基于模擬開采技術(shù)的地下礦山三維可視化生產(chǎn)計(jì)劃編制

蔣成榮，彭平安，王李管

(1.攀枝花學(xué)院資源與環(huán)境工程學(xué)院，四川 攀枝花 617000；2.中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院，湖南 長沙 410083)

基于模擬開采技術(shù)的地下礦山三維可視化生產(chǎn)計(jì)劃編制

蔣成榮1，彭平安2，王李管2

(1.攀枝花學(xué)院資源與環(huán)境工程學(xué)院，四川 攀枝花 617000；2.中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院，湖南 長沙 410083)

生產(chǎn)計(jì)劃編制是地下礦山最為關(guān)鍵、最為重要的核心決策任務(wù)。針對(duì)傳統(tǒng)生產(chǎn)計(jì)劃編制過程中暴露出來的周期長、多部門交叉銜接難度大等諸多難題，提出基于模擬開采技術(shù)的三維可視化生產(chǎn)計(jì)劃編制方法，闡述了其相關(guān)原理和算法，并以北洺河鐵礦為例，利用DIMINE平臺(tái)，在建立三維實(shí)體模型和生產(chǎn)路徑的基礎(chǔ)上，以實(shí)際開采模型和井巷工程模型為編排對(duì)象，根據(jù)輸入的主要生產(chǎn)指標(biāo)和當(dāng)前生產(chǎn)現(xiàn)狀為約束條件，在三維空間中通過模擬開采技術(shù)與人機(jī)交互相結(jié)合，完成了北洺河鐵礦2014～2016年三年滾動(dòng)計(jì)劃的編制，并應(yīng)用于生產(chǎn)組織和管理。研究結(jié)果表明，該方法能夠顯著提高地下礦山生產(chǎn)計(jì)劃編制工作效率，為礦山高效計(jì)劃編制提供了新的途徑。

生產(chǎn)計(jì)劃；三維可視化；數(shù)字礦山；模擬開采

彭平安(1989—)，男，江西宜春人，博士研究生，主要研究方向?yàn)閿?shù)字礦山。Email：ping_an@outlook.com。

生產(chǎn)計(jì)劃編制工作是礦山生產(chǎn)經(jīng)營管理中的一項(xiàng)重要內(nèi)容，是對(duì)企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營進(jìn)行超前謀劃、制定生產(chǎn)經(jīng)營方案的重要依據(jù)[1]。科學(xué)合理的生產(chǎn)計(jì)劃編制，是實(shí)現(xiàn)企業(yè)穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)企業(yè)的長遠(yuǎn)規(guī)劃和和可持續(xù)發(fā)展的重要保障，對(duì)提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益也起著舉足輕重的作用。傳統(tǒng)的計(jì)劃編制在長期的生產(chǎn)經(jīng)營活動(dòng)中發(fā)揮了重要的作用，但隨著科技的進(jìn)步和企業(yè)的快速發(fā)展，也暴露出來許多弊端，如編制周期長、多部門交叉銜接難度大等諸多難題[2-3]。為了改變這一現(xiàn)狀，近些年來，伴隨著數(shù)字礦山在我國的興起，越來越多礦山在尋求利用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)礦山三維可視化計(jì)劃編制[4-6]。

本文以北洺河鐵礦為研究對(duì)象，在完成地質(zhì)模型、工程模型和采礦設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，對(duì)三維可視化高效計(jì)劃編制這一難題進(jìn)行了研究，并基于模擬開采技術(shù)、利用DIMINE三維礦業(yè)軟件完成了北洺河鐵礦2014～2016年三年滾動(dòng)計(jì)劃的編制。為地下礦山高效計(jì)劃編制提供了一種新途徑。

1 工程概況

該礦床埋藏于北洺河河床下，礦體埋深266～679m，地質(zhì)儲(chǔ)量7909萬t，Tfe品位49.79%，礦石中金屬礦物以磁鐵礦、黃鐵礦為主，伴有少量赤鐵礦、褐鐵礦、硫、鈷等，礦床產(chǎn)于燕山期閃長巖與奧陶紀(jì)石灰?guī)r接觸帶，為接觸交代型磁鐵礦床，地質(zhì)條件與水文地質(zhì)條件復(fù)雜[7]。

