SMCAD計算機輔助系統(tǒng)在紅沙泉北露天煤礦的應用

李雙（河南能源中聯(lián)潤世新疆煤業(yè)有限公司紅沙泉北露天煤礦， 新疆 昌吉 831800）

SMCAD計算機輔助系統(tǒng)在紅沙泉北露天煤礦的應用

李雙（河南能源中聯(lián)潤世新疆煤業(yè)有限公司紅沙泉北露天煤礦， 新疆 昌吉 831800）

數(shù)字化露天煤礦虛擬開采計算機輔助系統(tǒng)（SMCAD），是以礦山三維動態(tài)實體模型為基礎(chǔ)，緊密結(jié)合露天礦山的生產(chǎn)實際，以簡潔實用為目標，采用人機交互、計算機仿真手段，虛擬整個開采過程，對比分析采用不同的開采工藝、開采程序、開拓方式、開采參數(shù)等多個開采方案，從而獲得最為合理的開采方案。其最終目的在于為露天礦生產(chǎn)提供一個動態(tài)、直觀、立體的開采對象數(shù)字信息平臺以及功能強大而有效的采礦輔助設計系統(tǒng)，實現(xiàn)工程設計三維可視化，降低設計難度和設計人員的勞動強度，減少設計失誤，提高設計質(zhì)量，更有效地指導實際生產(chǎn)，提高露天礦技術(shù)管理水平和經(jīng)濟效益。

露天煤礦；SMCAD；設計；三維可視化

1　引言

近年來隨著數(shù)字地球、數(shù)字中國等概念的不斷涌現(xiàn)，“數(shù)字礦山”的概念也逐步得到推廣和實施。早在二十世紀八十年代，一些礦山企業(yè)、科研院所、大專院校就已經(jīng)開始探索計算機技術(shù)在礦山設計和生產(chǎn)中的應用，并開發(fā)了一些應用系統(tǒng)軟件。九十年代后，隨著國家信息化的高速發(fā)展和市場環(huán)境的變化，礦山信息化進入快速發(fā)展階段，圍繞著如何提高礦山生產(chǎn)效率和管理效率、降低開采成本、提高礦山開采的技術(shù)水平和生產(chǎn)能力等開展了大量的研究，數(shù)字露天礦作為數(shù)字礦山的重要分支，也成為我國各大露天礦的數(shù)字化進程中的重要研究內(nèi)容。

紅沙泉北露天煤礦資源儲量豐富，開采條件優(yōu)越，設計的開采工藝和技術(shù)裝備先進，有條件建設一流的高產(chǎn)高效現(xiàn)代化露天煤礦。在露天礦開發(fā)過程中，涉及到地質(zhì)信息的科學預測、地質(zhì)儲量管理與預報、剝采排工程的優(yōu)化控制設計、生產(chǎn)計劃編制和優(yōu)化調(diào)整、剝采排工程量的精準化驗收等技術(shù)管理工作。對于如此巨大而復雜的生產(chǎn)技術(shù)管理工作，傳統(tǒng)的工程技術(shù)管理方法遠不能適應現(xiàn)代化露天礦管理的技術(shù)需求，在尋求先進的技術(shù)方法和手段，實現(xiàn)建設安全、經(jīng)濟、高產(chǎn)、高效現(xiàn)代化露天礦的目標的過程中，引進了由遼寧工程技術(shù)大學露天開采研究所，礦業(yè)及軟件專家們共同研究開發(fā)出的基于三維輔助設計，具有國內(nèi)先進水平的礦山數(shù)字化軟件系統(tǒng)（SMCAD），在實際使用過程中切實有效的解決了諸多技術(shù)問題。

2　SMCAD的組成

該軟件以三維實體構(gòu)模為核心，以AutoCAD為基礎(chǔ)平臺運用VBA進行二次開發(fā)而成。主要由地質(zhì)信息管理系統(tǒng)、測量驗收系統(tǒng)、采礦計劃三部分構(gòu)成。系統(tǒng)的主要構(gòu)成如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)主要構(gòu)成

三維實體構(gòu)模技術(shù)作為軟件的核心，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的可視化編輯，在整套系統(tǒng)中承擔支撐作用。考慮到軟件的通用性，SMACAD與國內(nèi)主流制圖軟件AutoCAD實現(xiàn)了無縫兼容，并兼顧以往工程技術(shù)資料二維到三維完美自動轉(zhuǎn)換，同時增加了外部文本和Excel數(shù)據(jù)導入生成數(shù)據(jù)圖形及數(shù)據(jù)格式化輸出的接口，增強了軟件的實用性。

（1）地質(zhì)信息管理系統(tǒng)在對原始鉆孔數(shù)據(jù)、地質(zhì)平/剖面圖數(shù)據(jù)、地質(zhì)界面等值線數(shù)據(jù)、斷層數(shù)據(jù)分析處理的基礎(chǔ)上，建立了動態(tài)地質(zhì)數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)了地質(zhì)數(shù)據(jù)的可視化管理。采用包絡面固化成體技術(shù)構(gòu)建露天礦地形模型、地質(zhì)模型，真實表達礦區(qū)地形地貌、煤巖層賦存特征。同時利用地質(zhì)寫實數(shù)據(jù)和生產(chǎn)補勘信息可對集成模型進行動態(tài)的更新與修改，以地質(zhì)模型為基礎(chǔ)進行儲量計算、煤質(zhì)分析、地質(zhì)出圖表等，為采礦設計與生產(chǎn)提供相對精確可靠的地質(zhì)信息資料。其詳細功能如表1所示。

