準(zhǔn)能數(shù)字礦山地測與生產(chǎn)設(shè)計管理系統(tǒng)的建設(shè)及應(yīng)用

郭銪君

（國家能源集團準(zhǔn)能集團公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300）

隨著信息技術(shù)的迅速發(fā)展，國家能源集團實施推進“數(shù)字礦山”戰(zhàn)略部署，基于數(shù)據(jù)指導(dǎo)生產(chǎn)方法的研究正在引起工業(yè)界與學(xué)術(shù)界的普遍關(guān)注[1]，為提高露天煤礦地測與生產(chǎn)設(shè)計的工作效率，為打破“信息孤島”和解決“數(shù)據(jù)浪費”問題，實現(xiàn)精細化生產(chǎn)管理，降低企業(yè)生產(chǎn)成本，需要構(gòu)建1 套地測與生產(chǎn)設(shè)計的系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)規(guī)劃與建設(shè)內(nèi)容

準(zhǔn)能數(shù)字礦山地測與生產(chǎn)設(shè)計管理系統(tǒng)是為滿足數(shù)字化礦山建設(shè)需求，提高露天煤礦生產(chǎn)技術(shù)部門的工作效率，實現(xiàn)精細化生產(chǎn)管理，降低企業(yè)生產(chǎn)成本，滿足工作需要的1 套管理系統(tǒng)軟件。

準(zhǔn)能數(shù)字礦山地測與生產(chǎn)設(shè)計管理系統(tǒng)在準(zhǔn)能公司、黑岱溝露天煤礦和哈爾烏素露天煤礦生產(chǎn)技術(shù)部同步建設(shè)，主要包括三維礦業(yè)軟件的開發(fā)與調(diào)試，使用指導(dǎo)和技術(shù)支持，以及黑岱溝露天煤礦和哈爾烏素露天煤礦三維地質(zhì)模型的建立。

地測與生產(chǎn)設(shè)計管理系統(tǒng)要想達到“實用、實際、實效”的決策支持目的，必須要建立1 套“實用、實際、實效”的煤炭企業(yè)決策指標(biāo)體系，因此系統(tǒng)指標(biāo)體系在建立的過程中要嚴格按照全面性、科學(xué)性、簡明性、動態(tài)性和可操作性等原則進行設(shè)計[2]。

通過應(yīng)用三維礦業(yè)軟件，實現(xiàn)2 個礦地質(zhì)、測量、采礦協(xié)同設(shè)計及三維可視化展示，結(jié)合多變的市場行情和業(yè)務(wù)目標(biāo)快速調(diào)整生產(chǎn)方案、制定生產(chǎn)計劃，提高礦山的生產(chǎn)效率和企業(yè)的盈利能力。

1.1 業(yè)務(wù)技術(shù)架構(gòu)

在Maptek 工作平臺上搭建Vulcan 軟件，Maptek工作平臺是1 個動態(tài)可擴展平臺，所有Maptek 公司的產(chǎn)品都可以在該平臺上運行并實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。用戶可以自定義工具欄、菜單、命令列表和快捷鍵，還集成了文本編輯器、電子表格、腳本等程序以便于用戶操作；用戶還可以在各產(chǎn)品間自定義工作流程，從而提高工作效率。

Vulcan 軟件是采礦設(shè)計的工具，是Maptek 公司開發(fā)的綜合三維礦業(yè)軟件，Vulcan 軟件系統(tǒng)雖然在歐美國家應(yīng)用較多，但是要想在我國露天礦中得到較好的應(yīng)用，還需進行一定的改進和二次開發(fā)工作。Vulcan 軟件采用模塊化設(shè)計，基礎(chǔ)軟件包是基本使用單元，1 個許可證對應(yīng)1 個基礎(chǔ)軟件包，用戶可以在基礎(chǔ)軟件包的基礎(chǔ)上根據(jù)需求添加其他模塊，基礎(chǔ)軟件包和所添加的模塊都會集成在同一個用戶界面之中[3]。主要基礎(chǔ)軟件包有瀏覽、地質(zhì)建模、地質(zhì)統(tǒng)計建模、測量、露天/地下礦山建模等軟件包。技術(shù)架構(gòu)如圖1。

