露天地下聯合開采礦山三維礦業軟件應用技術研究*

曾慶田，汪德文，唐澤勛，趙懷軍，黃勁松，張達兵

(1.玉溪礦業有限公司，云南 玉溪 653100)

(2.涼山礦業股份有限公司拉拉公司，四川 會理 615100)

(3.中南大學，湖南 長沙 410083)

信息化和工業化的融合，為工業發展提供強大的信息支撐，以工業化帶動信息化，以信息化促進工業化的新型工業化道路，在我國已經形成了強大的信息化和工業化集群優勢，發揮著各自不同的作用，共同促進和推動了國家經濟和社會的進步，三維礦業軟件的應用也屬于工業化和信息化融合的范疇。

20 世紀中葉以來，隨著世界科技水平和手段的不斷提高，以圖紙化辦公和管理的礦山企業的生產經營和管理模式發生了翻天覆地的變革，管理信息化已成為礦山企業現代化的一個重要標志，建設數字礦山成為我國現代化礦山發展的必然趨勢。礦業企業作為國家能源與原材料供應者，在國民經濟發展中具有十分重要的地位。我國礦業經過半個世紀的快速發展，已建成國有礦山近萬座，集體礦山和其他非國有礦山20 多萬座，年開采礦石量超過50 億t［1-2］。龐大的礦業集群和巨大的產業鏈條，都在以極大的熱情迎接三維礦業軟件的到來，澳大利亞、美國、英國等三維礦業軟件的引進、消化、吸收及本地化工作為國外礦業軟件的推廣應用掀起了一次高潮。隨著應用的深入，國內一些大學、研究機構采用國外的三維平臺和引擎，以國內三維礦業軟件的實際需求，進行了軟件的本地化開發，取得了較大的成果，國內三維軟件的應用又掀起了一次浪潮［3］。

可以毫不夸張地說，國內知名的大型礦業企業集團，都購置了三維礦業軟件，并開展了應用研究，也取得過一些應用成果，但時至今日，真正將三維礦業軟件作為生產的主要設計工具及管理手段的礦山寥寥無幾。究其原因，有三維礦業軟件自身功能和準備不足的原因，無法滿足礦山企業最終的需要，或者需要經過繁瑣復雜的操作，大費周章之后才能實現往日通過簡單制圖就能實現的功能，不可否認的，三維和二維存在質和量上的天壤之別。另一方面是復雜的地質建模，耗費了大量的人力物力，形成了巨大的海量數據，一個大型礦山的塊段模型，要真正達到地質邊界控制、采礦塊段劃分及計算工程副產的要求，塊段數達到上千萬塊，模型存儲容量達到數G，根本無法實現數據共享、方便調用和快速計算。第三方面就是以單機數據存儲的方式開展應用，無法實現一個礦山數據的高度共享，不同專業建立和修改的模型數據，由于種種原因，無法實現第一時間共享，存在信息的不對等，造成了各專業之間互相推卸責任，久而久之，傳統的管理模式和方法又重新回到了臺前，三維礦業軟件僅僅成為作秀的工具或將其束之高閣。第四個重要原因是地質和儲量認證滿足不了國家管理部門的要求，科技部門極力主張和開發三維礦業軟件，863 計劃重大專項至少曾經列過2 個重大課題開展研究，但是礦業企業的資源和儲量主管部門，對于三維礦業軟件積極性不高，無法實現三維礦業軟件與資源和儲量管理部門的對接，是三維礦業軟件無法走上正常應用的重要原因。最根本的原因當然還是礦山企業對三維礦業軟件缺乏深刻的理解和必要的研究，僅僅依靠軟件商的功能介紹，不結合實際工作，開展應用創新和應用研究，三維礦業軟件就無法真正應用起來，發揮它應有的作用。文章以一露天和地下聯合開采礦山的應用研究實例為主線，展開對三維礦業軟件應用問題的探討，分析三維礦業軟件應用中的技術方法及成果，探討應用過程中存在的問題，力求為三維礦業軟件的應用提供較為有效的范例。