表1　地質(zhì)信息管理系詳細功能

（2）測量驗收系統(tǒng)支持多格式數(shù)據(jù)點的導入，實現(xiàn)了實測數(shù)據(jù)AutoCAD之間的數(shù)據(jù)與圖形互換功能，從而使測量內(nèi)業(yè)工作變得更加直觀、便捷。在該功能中，工程技術(shù)人員可快速形成不同形式下的三維成果，包括建立地表DEM模型（見圖2）和生成等值線、露天礦現(xiàn)狀和掘進坑道模型，采動區(qū)域內(nèi)的煤、巖工程量分類計算，快捷、準確的完成工程驗收。其詳細功能如表2所示。

（3）生產(chǎn)計劃系統(tǒng)。生產(chǎn)計劃子系統(tǒng)是上述兩個系統(tǒng)的信息數(shù)據(jù)接收端，以露天礦三維集成實體模型為基礎(chǔ)，利用層間組合與定位顯示的方法進行露天礦的虛擬開采，實現(xiàn)了采、運、排工程量計算和具體的工程位置計劃安排，并同時自動生成圖形和數(shù)值結(jié)果。

圖2　露天礦DEM模型

表2　測量驗收系統(tǒng)詳細功能

3　實際使用效果

下面就SMCAD在紅沙泉北露天煤礦解決實際問題情況對其功能實際效果進行演示。

3.1工程量驗算精度比較

由于實際工程地貌的復雜性，在計算其真實體積的過程中難免會產(chǎn)生誤差，所以技術(shù)組取一個理想狀態(tài)下的規(guī)則體，本次以長寬高分別為180、100、100的規(guī)則長方體為實例，選用SMCAD和其他具有同類功能的軟件進行計算結(jié)果對比，過程中沿上述長方體對角線按臺階坡面角45°、平盤寬度20將長方體分割成體積相同的兩塊，模擬出露天礦山邊坡的形狀。利用SMCAD三維實體技術(shù)將上述長方體展示如圖3所示。

圖3　計算用長方體

計算方法的選擇上，SMCAD以三維實體方法計算體積，其他同類功能軟件以網(wǎng)格法計算體積，計算結(jié)果對比如表3所示。

表3　體積計算結(jié)果對比

從計算結(jié)果上不難看出，兩款軟件的計算結(jié)果中總體積都與實際吻合，但是分別算上下兩塊時另外一款運用網(wǎng)格法計算的結(jié)果與實際體積存在誤差，而且隨網(wǎng)格寬度的增大誤差增大。

3.2地質(zhì)儲量校正

紅沙泉北露天煤礦現(xiàn)在開采的B2煤層西部露頭位置勘探程度低，屬于333推斷資源，可信度低，在工程實際中煤層貯存的深度及煤層厚度與勘探報告有較為明顯的出入，導致采剝關(guān)系不均衡、工程布局不合理。在引進SMCAD系統(tǒng)后，利用系統(tǒng)的地質(zhì)信息管理模塊，根據(jù)現(xiàn)狀采集頂?shù)装妩c標高結(jié)合勘探鉆孔的數(shù)據(jù)采用距離冪次反比法進行格網(wǎng)內(nèi)插值，最終形成更接近真實的煤層模型，解決了因勘探程度低對工程施工產(chǎn)生的問題。過程如圖4。

圖4　B2煤層模型建立過程

4　結(jié)語

通過學習、分析、使用，筆者認為SMCAD為露天礦設計和生產(chǎn)計劃提供了一個高效可靠的三維可視化的軟件平臺，實現(xiàn)了不規(guī)則礦床實體模型的快速、準確構(gòu)建和更新，改善了露天煤礦日常的地質(zhì)測量驗收、生產(chǎn)計劃編制設計的技術(shù)手段，提高了工作效率和剝采排工程計劃的設計質(zhì)量，達到了提高露天礦綜合管理水平和經(jīng)濟效益的目的，對露天礦安全、高效生產(chǎn)具有重要指導意義和實用價值。

［1］陳建宏，古德生，周智勇.礦山數(shù)字化技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展方向［J］.中國煤炭物資供應，2013（6）.

［2］張壽濤.3DMine礦業(yè)工程軟件在勝利露天煤礦的應用［J］.露天采礦技術(shù)，2011（4）.

［3］孫前芳，劉光偉，趙浩.三維可視化建模技術(shù)在露天礦中的應用［J］.采礦技術(shù)，2010，10（6）.

［4］柴修偉，李耀基，方世祥.大型露天磷礦數(shù)字礦床系統(tǒng)［J］.武漢工程大學學報，2013，35（9）.

［5］劉光偉，白潤才，曹蘭柱.基于AutoCAD的露天礦三維地質(zhì)模型的三維可視化構(gòu)建方法［J］.世界科技研究與發(fā)展，2008，30（6）.

李雙，2009年本科畢業(yè)于內(nèi)蒙古科技大學采礦工程專業(yè)，現(xiàn)攻讀遼寧工程技術(shù)大學露天采礦專業(yè)工程碩士。