圖1 技術(shù)架構(gòu)圖

I－Site Studio 軟件是Maptek 公司三維激光掃描儀點云數(shù)據(jù)處理軟件，采用模塊化設(shè)計，模塊即是基本使用單元，用戶可以根據(jù)需求選擇不同的模塊。Vulcan 軟件與I－Site Studio 軟件能夠在Maptek 工作平臺上無縫連接，數(shù)據(jù)完全兼容。此外，可以導(dǎo)出或生成DXF、CSV、XLS、PDF 等格式的文件，用于其他辦公軟件或系統(tǒng)，Vulcan 還能夠通過其開放接口與準(zhǔn)能生產(chǎn)實時數(shù)據(jù)庫相連。

1.2 三維地質(zhì)建模

三維地質(zhì)建模的研究與應(yīng)用始于20 世紀(jì)70 年代。隨著計算機技術(shù)的迅速發(fā)展和建模軟件的不斷成熟，三維地質(zhì)建模在地下水資源調(diào)查、地質(zhì)災(zāi)害、水利工程建設(shè)、城市建設(shè)、油氣勘探、礦山建設(shè)、深部找礦等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[4]。

三維建模是指利用計算機對與礦床形成和分布相關(guān)的各種地質(zhì)對象的幾何形態(tài)和空間分布進行三維定量描述[5]，利用兩礦所有勘查鉆孔數(shù)據(jù)（普查與詳查所有鉆孔資料）、生產(chǎn)勘探鉆孔數(shù)據(jù)及礦山生產(chǎn)的測量數(shù)據(jù)，使用Vulcan 軟件建立黑岱溝露天煤礦和哈爾烏素露天煤礦2 工人礦合一的精確地質(zhì)模型，以應(yīng)用于礦山的采礦設(shè)計和生產(chǎn)計劃編制工作。

數(shù)據(jù)地質(zhì)模型分別采用2 000 和80 坐標(biāo)系，使用黑岱溝和哈爾烏素礦各勘探時期共計1 757 個鉆孔數(shù)據(jù)創(chuàng)建的兩礦合一的模型，地質(zhì)模型主要包括鉆孔數(shù)據(jù)庫，5、6Ⅰ、6Ⅱ、6Ⅲ、6Ⅳ、6Ⅴ、6Ⅵ、6、9 煤頂?shù)装褰Y(jié)構(gòu)模型，煤質(zhì)模型、HARP 塊體模型。

地質(zhì)模型以鉆孔數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，按照鉆孔中煤層的位置和厚度信息在三維空間進行插值計算，創(chuàng)建出煤層頂?shù)装褰Y(jié)構(gòu)模型，在使用相同數(shù)據(jù)源條件下，與地勘時期繪制的頂?shù)装迥Ｐ拖啾?，該模型更?yōu)，更接近真實情況。地質(zhì)模型建立后，經(jīng)現(xiàn)場實際使用，該地質(zhì)模型能夠滿足礦山煤質(zhì)預(yù)報、煤量計算、開采設(shè)計等工作，符合礦山實際情況。

1）鉆孔數(shù)據(jù)庫。地質(zhì)鉆孔資料是地質(zhì)工作形成的最重要成果之一[6]。全國重要地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)主要借助地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集入庫[7]。為充分利用計算機信息技術(shù)，提高地質(zhì)鉆孔資料利用的效率[8]，將1 757 個鉆孔數(shù)據(jù)導(dǎo)入Vulcan 創(chuàng)建的鉆孔數(shù)據(jù)庫。

2）煤層頂?shù)装褰Y(jié)構(gòu)模型。利用鉆孔數(shù)據(jù)、測點數(shù)據(jù)及斷層數(shù)據(jù)等創(chuàng)建的煤層頂?shù)装褰Y(jié)構(gòu)模型及斷層模型。

