3Dmine礦業(yè)工程軟件在礦山數(shù)字化制圖中的應(yīng)用

陳 功，趙銀燕

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3Dmine礦業(yè)工程軟件在礦山數(shù)字化制圖中的應(yīng)用

陳 功，趙銀燕

(湖南郴州柿竹園有色金屬有限責(zé)任公司，湖南 郴州市 423037)

根據(jù)柿竹園柴山鉬鉍鎢多金屬礦資源儲(chǔ)量評(píng)估報(bào)告，結(jié)合長沙礦山研究院設(shè)計(jì)的《柴山鉬鉍鎢多金屬礦采選技改工程》初步設(shè)計(jì)，柿竹園公司決定實(shí)施柴山鉬鉍鎢多金屬礦采選技改3000 t/d工程建設(shè)項(xiàng)目。為了該項(xiàng)目的順利建設(shè)，公司引進(jìn)國內(nèi)礦業(yè)工程軟件3Dmine，柴山工區(qū)技術(shù)組利用該軟件結(jié)合現(xiàn)有的資料及圖紙，在此項(xiàng)目建設(shè)中發(fā)揮了巨大的作用。結(jié)合井下的實(shí)際情況針對(duì)工程應(yīng)用進(jìn)行了典型總結(jié)，為進(jìn)一步發(fā)揮該軟件在礦山其它領(lǐng)域的效用提供一定的參考及建議。

3Dmine；礦山數(shù)字化；工程制圖；三維模型

0 概 述

柴山鉬鉍鎢多金屬礦是柿竹園有色金屬有限責(zé)任公司的一個(gè)重點(diǎn)礦區(qū)。設(shè)計(jì)采選礦石量為3000t/d。其主要礦產(chǎn)品包括鉬精礦、鉍精礦、白鎢精礦、螢石精礦；綜合回收黑鎢精礦、硫精礦、鐵精礦。根據(jù)柿竹園礦64~76號(hào)勘探線，此處為矽卡巖型礦床，整個(gè)礦區(qū)礦體賦存于花崗巖與灰?guī)r的接觸帶中。礦體分布較為集中，埋藏不深，走向大致呈NNE，總傾向SEE，走向長465 m，水平最寬398 m，最大真厚153.56 m，傾角10~39°，呈透鏡狀、扁豆?fàn)?，由中心向南北及東西方向逐漸變薄或尖滅，整個(gè)礦體上貧下富。根據(jù)湖南省湘南地勘院儲(chǔ)量報(bào)告，礦區(qū)總體資源儲(chǔ)量(332+333)為2133.6×104t。開拓系統(tǒng)為膠帶斜井+斜坡道開拓。井下中段按每50 m標(biāo)高劃分為一個(gè)中段，全礦區(qū)共劃分為550，500，450，400，350，300 m六個(gè)中段。

1 礦區(qū)地形圖轉(zhuǎn)換

柿竹園礦區(qū)采用湖南省第一測(cè)繪院施測(cè)的1:500地形圖，該院提供的圖紙為.dwg的CAD圖，采用平面坐標(biāo)系統(tǒng)為1954年北京坐標(biāo)系，其中央子午線經(jīng)度為114°00′00″；高程系為1985國家高程基準(zhǔn)。而柿竹園現(xiàn)有的井下工程全部采用柿竹園獨(dú)立坐標(biāo)系統(tǒng)，其中央子午線經(jīng)度為114°00′00″；高程系統(tǒng)為柿竹園獨(dú)立高程系統(tǒng)，故存在地形圖轉(zhuǎn)換問題。其平面的換算公式(計(jì)算前值減去2800 km，值減去38400 km)為：

=′·cos′?′·sin′+′+2800000

=′·cos′+′·sin′+′+38400000

柿竹園獨(dú)立坐標(biāo)系和國家坐標(biāo)系參數(shù)見表1。

表1 坐標(biāo)參數(shù)