礦山采用無底柱分段崩落采礦法開采，分段高度15m，進(jìn)路間距18m，崩礦步距1.7m；用斗容4.0m3電動(dòng)鏟運(yùn)機(jī)出礦，出礦能力600t/班左右。

井下生產(chǎn)作業(yè)主要包括采準(zhǔn)、支護(hù)、中孔、采礦等工序，主要生產(chǎn)工序組織參數(shù)見表1所示。

表1 井下主要生產(chǎn)工序組織參數(shù)表

2 基于模擬開采技術(shù)的生產(chǎn)計(jì)劃編制原理與算法

生產(chǎn)計(jì)劃編制是地下礦山最為關(guān)鍵、最為重要的核心決策任務(wù)，決策任務(wù)是否科學(xué)合理，對(duì)礦產(chǎn)資源的綜合利用、企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和是否能夠持續(xù)均衡生產(chǎn)有著重大影響，直接關(guān)系到礦山企業(yè)在激烈的市場競爭中的前途和命運(yùn)[8]。

傳統(tǒng)的計(jì)劃編制首先確定年/月計(jì)劃的精礦產(chǎn)量，通過選比求得原礦處理量，遵循反推法則分別計(jì)算出采礦、中孔、掘進(jìn)作業(yè)量，根據(jù)全礦的生產(chǎn)組織和設(shè)備運(yùn)行情況，把全年的生產(chǎn)任務(wù)按月合理分配到每個(gè)施工單位，接著在橫道圖中進(jìn)行銜接擺布，檢測計(jì)劃編排的銜接關(guān)系和合理性。如果不合理就在橫道圖中進(jìn)行重新擺布，往往需要進(jìn)行多次調(diào)整，才能得出一份比較合理的生產(chǎn)計(jì)劃；并需要根據(jù)網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃圖完成上圖等工作。由此，傳統(tǒng)生產(chǎn)計(jì)劃編制的弊端可見一斑。

利用三維礦業(yè)軟件進(jìn)行計(jì)劃編制，以實(shí)際開采模型和井巷工程模型為編排對(duì)象，在建立掘進(jìn)、中深孔、采礦三維實(shí)體模型和生產(chǎn)路徑的基礎(chǔ)上，根據(jù)用戶輸入主要生產(chǎn)指標(biāo)和當(dāng)前生產(chǎn)現(xiàn)狀為約束條件，系統(tǒng)自動(dòng)編排，在三維空間中模擬生產(chǎn)者的空間運(yùn)動(dòng)關(guān)系；采用人機(jī)交互模式對(duì)作業(yè)場地間銜接順序進(jìn)行編排，建立起生產(chǎn)者空間運(yùn)動(dòng)拓?fù)潢P(guān)系網(wǎng)。對(duì)重點(diǎn)工程的安排，采用優(yōu)先級(jí)進(jìn)行調(diào)整，最后交由計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算、分析、調(diào)整、再計(jì)算，直到得出一個(gè)可行的最佳方案。計(jì)劃結(jié)果可通過三維動(dòng)畫、甘特圖以及報(bào)表等展示[9]。

生產(chǎn)計(jì)劃執(zhí)行過程的基本思想可以闡述為：生產(chǎn)計(jì)劃的編制是以周期為單位，系統(tǒng)執(zhí)行過程中，以初始時(shí)間為起點(diǎn)，取出第一個(gè)生產(chǎn)周期，確定該周期內(nèi)的生產(chǎn)者，并初始化生產(chǎn)者的位置。在進(jìn)行下一步之前需要判定生產(chǎn)者當(dāng)前從事活動(dòng)所依賴的活動(dòng)在該處當(dāng)時(shí)是否已經(jīng)完成，如未完成，則該生產(chǎn)者暫時(shí)處于空閑狀態(tài)，等待活動(dòng)完成；若已完成，則可進(jìn)行下一步，計(jì)算所需生產(chǎn)時(shí)間，并沿推進(jìn)方向計(jì)算推進(jìn)長度。推進(jìn)長度可分為兩種情形，一是長度超過實(shí)體末端，即該周期內(nèi)完成該實(shí)體任務(wù)后還有富余，這種情形下，該實(shí)體生產(chǎn)完成，并將結(jié)果寫入數(shù)據(jù)表中，同時(shí)需要查找候選施工場地，計(jì)算該周期的剩余時(shí)間，以剩余時(shí)間為基礎(chǔ)，再次計(jì)算推進(jìn)長度，若未查找到候選施工場地，則生產(chǎn)者暫時(shí)處于空閑狀態(tài)。推進(jìn)長度的第二種情形是未超過實(shí)體末端，此時(shí)需要對(duì)實(shí)體進(jìn)行分割處理，表示這一周期內(nèi)生產(chǎn)的任務(wù)完成情況，同時(shí)將結(jié)果寫入數(shù)據(jù)表中，再次計(jì)算下一周期，進(jìn)入循環(huán)，直至計(jì)劃時(shí)間全部完成，退出。整體算法流程如圖1所示。所提算法已在DIMINE軟件中得到實(shí)現(xiàn)。