3）煤質(zhì)模型。煤質(zhì)化驗數(shù)據(jù)經(jīng)樣長組合后創(chuàng)建的煤質(zhì)模型。按照煤炭質(zhì)量分布模型的方式對倉煤質(zhì)情況進行分層標(biāo)識[9]。

4）HARP 塊體模型。依據(jù)煤層頂?shù)装褰Y(jié)構(gòu)模型和煤質(zhì)模型創(chuàng)建的HARP 塊體模型。

1.3 系統(tǒng)應(yīng)用

在系統(tǒng)應(yīng)用過程中，以工作任務(wù)書為指導(dǎo)，先后完成了Vulcan 軟件安裝調(diào)試、技術(shù)培訓(xùn)和技術(shù)支持、2 個礦合一的地質(zhì)模型創(chuàng)建等規(guī)定工作內(nèi)容。

1）以2 個礦地勘鉆孔、生產(chǎn)地質(zhì)鉆孔、實測點數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)創(chuàng)建的三維地質(zhì)模型，在使用相同數(shù)據(jù)源條件下，與地勘時期繪制的頂?shù)装迥Ｐ拖啾龋撃Ｐ透鼉?yōu)，更接近真實情況。經(jīng)現(xiàn)場實際使用，該地質(zhì)模型能夠滿足礦山煤質(zhì)預(yù)報、煤量計算、開采設(shè)計、生產(chǎn)計劃等工作。

2）測量部門可以高效地處理礦坑掃描的點云數(shù)據(jù)，創(chuàng)建礦坑地表模型，提供給地質(zhì)和采礦部門使用。

3）地質(zhì)部門利用地質(zhì)化驗鉆孔、頂?shù)装鍖崪y點數(shù)據(jù)快速更新鉆孔數(shù)據(jù)庫，并更新煤層頂?shù)装迕婺Ｐ?、煤質(zhì)網(wǎng)格模型及塊體模型，提供給采礦部門使用。按照6 煤3 個開采臺階高度進行煤質(zhì)樣長組合，創(chuàng)建3 個煤臺階的HARP 塊體模型，用于快速預(yù)報開采區(qū)域的煤質(zhì)和煤量計算。

4）采礦部門可以采用實體切分功能快速計算長期計劃逐個工程位置的工程量，減少了以往采用CAD圈量方式計算工程量的操作，完成長遠規(guī)劃；可以根據(jù)地質(zhì)部門更新的煤層模型生成煤層實體，快速確定采煤位置，并根據(jù)參數(shù)設(shè)置迅速擴展出各個剝離臺階，得到年計劃；采用礦坑擴展和開采塊體功能準(zhǔn)確確定月底鏟位，完成月計劃的編制。

5）三維地質(zhì)模型作為數(shù)字礦山建設(shè)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，開展日常工作，實現(xiàn)二維CAD 到真實三維空間里的采礦設(shè)計，并提高了計算和設(shè)計精度，實現(xiàn)地質(zhì)、測量、采礦部門協(xié)同作業(yè)。

2 設(shè)計與效益分析

2.1 Vulcan 軟件在哈爾烏素露天煤礦的應(yīng)用

哈爾烏素露天煤礦采用實體屬性導(dǎo)出、csv 導(dǎo)入、實體可見性功能實現(xiàn)了排土場運距的優(yōu)化。按照傳統(tǒng)設(shè)計手段，在與采場留有一定安全距離的情況下，向上逐步擴展每個臺階，根據(jù)工程師經(jīng)驗設(shè)計排土場最終形態(tài)，無法定量考慮成本最優(yōu)。傳統(tǒng)設(shè)計方法設(shè)計的排土場。經(jīng)計算，從內(nèi)排土場入口到排棄位置的綜合運距為826.01 m。

采用Vulcan“排土場設(shè)計功能”，一次性將可能排棄位置均排滿，得到排土場實體，排棄容量5 億m3。采用Vulcan 的“礦坑切分”功能，將最大范圍排土場按照80 m×80 m×30 m 進行切分，需將排土場分為實體塊。