高程差為獨(dú)立=國家+2.45 m。

在圖形中找到4個(gè)拐點(diǎn)，根據(jù)計(jì)算公式計(jì)算得出4個(gè)拐點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的獨(dú)立坐標(biāo)系坐標(biāo)。將CAD圖紙導(dǎo)入3Dmine軟件中，再將4個(gè)拐點(diǎn)坐標(biāo)導(dǎo)入圖紙中，通過平移、旋轉(zhuǎn)角度和再一次進(jìn)行方向設(shè)置移動(dòng)參數(shù)+2.45即可批量轉(zhuǎn)換地形圖，得到柿竹園獨(dú)立坐標(biāo)系統(tǒng)圖紙，保存為相對(duì)應(yīng)的.3ds線文件和.3dm體文件，圖紙即可應(yīng)用于礦井實(shí)際生產(chǎn)系統(tǒng)中。

2 斜坡道開口的填挖方計(jì)算

在井下開拓系統(tǒng)中，斜坡道是作為井下廢石、人員上下作業(yè)、材料、設(shè)備、大型無軌設(shè)備運(yùn)輸、新鮮風(fēng)流、安全逃生出口等作用的主要通道。設(shè)計(jì)圖紙中斜坡道窿口位于原490 m老東波山平窿窿口西南約80 m處，采用1/3三心拱斷面，斷面規(guī)格為4.5 m×3.8 m，凈斷面15.67 m2。窿口位于山腰上，有大量植被覆蓋并且浮土層較厚，為了消除施工帶來的安全隱患，必須剝離浮土。根據(jù)長沙礦山研究院提供的斜坡道工程設(shè)計(jì)，要求窿口加強(qiáng)段的最小支護(hù)長度不得小于5 m，所以還存在部分石方的開挖。測(cè)量技術(shù)工作者在施工前必須對(duì)斜坡道中心軸線及其周邊的土石方開挖范圍進(jìn)行測(cè)設(shè)，并用木樁加紅繩做好土石方開挖線的標(biāo)志。在松方剝離的施工作業(yè)完成后必須對(duì)改變的地形進(jìn)行坐標(biāo)數(shù)據(jù)實(shí)測(cè)，并將數(shù)據(jù)保存好。同理，在石方剝離施工作業(yè)完成后也必須對(duì)地形進(jìn)行實(shí)測(cè)，并用另外的文件名保存好。根據(jù)實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)以及采用轉(zhuǎn)換好的3DMine圖形、松方實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)形成的DTM面、石方實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)形成的DTM面在3DMine中分別進(jìn)行土石方方量計(jì)算。在3Dmine中用命令測(cè)量-體積計(jì)算-三角網(wǎng)法根據(jù)命令進(jìn)行操作，還可以選定“實(shí)體報(bào)告”還能形成CAD驗(yàn)收實(shí)測(cè)圖，也可以形成EXCEL的驗(yàn)收表格(根據(jù)計(jì)算的體積，在進(jìn)行松方驗(yàn)收時(shí)特別注意考慮松方的松散系數(shù))。3Dmine軟件中，可以利用創(chuàng)建-剖面命令實(shí)時(shí)得到你想要的任何軸線的剖面圖，更能直觀、方便觀測(cè)各個(gè)方位的剖面圖。

3 一般巷道的挑頂剎幫量計(jì)算

根據(jù)柿竹園64~76號(hào)勘探線勘探出來的結(jié)果，為進(jìn)一步揭露井下實(shí)際礦體情況，原設(shè)計(jì)了井下350~500 m的3#斜井，每50 m一個(gè)中段的500，450，400，350 m標(biāo)高4個(gè)中段，以70號(hào)勘探線為東西方向，每間隔100 m向南北方向掘進(jìn)斷面為2.7 m×2.7 m的三心拱探礦巷道。新設(shè)計(jì)的開拓采準(zhǔn)巷道工程為4.0 m×3.8 m的三心拱斷面，能利用原有探礦巷進(jìn)行采準(zhǔn)工程設(shè)計(jì)，必須對(duì)原巷道進(jìn)行剎幫，特別是主巷道與分支巷道的交叉口剎幫，利用全站儀對(duì)原巷道及現(xiàn)有巷道進(jìn)行無覘標(biāo)免棱鏡數(shù)字化采集，將采集的坐標(biāo)數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)線傳入電腦中并保存為.dat格式的數(shù)據(jù)文件，在3Dmine界面中文件-文件導(dǎo)入-CASS數(shù)據(jù)。由于測(cè)量坐標(biāo)系是用高斯平面直角坐標(biāo)系與數(shù)學(xué)卡迪爾平面坐標(biāo)系的X軸與Y軸剛好相反。所以在“南方CASS高程數(shù)據(jù)導(dǎo)入”的命令界面中選定相應(yīng)的數(shù)據(jù)增加量38410000，增加量2840000，才能與礦區(qū)井上井下圖紙相匹配。