3 工程應(yīng)用

DIMINE三維數(shù)字采礦系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于我國有色金屬礦山的地質(zhì)建模、儲(chǔ)量估算、測量驗(yàn)收、采礦設(shè)計(jì)工作中[10]，然而在生產(chǎn)計(jì)劃編制方面的應(yīng)用仍鮮見有報(bào)道。DIMINE生產(chǎn)計(jì)劃編制系統(tǒng)的基本功能構(gòu)架如圖2所示。

圖1 生產(chǎn)計(jì)劃執(zhí)行算法

圖2 生產(chǎn)計(jì)劃編制系統(tǒng)基本功能構(gòu)架

3.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

生產(chǎn)計(jì)劃數(shù)據(jù)模型是三維可視化計(jì)劃編制的基礎(chǔ)，將井下開采對(duì)象和井巷工程在三維空間中進(jìn)行模型的建立，使開采對(duì)象更具體形象，更有利計(jì)劃的編制。

計(jì)劃編制的數(shù)據(jù)要求如下：①根據(jù)發(fā)生在生產(chǎn)路徑上的各類生產(chǎn)活動(dòng)的特點(diǎn)，將生產(chǎn)活動(dòng)劃分為主體任務(wù)與派生任務(wù)。主體任務(wù)是指直接產(chǎn)生三維空間的生產(chǎn)活動(dòng)，派生任務(wù)發(fā)生在主體任務(wù)產(chǎn)生的三維空間中，不直接產(chǎn)生三維空間，卻與生產(chǎn)路徑線或橫斷面存在某種數(shù)學(xué)關(guān)系，如支護(hù)、中深孔等；②每個(gè)實(shí)體和路徑必須有一一對(duì)應(yīng)的實(shí)體名稱；③路徑線的方向盡量與生產(chǎn)推進(jìn)方向一致；④生產(chǎn)路徑相交處必須有交點(diǎn)存在；5)為了保證礦量的準(zhǔn)確性和唯一性，為整個(gè)礦體建立一個(gè)統(tǒng)一的塊段模型，可根據(jù)不同條件需要設(shè)定不同的次分級(jí)數(shù)，以便達(dá)到不同用途的精度要求。

根據(jù)北洺河鐵礦的生產(chǎn)實(shí)際，建立了井巷工程模型，中孔模型以及采礦模型，并分別采用線文件和體文件進(jìn)行管理。對(duì)每個(gè)實(shí)體和路徑進(jìn)行了一一對(duì)應(yīng)命名，建立計(jì)劃工程時(shí)將實(shí)體名稱及其他屬性字段進(jìn)行組合，完成場地名定義。

生產(chǎn)路徑主要指生產(chǎn)隊(duì)伍或設(shè)備的運(yùn)動(dòng)軌跡及推進(jìn)方向，利用井巷工程設(shè)計(jì)中心線、實(shí)測巷道中心線、采場中心線，以及其他能夠正確反映工程實(shí)體及其生產(chǎn)方向的線。三維實(shí)體主要指的是生產(chǎn)活動(dòng)的開采對(duì)象。巷道工程由設(shè)計(jì)中心線加固定斷面生成或者由實(shí)測數(shù)據(jù)直接生成；中潛孔和采礦三維實(shí)體描述中潛孔和爆破作業(yè)對(duì)象。

此外，將大量計(jì)劃編制所需要的原始資料和信息，全部存儲(chǔ)在塊段模型和實(shí)體模型中，省去了傳統(tǒng)生產(chǎn)計(jì)劃編制時(shí)繁瑣的數(shù)據(jù)反復(fù)查找和統(tǒng)計(jì)工作。

