí)際開采的煤量；報(bào)告煤層內(nèi)的剔除矸石量和損失煤量，作為剝離量。毛煤系數(shù)計(jì)算公式如下：

式中：Cr為毛煤系數(shù)；Lcl為煤層頂?shù)装迕簱p失厚度，m；Lbl為大夾矸頂?shù)装迕簱p失厚度，m；Nb為大夾矸個(gè)數(shù)；Dc為純煤密度，t/m3；Lcm為煤層頂?shù)装屙坊烊牒穸?，m；Lbm為大夾矸頂?shù)装屙坊烊牒穸?，m；Dr為矸石密度，t/m3。

實(shí)際開采時(shí)，煤層和大夾矸頂?shù)装寤蛘呙簱p失或者矸混入。報(bào)告煤量和毛煤系數(shù)均值相乘即為毛煤量。夾矸系數(shù)計(jì)算公式如下：

式中：R 為夾矸系數(shù)。

報(bào)告煤體積和夾矸系數(shù)均值相乘即為煤層內(nèi)剝離量。

2 境界優(yōu)化

境界優(yōu)化根據(jù)煤層頂?shù)装彘g煤量和煤層頂?shù)装逋鈩冸x量進(jìn)行收入和成本計(jì)算，進(jìn)行境界圈定。

國外礦山煤層模型可以直接進(jìn)行境界優(yōu)化。國內(nèi)礦山煤層模型直接進(jìn)行境界優(yōu)化，則煤量偏多，剝離量偏少，圈定的境界偏大；需要調(diào)整煤層空間結(jié)構(gòu)及密度網(wǎng)格模型后再進(jìn)行境界優(yōu)化。

調(diào)整后的煤層空間結(jié)構(gòu)在境界優(yōu)化過程中煤層頂?shù)装彘g為實(shí)際開采毛煤的體積，煤層頂?shù)装逋鉃閷?shí)際剝離體積。

2.1 毛煤厚度系數(shù)

首先進(jìn)行毛煤厚度系數(shù)計(jì)算，計(jì)算公式如下：

式中：Crs為毛煤厚度系數(shù)。

用毛煤厚度系數(shù)網(wǎng)格模型和煤層厚度網(wǎng)格模型進(jìn)行乘法運(yùn)算，生成毛煤厚度網(wǎng)格模型。或者用毛煤厚度系數(shù)和煤層厚度相乘值作為指標(biāo)直接生成毛煤厚度網(wǎng)格模型。

由此，境界優(yōu)化就可利用原煤層底板網(wǎng)格模型和毛煤厚度網(wǎng)格模型作為結(jié)構(gòu)模型。

2.2 毛煤密度系數(shù)

由于毛煤中含有矸石，原煤層密度偏小，要重新生成密度網(wǎng)格模型，保證毛煤質(zhì)量準(zhǔn)確。毛煤密度系數(shù)計(jì)算如下：

式中：Crd為毛煤密度系數(shù)。

用毛煤密度系數(shù)網(wǎng)格模型和煤層密度網(wǎng)格模型進(jìn)行乘法運(yùn)算，生成毛煤密度網(wǎng)格模型?；蛘哂妹好芏认禂?shù)和煤層密度相乘值作為指標(biāo)直接生成毛煤密度網(wǎng)格模型。

由此，境界優(yōu)化就可利用毛煤密度網(wǎng)格模型作為密度模型。

3 塊體模型

不同于其他三維建模軟件，如3DMine 軟件，直接確定塊體尺寸大小建立包含煤層和地表模型范圍的長方體式塊體模型。Minex 軟件通過臺(tái)階模型高度確定z 軸方向尺寸，通過條帶偏移寬度和塊體偏移寬度確定x 軸和y 軸方向尺寸。從邊界、條帶和塊體方面分步建立四棱臺(tái)式塊體模型。臺(tái)階模型工作幫臺(tái)階寬度和坡面角的設(shè)置，使Minex 軟件塊體模型建立和刀量切割同步進(jìn)行。

傳統(tǒng)方法是通過地表模型和復(fù)合底板確定臺(tái)階模型數(shù)量，通過地表境界線下推至復(fù)合底板或深部境界線上推至地表模型確定塊體模型范圍。由于境界線的不規(guī)則性和地表、底板模型標(biāo)高差異性，邊界線和條帶線進(jìn)行上推或下推時(shí)會(huì)出現(xiàn)邊界線重合、條帶線重合、條帶線在邊界線外面需要裁剪條帶線、條帶線不平直等問題。最終進(jìn)行塊體驗(yàn)證時(shí)，有時(shí)大量塊體無法通過驗(yàn)證，調(diào)整又花費(fèi)很長時(shí)間并且難度大，使報(bào)告儲(chǔ)量時(shí)煤量減少。同時(shí)境界調(diào)整時(shí)又需要重新進(jìn)行塊體建立，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