例如礦區(qū)井下400中段主運(yùn)輸巷與S1-24采場出礦平巷的岔道處于矽卡巖礦體與花崗巖接觸帶，導(dǎo)致處于花崗巖墻內(nèi)的巷道極其不穩(wěn)定，頂板已部分冒落，巷道斷面變得極不規(guī)整，為保證生產(chǎn)安全，必須對(duì)此處進(jìn)行混凝土支護(hù)設(shè)計(jì)。加上S1-24采場出礦平巷是在原來S1-1探礦平巷通過剎幫達(dá)到其設(shè)計(jì)規(guī)格，其施工斷面是2.7 m×2.7 m擴(kuò)幫成4.0 m×3.8 m三心拱形狀，在3Dmine中用測(cè)量-地下測(cè)量-導(dǎo)線點(diǎn)為腰線賦值，根據(jù)原有巷道的導(dǎo)線點(diǎn)的高程分別對(duì)主巷和S1-1巷道賦腰線值，下一步地下-巷道模型-腰線巷道模型，分別設(shè)置好對(duì)應(yīng)三心拱腰高與拱高參數(shù)，成立巷道模型。根據(jù)采礦設(shè)計(jì)此處剎幫支護(hù)界限截取所要計(jì)算的區(qū)域?qū)嶓w(見圖1)。利用全站儀采集的測(cè)量數(shù)據(jù)導(dǎo)入3Dmine中，圈定頂板邊界線，在3Dmine中用表 面?生成DTM表面，生成頂部三角網(wǎng)；同樣的方法生成頂板DTM面；巷道邊則用實(shí)體-連接三角網(wǎng)-閉合線之間連三角網(wǎng)，閉合線則選定巷道頂板邊界線和底板邊界線，檢查優(yōu)化后利用實(shí)體-實(shí)體編輯-合并三角網(wǎng)命令，即可形成井下實(shí)際剎幫后的巷道模型(見圖2)。在同一邊界線中得到兩實(shí)體的體積即可算出此處剎幫量，真實(shí)客觀反應(yīng)了現(xiàn)場的實(shí)際情況，最后將修改好的圖形在總圖中修改，即可得到生產(chǎn)最新的實(shí)測(cè)圖。

圖1 剎幫前的巷道模型及剎幫界限

圖2 實(shí)際剎幫后的巷道模型

4 3Dmine軟件在采準(zhǔn)、鑿巖、爆破過程中的應(yīng)用

4.1 采區(qū)布置和采場結(jié)構(gòu)

井下沿礦體走向自南向北按勘探線間距設(shè)盤區(qū)運(yùn)輸巷，將采區(qū)劃分為盤區(qū)，盤區(qū)間柱寬20 m。每個(gè)盤區(qū)內(nèi)再劃分礦房和礦柱，寬均為15 m，分布在盤區(qū)巷兩側(cè)。礦房礦柱按“田”字布置，結(jié)構(gòu)參數(shù)為長(50~75) m×寬15 m×高50 m(個(gè)別礦房與礦柱中段高100 m)。采準(zhǔn)工程有盤區(qū)運(yùn)輸巷、鑿巖硐室、出礦平巷、裝礦進(jìn)路、脈外回風(fēng)巷；切割工程有拉底平巷(塹溝)、切割天井、切割槽。

目前已經(jīng)有幾個(gè)采場做完采準(zhǔn)工程，以400-450中段N1-7采場為例，采場規(guī)格長74 m×寬15 m×高50 m，其裝礦進(jìn)路(10條)和出礦平巷(長90 m)規(guī)格為4.0 m×3.8 m，切割橫巷(長12 m)和塹溝(長79 m)規(guī)格為4.0 m×3.0 m，采場內(nèi)分布有普通導(dǎo)線點(diǎn)。根據(jù)導(dǎo)線點(diǎn)及施工規(guī)格，在3Dmine中成立巷道模型應(yīng)該分別采用不同的規(guī)格參數(shù)，根據(jù)成圖經(jīng)驗(yàn)，可以根據(jù)實(shí)測(cè)底板邊界線，利用“工具?線的操作?兩線中線/繪制中線”，在兩線中線和繪制中線命令中靈活轉(zhuǎn)換運(yùn)用，使巷道的中心線更真實(shí)，然后再利用“地下?巷道模型?由中線生成”設(shè)置不同的模型參數(shù)，即可形成真實(shí)的巷道模型。