3.2 生產(chǎn)活動(dòng)銜接處理

生產(chǎn)任務(wù)之間的先后順序要遵循一定的邏輯和運(yùn)動(dòng)關(guān)系，一項(xiàng)活動(dòng)要開始施工，上一道工序的任務(wù)必須完成，同樣只有在它本身任務(wù)完成的情況下，它的后序活動(dòng)方可開展。

后繼、后序關(guān)系的標(biāo)定在三維空間中按照施工先后順序進(jìn)行，或者在生產(chǎn)場地屬性表中設(shè)置。如：某掘進(jìn)隊(duì)掘完1-2進(jìn)路巷道后接著施工1-3進(jìn)路，則該巷道的后繼場地是1-3進(jìn)路；再比如只有在某一進(jìn)路掘進(jìn)完成的情況下，方可打錨桿，同樣只有錨桿打完后方可噴漿，則錨桿的前驅(qū)是掘進(jìn)，后序是噴漿。

生產(chǎn)任務(wù)的后繼、后序銜接關(guān)系既可由用戶指定，也可由系統(tǒng)自動(dòng)分配。系統(tǒng)分配后繼、后序任務(wù)時(shí)，首先在用戶指定的搜索范圍內(nèi)搜索任務(wù)場地，然后按照優(yōu)先級(jí)、距離等條件排序，選出一個(gè)最合適的作為生產(chǎn)者的下一個(gè)任務(wù)。用戶可在“生產(chǎn)活動(dòng)匯總表”中為每一種生產(chǎn)活動(dòng)單獨(dú)指定搜索方案，也可在執(zhí)行計(jì)劃時(shí)設(shè)置統(tǒng)一的搜索方案。

同時(shí)為了確保重點(diǎn)工程能夠按時(shí)間順利完成，可把工程按類別和重要性進(jìn)行了系統(tǒng)的分類，對(duì)那些重點(diǎn)工程的優(yōu)先級(jí)設(shè)置的級(jí)別較高，讓計(jì)算機(jī)在運(yùn)算過程中優(yōu)先考慮安排。

3.3 三維運(yùn)動(dòng)拓?fù)渚W(wǎng)建立方法

在建立三維拓?fù)潢P(guān)系網(wǎng)之前，首先要對(duì)生產(chǎn)路徑線方向進(jìn)行調(diào)整，保證路徑線的方向盡量與生產(chǎn)推進(jìn)方向一致。

生產(chǎn)計(jì)劃三維運(yùn)動(dòng)拓?fù)渚W(wǎng)的建立，一方面可以通過系統(tǒng)自動(dòng)建立；也可以通過標(biāo)定后繼、后續(xù)關(guān)系，人機(jī)交互進(jìn)行建立。在人機(jī)交互建立運(yùn)動(dòng)拓?fù)潢P(guān)系網(wǎng)時(shí)，可以有效利用數(shù)據(jù)表格與空間數(shù)據(jù)的相互銜接，快速進(jìn)行相應(yīng)定位。

3.4 計(jì)劃的執(zhí)行

建立生產(chǎn)者空間運(yùn)動(dòng)拓?fù)潢P(guān)系網(wǎng)后，設(shè)置計(jì)算的相關(guān)參數(shù)，包含塊段模型、計(jì)算品位字段、比重字段等，最后執(zhí)行計(jì)劃，計(jì)算機(jī)會(huì)在空間范圍內(nèi)通過最大查找距離和最大查找個(gè)數(shù)及優(yōu)先級(jí)找到合理的施工場地。

執(zhí)行完畢后，“生產(chǎn)任務(wù)屬性表”中顯示出各任務(wù)的前驅(qū)、后繼、開始和結(jié)束時(shí)間、施工者以及完成總量。系統(tǒng)生成“周期單體匯總表”、“周期派生任務(wù)單體匯總表”及甘特圖，用戶可查看周期單體圖形和模擬動(dòng)畫。