提出大范圍、規(guī)則邊界、平面建模方法，即采用包含境界的矩形邊界，上部約束模型采用高于地表模型的等標(biāo)高模型，下部約束模型采用低于復(fù)合底板的等標(biāo)高模型。由于上下部約束表面高差一致，分臺(tái)階進(jìn)行上推或下推時(shí)的邊界線和條帶線會(huì)在同一標(biāo)高，塊體驗(yàn)證時(shí)也比較容易通過。儲(chǔ)量生成時(shí)，只需通過地表模型和境界模型的約束就可形成境界儲(chǔ)量；境界范圍改變時(shí)，只需改變境界模型約束就可形成新的境界儲(chǔ)量。

儲(chǔ)量報(bào)告時(shí)，可分煤層報(bào)告總量；也可分臺(tái)階、條帶、塊體和煤層分塊報(bào)量。分臺(tái)階、條帶報(bào)告切割刀量后，還要把條帶量匯總，煤質(zhì)指標(biāo)和毛煤系數(shù)、夾矸系數(shù)加權(quán)平均，同樣可采用編程進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

4 實(shí)證研究

以芒來露天礦為研究實(shí)例，本礦煤層產(chǎn)狀平緩，傾角小，煤類為褐煤。煤層埋藏淺，含煤5 層，其中可采煤層為B 煤，C2、B2、B1、A2煤為不可采煤層。

4.1 儲(chǔ)量報(bào)告

采用地質(zhì)煤系數(shù)法和純煤模型法進(jìn)行B 煤地質(zhì)煤報(bào)量，地質(zhì)煤總量見表1。

表1 地質(zhì)煤總量

由表1 可知，地質(zhì)煤系數(shù)法計(jì)算的地質(zhì)煤量與地質(zhì)報(bào)告相差0.18%，純煤模型法計(jì)算地質(zhì)煤量與地質(zhì)報(bào)告相差0.09%，2 種方法地質(zhì)煤量差別不大，與地質(zhì)報(bào)告誤差在3%以內(nèi)，符合設(shè)計(jì)要求。

采用地質(zhì)煤系數(shù)法分儲(chǔ)量級別進(jìn)行B 煤地質(zhì)煤報(bào)量，儲(chǔ)量級別地質(zhì)煤量見表2。

表2 儲(chǔ)量級別地質(zhì)煤量

由表2 可知，儲(chǔ)量級別地質(zhì)煤量與地質(zhì)報(bào)告誤差也在3%以內(nèi)，符合設(shè)計(jì)要求。

4.2 境界優(yōu)化

本礦小夾矸剔除厚度為0.3 m，煤層頂?shù)装鍝p失煤厚度0.2 m，煤層頂?shù)装鍩o矸混入，大夾矸頂?shù)装迕簾o損失和矸無混入。B 煤毛煤厚度系數(shù)和毛煤密度系數(shù)部分由鉆孔計(jì)算數(shù)據(jù)得出（數(shù)據(jù)略）。

將原煤層模型和毛煤模型進(jìn)行境界優(yōu)化結(jié)果對比，境界對比圖如圖1。

圖1 境界對比圖

由圖1 可知，原煤層模型圈定的境界范圍偏大，開采時(shí)，圈定境界中的部分煤為剝離量，與實(shí)際不符。圈定的境界不經(jīng)濟(jì)。

4.3 塊體模型

芒來礦地表模型標(biāo)高最大為986.79 m，為地表模型標(biāo)高賦值987 m 創(chuàng)建上部約束模型；B 煤底板模型標(biāo)高最小為618.39 m，為B 煤底板模型標(biāo)高賦值618 m 創(chuàng)建下部約束模型。邊界采用包含地表境界的矩形閉合線。

采用從坡頂線到坡底線的方式形成各臺(tái)階邊界和條帶，其中條帶下推時(shí)根據(jù)臺(tái)階分次進(jìn)行，下推到下一坡頂線或坡底線，編號最小條帶在邊界外時(shí)刪除此條帶，并注意編號最大條帶是否有距離偏移1個(gè)條帶。臺(tái)階坡底線第1 個(gè)條帶在邊界外時(shí)，也要?jiǎng)h除本臺(tái)階坡頂線的條帶，保持兩者統(tǒng)一。

建立的最上臺(tái)階塊體模型和地表境界線，塊體模型圖如圖2。

由圖2 可知，建立的塊體模型范圍大于境界范圍，邊界線為規(guī)則閉合線。

圖2 塊體模型圖

5 結(jié)語

1）儲(chǔ)量報(bào)告中采用Excel VBA 編程進(jìn)行含煤系數(shù)等數(shù)據(jù)整理可提高速度和精度；分儲(chǔ)量級別報(bào)量可采用網(wǎng)格模型取值范圍確定。

2）采用毛煤厚度和密度進(jìn)行境界優(yōu)化，結(jié)果更接近實(shí)際。

3）塊體模型建立采用大范圍、規(guī)則邊界、平面建模方法，提高塊體驗(yàn)證通過率的同時(shí)，改變約束范圍可生成多個(gè)境界儲(chǔ)量。

4）實(shí)證研究表明，儲(chǔ)量報(bào)告結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求；毛煤模型圈定境界準(zhǔn)確可靠；采用新方法建立塊體模型方便有效。