4.2 YGZ-90鉆爆破拉底

選用YGZ-90鉆機(jī)，在拉底平巷及分段鑿巖巷內(nèi)鑿上向扇形中深孔，孔徑Φ60 mm，排距1.5 m，孔底距1.5~2.0 m。在大直徑深孔階段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法中，礦房拉底平巷內(nèi)采用YGZ-90型鉆機(jī)打上向扇形中深孔，爆破拉底形成“V”形槽；礦房頂部鑿巖硐室內(nèi)采用國產(chǎn)CS-150高壓潛孔鉆機(jī)打下向平行深孔。在分段鑿巖階段空?qǐng)鏊煤蟪涮罘ㄖ?，選用YGZ-90型中深孔鉆機(jī)鑿巖。采用BQF-100型裝藥器往中深孔內(nèi)輸送粒狀改性銨油炸藥，非電導(dǎo)爆起爆系統(tǒng)。先以切割井及切割橫巷為自由面，利用中深孔爆破形成切割立槽，然后以切割立槽為自由面全斷面?zhèn)认虮赖V。采礦時(shí)，每次爆2~3排孔，上分段超前下分段2~3排炮孔，可多分段同時(shí)側(cè)向崩礦，形成梯段工作面。

400-450中段N1-7采場下端采用扇形中深孔拉底，采場共設(shè)計(jì)施工52排炮孔。利用全站儀設(shè)備測(cè)設(shè)出采場鉆孔中線的起點(diǎn)和終點(diǎn)，結(jié)合皮尺/鋼卷尺，根據(jù)設(shè)計(jì)的孔排間距參數(shù)放樣出每排鉆機(jī)的中心點(diǎn)，并用紅色油漆在拉底巷道的底板及頂板做好標(biāo)記。P1~P3排炮孔布設(shè)在切割橫巷內(nèi)，每排孔間隔1.2 m形成1排7.5 m高的垂直炮孔，每排布設(shè)有14個(gè)垂直炮孔。在3Dmine中利用“地下?中深孔爆破?布置平行孔”設(shè)計(jì)，并設(shè)置好炮孔參數(shù)。在P4~P52排設(shè)置的是7.5 m高的扇形中深孔，利用“地下?中深孔爆 破?布置扇形孔”設(shè)計(jì)，同樣設(shè)置好炮孔參數(shù)。根據(jù)參數(shù)現(xiàn)場放樣炮孔，在施工完炮孔后將真實(shí)角度的炮孔利用測(cè)距儀及坡度規(guī)驗(yàn)收，52排中深孔爆破后形成了10.5 m高的“V”型槽。爆破后的礦用鏟運(yùn)車裝礦運(yùn)往1#、2#溜礦井，當(dāng)?shù)V石量全部運(yùn)完后，利用全站儀測(cè)出“V”型槽空間，并用3Dmine形成實(shí)體模型，并計(jì)算此次爆破的礦石立方量。

4.3 CS-150鉆施工及爆破

該礦體采礦方法為大直徑深孔階段礦房嗣后充填采礦法及分段鑿巖階段礦房嗣后充填法。此法既能保護(hù)地表不塌陷，又能較好地開發(fā)利用地下資源，礦石的回采率較高，同時(shí)減少尾礦庫的危害。礦塊主要分布在400-500中段，礦塊采用隔一采一的回采方式。鑿巖選用CS-150高壓潛孔鉆機(jī)，在鑿巖硐室內(nèi)以(2.6~3.0) m×(3.0~3.5) m的網(wǎng)度鑿下向平行垂直孔，靠鑿巖硐室兩側(cè)的邊孔鑿成微斜孔，孔徑Φ165 mm，孔深＜50 m。最后爆下的礦石集中在“V”型塹溝底部結(jié)構(gòu)，采用4 m3鏟運(yùn)機(jī)裝礦，經(jīng)出礦巷道和盤區(qū)運(yùn)輸巷運(yùn)至采區(qū)主溜井。