根據(jù)實體塊與內(nèi)排土場端幫入口的距離，按照1.7 元/m3，每提升1 m 增加0.2 元計算，得到每個實體從內(nèi)排土場入口到排棄位置的成本。采用Vulcan的“三角屬性”功能，將運距、成本、最近的內(nèi)排土場入口屬性賦值給所有實體塊。按照最近內(nèi)排土場入口顯示。在完成每個實體塊成本賦值后，根據(jù)成本最小的原則采用“三角模型可見性”逐步降低運輸成本，當(dāng)運輸成本為7.7 元/m3時，排棄容積為2.27 億m3，滿足排棄要求，此時綜合運距為698.10 m。采用Vulcan 設(shè)計的排土場方案相比傳統(tǒng)方法節(jié)省運距127.91 m，節(jié)省運輸成本3 783.58 萬元。

2.2 Vulcan 軟件在黑岱溝露天煤礦的應(yīng)用

黑岱溝露天煤礦隨著工作線持續(xù)向東推進，煤頂板不斷下扎，中間溝運煤道垂直段長度持續(xù)增大，導(dǎo)致排土場滯后將近1 km、內(nèi)排空間緊張，為了增大內(nèi)排空間，縮短垂直段長度，制訂此次移設(shè)方案。

縮短中間溝垂直段距離，向南形成折返運煤坡道，將去往3＃、4＃破碎站的運煤道路搭接到1110 排土臺階上。此方案分3 次進行，第1 次移設(shè)后運煤運距增加500 m，排土場向東跟進220 m，排棄空間增加1 800 萬m3。第1 次移設(shè)完2～3 個月后緊接著實施第2 次移設(shè)，計劃在2020 年2 月份完成3 次移設(shè)，恢復(fù)中間溝的5 條道路，最終實現(xiàn)排土臺階與采煤臺階追蹤距離最小，同時縮短運煤運距。

中部運煤通道當(dāng)前已按照技術(shù)方案進行了2 次移設(shè)，2 次移設(shè)總計釋放排棄空間5 500 萬m3，卡車以較近距離進入排土場，縮短卡車運輸距離400 m，節(jié)約運輸成本2 860 萬元。中部運煤道路的變更釋放了排棄空間，提高了生產(chǎn)效率，保證了黑岱溝露天煤礦全年生產(chǎn)任務(wù)的完成。

2.3 綜合效益分析

據(jù)初步統(tǒng)計，哈爾烏素露天煤礦每年約編制設(shè)計優(yōu)化方案8 次，通過設(shè)計優(yōu)化節(jié)省總運距330 m。其中Vulcan 對效益的貢獻率約50%，即165 m，綜合運距成本約12 萬元/m，一次性減少柴油消耗1 980萬元。黑岱溝露天煤礦每年約編制設(shè)計優(yōu)化方案11次，通過設(shè)計優(yōu)化節(jié)省運距450 m。其中Vulcan 對效益的貢獻率約50%，即225 m，綜合運距成本12萬元/m，一次性減少柴油消耗2 700 萬元。

3 結(jié)語

1）將Vulcan 軟件應(yīng)用到采礦設(shè)計中，顯著地降低了人員勞動強度，提高工作效率。以往使用Auto cad 編制長期計劃及大型方案大概需要15 個工作日，采用Vulcan 僅需要5 個工作日，顯著提高了工作效率。采用Vulcan 的露天采礦設(shè)計功能，實現(xiàn)參數(shù)自動繪制臺階；采用Vulcan 動態(tài)塊體開采功能，實現(xiàn)自動計算土方量；采用Vulcan 的三角實體準(zhǔn)確計算體積。

2）Vulcan 軟件的應(yīng)用更加便利完成更多繁瑣和復(fù)雜的工作，推進了企業(yè)的地礦、測量的數(shù)據(jù)分析工作，增強了企業(yè)資源優(yōu)化配置能力，減少資源損耗，提升企業(yè)的核心競爭力。