3.5 計(jì)劃的修改

計(jì)劃編制的一個(gè)最大的特點(diǎn)就是它具有時(shí)間性，在三維環(huán)境中進(jìn)行計(jì)劃編制，一項(xiàng)重要的工作就是進(jìn)行前期的開采對(duì)象和工程建模，但隨著勘探深度和施工進(jìn)度的開展，可能對(duì)礦體的形態(tài)認(rèn)識(shí)會(huì)有新的變化，這就需要對(duì)工程進(jìn)行修改，當(dāng)工程修改完畢以后，就會(huì)出現(xiàn)計(jì)劃模型和現(xiàn)場不一樣，針對(duì)這一情況，探索研究了計(jì)劃數(shù)據(jù)的更新(將新的場地添加進(jìn)原有的三維實(shí)體文件和生產(chǎn)路徑文件中)，使得計(jì)劃數(shù)據(jù)保持最新狀態(tài)，保證了計(jì)劃編排的合理性。工程追加或每次計(jì)劃經(jīng)用戶調(diào)整之后，系統(tǒng)就會(huì)對(duì)新的計(jì)劃進(jìn)行重新計(jì)算，快速實(shí)現(xiàn)計(jì)劃的更新和修改。

3.6 計(jì)劃編制結(jié)果

計(jì)劃編制完畢后，利用動(dòng)畫、甘特圖、圖表等形象、直觀的表達(dá)結(jié)果。這樣不但可以在三維空間中直觀的對(duì)施工者的運(yùn)動(dòng)規(guī)律、施工部位的銜接關(guān)系進(jìn)行分析，也可以通過圖表進(jìn)行分析，為準(zhǔn)確、科學(xué)編制合理的計(jì)劃提供可操作的一種高效模式。

本次工作完成了北洺河鐵礦2014～2016年三年滾動(dòng)計(jì)劃的編制。

甘特圖又叫橫道圖，通過活動(dòng)列表和時(shí)間刻度形象地表示出項(xiàng)目的活動(dòng)順序與持續(xù)時(shí)間。它的橫軸表示時(shí)間，縱軸表示活動(dòng)(項(xiàng)目)，進(jìn)度條表示在整個(gè)期間計(jì)劃和實(shí)際的活動(dòng)完成情況，直觀地表明了任務(wù)計(jì)劃在什么時(shí)候進(jìn)行，及實(shí)際進(jìn)展與計(jì)劃要求的對(duì)比。

4 結(jié)論

1)生產(chǎn)計(jì)劃編制是地下礦山最為關(guān)鍵、最為重要的核心決策任務(wù)。針對(duì)傳統(tǒng)生產(chǎn)計(jì)劃編制過程中存在的弊端，提出基于模擬開采技術(shù)的三維可視化生產(chǎn)計(jì)劃編制方法，闡述了其相關(guān)原理和算法。

2)在三維可視化環(huán)境下編制生產(chǎn)計(jì)劃能夠清晰地反映礦山各要素在空間的分布情況，防止了經(jīng)驗(yàn)主義帶來的風(fēng)險(xiǎn)因素。

3)利用DIMINE完成了北洺河鐵礦2014～2016年后三年滾動(dòng)計(jì)劃的編制，并應(yīng)用于生產(chǎn)組織和管理。實(shí)踐結(jié)果表明，該方法顯著提高了地下礦山生產(chǎn)計(jì)劃編制工作的效率，為礦山高效計(jì)劃編制提供了新的途徑。

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3D visualization production planning in underground mining based on simulating technology

JIANG Cheng-rong1，PENG Ping-an2，WANG Li-guan2

(1.School of Resources and Environment Engineering，Panzhihua University，Panzhihua 617000，China；2.School of Resources and Safety Engineering，Central South University，Changsha 410083，China)

Production planning is the most important and critical tasks for underground mines.As the traditional production planning has many problems like taking long time，multi-sectoral cross convergence difficulty and so on，we proposed a production planning method based on 3D simulating，described its relevant principles and algorithms.Taking Beiminghe Iron Mine as an example，we choose DIMINE as the platform.Based on the 3D entity model and production path，the actual mining model and roadway engineering model are our main objects，thus，according to the main production index input and current production status as the constraint conditions，combining 3D simulating with human-machine mutual，we completed the three years rolling plan of Beiminghe Iron Mine from 2014 to 2016，and it’s applied in production organization and management.The results show that the proposed method significantly improves the work efficiency of production planning，thatprovides a new way for efficient planning of underground mining.

mining plan；3D visualization；digital mine；mining simulation

2014-08-21

國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)項(xiàng)目“地下金屬礦開采智能調(diào)度與控制”資助(編號(hào)：2011AA060407)

蔣成榮(1963-)，男，副教授，主要從事采礦理論、工程爆破等方面的研究。E-mail：pzhpdjiang@sina.com；

TD 853.36

A

1004-4051(2015)08-0152-05