400-450中段N1-7采場在形成10.5 m高的“V”型槽后，其上部采用大直徑深孔鑿巖。在450中段的鑿巖硐室和鑿巖平巷中設(shè)計(jì)施工炮孔，排間距為2.8 m，共計(jì)28排炮孔，實(shí)地放樣后采用CS-150高壓潛孔鉆機(jī)打出大直徑深孔，其孔深約為39.5 m，根據(jù)爆破設(shè)計(jì)分排實(shí)施爆破，爆破后將爆下的礦石全部運(yùn)往盤區(qū)主溜井，整個(gè)礦房全部采完，最終形成約74 m×寬15 m×高50 m的大采空區(qū)，然后進(jìn)行充填。

4.4 爆破出礦后的采空區(qū)測(cè)量及礦體修改

400-450中段N1-7采場現(xiàn)場實(shí)際爆破后可能不是很規(guī)整的空?qǐng)觯唧w爆破多少礦石量，必須要經(jīng)過現(xiàn)場實(shí)測(cè)，利用全站儀采用無覘標(biāo)免棱鏡方法采集數(shù)據(jù)測(cè)量大空區(qū)，在400中段將空?qǐng)鱿虏?、中部及上部部分?~5 m測(cè)出筒狀網(wǎng)格數(shù)據(jù)，空?qǐng)錾喜枯喞€需在450中段的北環(huán)道及450中段運(yùn)輸主巷分別對(duì)空?qǐng)鲚喞€進(jìn)行測(cè)量。最終實(shí)測(cè)成圖，計(jì)算此采空區(qū)采下的礦石量。根據(jù)地質(zhì)形成的礦體模型，將空區(qū)模型與礦體模型進(jìn)行布爾計(jì)算即可得到地質(zhì)最新的礦體模型，得到地質(zhì)最新的礦石儲(chǔ)量。

5 開拓系統(tǒng)工程完成后的三維模型

柴山多金屬礦區(qū)井下巷道在開展開拓工程前只有探礦工程，只包括各中段的探礦平巷及3#探礦盲斜井，井下布有一級(jí)導(dǎo)線點(diǎn)和普通導(dǎo)線點(diǎn)，將各中段實(shí)測(cè)平面CAD圖紙導(dǎo)入3Dmine中，利用導(dǎo)線點(diǎn)生成巷道三維模型，而3#盲斜井、通風(fēng)天井根據(jù)巷道中心線及導(dǎo)線點(diǎn)生成巷道模型。井下開拓工程施工后，測(cè)量人員幾乎每一條巷道都有進(jìn)行實(shí)測(cè)，如斜坡道、膠帶運(yùn)輸斜井、溜井(分支溜井)、通風(fēng)天井及不同規(guī)格參數(shù)的平巷，利用巷道實(shí)測(cè)邊界輪廓線，底板坡度線、頂板導(dǎo)線點(diǎn)結(jié)合實(shí)測(cè)點(diǎn)建立三維模型，最終柴山井上井下三維模型(見圖3)。每一項(xiàng)工程的實(shí)施都及時(shí)將井上井下的實(shí)際情況反饋到3Dmine軟件中，做好了數(shù)字化制圖的日常維護(hù)。

圖3 柴山礦區(qū)井上井下三維模型

6 結(jié) 語

利用3Dmine礦業(yè)工程軟件成功建立了柴山鉬鉍鎢多金屬礦區(qū)的三維礦井模型，實(shí)現(xiàn)了礦區(qū)二維表達(dá)向三維轉(zhuǎn)化，將各中段采掘工程情況及礦體的空間形態(tài)全方位、可視化、動(dòng)態(tài)地展示出來，確保了井下資料管理工作的準(zhǔn)確性，也大大提高了工作效率。柴山礦區(qū)的三維模型建立也為東波多金屬采礦場及公司礦山其它領(lǐng)域的應(yīng)用提供一定的參考及建議。

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(2018?07?24)

陳 功(1984—)，男，新疆阿克蘇人，工程師，主要從事礦山采礦工作，Email：252783588@qq.com。