設計輔助軟件建模三維可視化在金川礦山回采中應用

鄭向黨，張琳琳，蘇良軍，王秀東

（金川集團公司二礦區(qū)甘肅，甘肅 金昌 737100）

金川礦山礦體厚大、埋藏深、地應力高，大小斷層縱橫交錯，節(jié)理裂隙十分發(fā)育，巖礦破碎、易垮塌，工程穩(wěn)定性低，是一座典型的構造應力型難采礦床。多年來，金川人對礦山生產(chǎn)安全可預測、工程有序、經(jīng)濟及高效的采出礦石一直在持續(xù)探索中[1]。

隨著科技不斷發(fā)展，Auto CAD設計輔助軟件在日常解決問題工作中得以廣泛的應用，然而，金川礦山生產(chǎn)中使用僅限于二維設計，其在管理方面的優(yōu)勢并未充分全發(fā)揮。因此，需對該軟件三維可視化功能優(yōu)勢在金川二礦區(qū)958分段Ⅲ、Ⅳ盤區(qū)進行推廣應用，創(chuàng)建的模型達到既“可視”又“可算”又能夠較全面真實地反映作業(yè)區(qū)實景，以此為基礎對盤區(qū)生產(chǎn)設計進行優(yōu)化及組織生產(chǎn)。

1 工程概況

礦山采用機械化下向進路膠結交接充填，多中段、多盤區(qū)同時開采方法，作業(yè)環(huán)境問題頗多，生產(chǎn)管理復查。工程地段為958分段Ⅲ、Ⅳ盤區(qū)，屬于超基性巖型銅鎳硫化物礦體，兩個盤區(qū)富礦位于中心，貧礦位于富礦周圍，貧富礦體之間界線比較清楚。上、下盤主要為超基性巖體，次為大理巖，圍巖整體穩(wěn)固性較好，但礦巖交界帶巖體較為破碎，工程地質條件較差。Ⅲ盤區(qū)分層底板設計標高為956.133m，可回采礦量21.98萬噸，貧礦4.8萬噸，富礦17.72萬噸，夾石0.08萬噸，兩個分層高度均為4.5m；Ⅳ盤區(qū)二分層底板設計標高為955.589m，可回采礦量18.28萬噸，貧礦9.02萬噸，富礦9.69萬噸,夾石0.17萬噸，兩個分層高度均為4.5m，兩個盤區(qū)的設計損失率、貧化率均為4.2%、5.0%。生產(chǎn)管理采用深入井下現(xiàn)場進行了解后回到地表制定設計和施工方案的傳統(tǒng)管理模式。此工作方式存在著管理及設計人員考慮不周不完善，易疏漏，理解不直觀現(xiàn)象，工程銜接和組織生產(chǎn)存在不緊密不緊湊環(huán)節(jié)，施工中也存在安全隱患風險未能及時發(fā)現(xiàn)未能及時規(guī)避及消除問題，同時也存在著管理者指揮與實際現(xiàn)狀存在不符之處。

2 AutoCAD設計輔助軟件建模難點

一是由于三維建模由簡單基本幾何體組合而成，需對盤區(qū)礦巖狀況、采準工程、切割工程，系統(tǒng)擺布，設施分布、隱患部位、硐室位置、防護裝置等施工要素進行幾何體布爾運算，存在著多種技術攻克點；二是建模地段地應力較大，易出現(xiàn)垮幫和冒頂以及工程造成破壞，顯現(xiàn)的數(shù)據(jù)和信息難以收集；三是原始基本資料存儲有丟失失真的現(xiàn)象。

3 AutoCAD設計輔助軟件三維可視化建模思路及方法

（1）根據(jù)盤區(qū)數(shù)據(jù)來源途徑、信息種類進行信息轉化和存儲。先利用矢量數(shù)據(jù)建立有線框模型，表面模型和實體模型，然后轉化和存儲地質體及工程的點、線、面、體信息，如坐標、長度、面積、體積等；再建立格柵數(shù)據(jù)有塊段模型，轉化和存儲地質體及工程的內容屬性信息，如品位、體重、巖型等。

（2）資料進行整理，實現(xiàn)盤區(qū)生產(chǎn)信息的數(shù)字化建立圖像資料。通過復雜的三維地質建模技術將盤區(qū)勘探、調查以及生產(chǎn)過程中獲取到的所有生產(chǎn)資料進行整理，實現(xiàn)盤區(qū)生產(chǎn)信息的數(shù)字化，獲得盤區(qū)開采環(huán)境的空間位置和集合形態(tài)特征，比如地形、地層、礦體、工程等圖像。同時，可得到反映開采環(huán)境特征的相關參數(shù)，比如巖體強度、巖體質量指標等。

（3）利用存儲的數(shù)據(jù)庫建立多種工程平面名模塊。根據(jù)采掘工程平面圖、礦體界線圖、盤區(qū)回采設計圖、工程布置圖、坑道平面圖等圖件通過坐標變換、旋轉、拉伸、修剪等建立不同工程模塊。

（4）采用多種專業(yè)方法構建三維實體。以設計實測法、設計法和模型法三種主要方法構建三維實體工程；以步距法、極坐標法和雙線法等方法，依據(jù)原始測量數(shù)據(jù)或實測工程的平面圖數(shù)據(jù)建立三維工程模型。

（5）CAD輔助軟件實體建模。通過基于特定的CAD編輯，使用的三維建模工具實體編輯，視覺樣式，視圖，UCS（改變坐標系）拉伸等工具建立三維實體設施實體。如變壓器，鋼拱架、木棚子、排污管等模型。通過上述方法建立AutoCAD設計輔助軟件三維可視化模型，方便快捷反演出各種復雜的地下工程，并將其真三維地展示在三維虛擬地質體中，完整地再現(xiàn)盤區(qū)作業(yè)環(huán)境和生產(chǎn)系統(tǒng)以及各生產(chǎn)要素。

4 可視化在盤區(qū)中的應用效果

（1）盤區(qū)地質狀況及作業(yè)環(huán)境展示效果。三維建模后，從圖模型直觀看到盤區(qū)地質環(huán)境賦存的礦體和圍巖的穩(wěn)固性、節(jié)理發(fā)育狀況、巖石破碎程度、礦石品位分布條件，以及進路回采與充填、礦石搬運、作業(yè)環(huán)境治理、支護形式、動力管線架設、管控設施分布、通風排污、溜井運行等情況。

如1～4圖所示，盤區(qū)川沿脈道交匯位置，采空區(qū)應力收斂變化、開裂變形情況，防護措施效果，施工與相鄰工程間關系、充填通風系統(tǒng)假坑道程預留狀況，充填板墻的砌筑位置，回采作業(yè)進路數(shù)量，爆破開口等工作情況情況一目了然。

圖1 盤區(qū)生產(chǎn)系統(tǒng)三維實體圖

圖2 支護工程分布與頂板間效果

圖3 二、三分層聯(lián)絡道進入假頂圖

圖4 管線、電源箱、控制箱、變壓器局部

（2）盤區(qū)管理中起的作用。針對可能影響盤區(qū)轉層收尾進路、充填地壓控制狀態(tài)、預留工程分布、冒頂及存在夾礦區(qū)域問題，結合現(xiàn)場實際情況及時對存在回采方案和轉層進行調整變更，確保整體組織采充與采掘平衡不失調，施工有序。

根據(jù)實體模型進行現(xiàn)場揭露情況進行與回采設計對比，獲得進路回采規(guī)格的寬度、高度、長度、方位數(shù)據(jù)，對進路回采作業(yè)中出現(xiàn)的超高、超寬、欠挖、偏離、位置問題予以提醒并監(jiān)督進行整改。采取預知預控的措施不僅有效避免盤區(qū)回采損失與貧化，同時較好的為遵循下向充填交接采礦法上下層分層道及回采進路錯開，規(guī)避安全隱患原則提供了技術支持，又根據(jù)現(xiàn)場實際情況研判作業(yè)環(huán)境為安全管理制定措施提供了決策依據(jù)。

直觀、精確表達的盤區(qū)三維實體，較好的滿足了專業(yè)工程技術在虛擬的三維空間中進行進路擺布、工程布置、礦體三維空間關系的回采設計需要，視化生產(chǎn)要素的水倉、動力管線、系統(tǒng)維護、硐室設施等設置部位，極大為工程管理人員監(jiān)管提供了方便，消除了圖紙展現(xiàn)所帶來的模糊性，使生產(chǎn)組織人員具有身臨其境的感覺，在地表就能直接指揮、安排井下現(xiàn)場具體工作。詳見圖5所示。

圖5 盤區(qū)三維實體作業(yè)環(huán)境

5 結論

近年來Auto CAD設計輔助軟件建模技術在各領域廣泛應用，但扔需進一步探索。綜上所述建立的盤區(qū)作業(yè)的采準與采掘、生產(chǎn)系統(tǒng)擺布、區(qū)域環(huán)境狀況、支護工程布置、生產(chǎn)施工進度、輔助設備設施等生產(chǎn)要素三維模型可視化，在盤區(qū)生產(chǎn)經(jīng)營中起到了前瞻性的指導安全生產(chǎn)，其方法在金川礦山盤區(qū)應用效果較好，值得同類礦山生產(chǎn)企業(yè)借鑒。