1 礦山概況

礦山位于四川省會理縣城212°方向，直距55 km的會理縣綠水鄉境內。地理坐標:東經101°56＇13″～101°57＇43″，北緯26°13＇25″～26°14＇44″。礦區范圍北起大團箐、南至營盤山、東自四人抬橋、西迄老鴨田，面積4 km2。礦區海拔標高2 000～2 300 m，相對高差300 余米。

礦區有公路至黎屯與108 國道相接。礦區選廠至黎屯38 km，經黎屯至會理縣城103 km;至涼山州府所在地西昌市292 km;至攀枝花市130 km(再至昆明476 km);經黎屯沿108 國道至昆明376 km;經黎屯至成昆鐵路線上的拉鲊火車站58 km;由拉鲊火車站北上成都794 km，南下昆明329 km。礦山是一座以露天開采為主，深部礦體采用地下開采的露天地下聯合開采銅多金屬礦山。

2 礦山三維模型創建及應用

2.1 地質數據庫及其統計分析［4］

研究系統收集了礦山各個時期的勘探資料，主要包含:(1)地質詳勘工程;(2)生產探礦鉆探工程;(3)露天底部延深勘探工程;(4)東部E 剖面勘探工程。地質數據庫和地質模型建立的工作對象為上述全部勘探工程，勘探工程總數789 個，建成的地質數據成果如圖1 所示。

圖1 地質數據庫空間跡線圖

地質數據庫建成后，對其中的銅、鈷、鉬、鐵等金屬元素進行了統計分析，擬合了變異函數，并對變異函數進行了交叉驗證。統計分析及變異函數計算結果見圖2、圖3，變異函數參數見表1。

圖3 Co 元素變異函數計算及擬合結果圖

表1 四川某銅礦Cu、Co、Mo、TFE 元素理論變異函數擬合參數結果表

幾乎所有的三維礦業軟件都具備進行地質數據統計分析，進行變異函數計算，擬合和交叉驗證等功能。但是對于不同的礦床，還需要對地質統計學進行深入研究，針對復雜礦床，既要能夠運用線性地質統計學，也需要研究非線性地質統計學，或通過模型的套合等方式，尋求最滿足礦床的變異函數模型，同時要加強交叉驗證理論判據的研究，方便研究者以定量的方法判斷理論變異函數擬合的合理性。

2.2 地質模型創建與應用

本次研究對礦山的地形地物模型、礦體模型、斷層模型、巖性模型及開采現狀模型進行了全面的建模，對于三維礦業軟件而言，這些建模功能都是成熟的，差異只存在于建模的方便性和效率的高低層面。建成的各類地質模型成果見圖4～圖6。

圖4 礦體模型成果

圖5 巖性實體模型成果圖

圖6 地質模型復合成果圖

2.3 塊段模型及品位估值［5-8］

研究對礦床采用距離冪反比法和普通克里格法進行了品位估值，同時對各個時期的資源儲量成果進行了對比研究，研究結果認為，資源儲量估算結果滿足礦山開發和資源管理的要求。

品位估算的方法要與地質統計學的研究成果結合起來，將多種估值方法，如簡單性克里格、普通克里格、泛克里格、析取克里格等功能一一實現，方便在估值時根據需要選用。

對于資源與儲量的問題，還存在資源儲量分類和分級的研究，孫玉柱等在三維礦業軟件的分級分類研究方面進行過研究和探討，取得了一些研究成果，但是資源與儲量的問題，要爭取獲得國家資源和儲量管理部門的認可，只有這樣，才能為三維礦業軟件的應用和地質統計學的發展創造基礎條件。

3 三維礦業軟件地下礦應用技術研究

3.1 開拓系統及中段平面設計

本研究按照實測和實際兩種方法，建成了礦山實測和設計共同結合的井下部分開拓系統模型，三維礦業軟件在建立開拓系統模型和再現實測模型上，功能逐步趨于完善，對于設計的中段平面圖，也開發了相應的自動出圖工具，為減少出圖工作量等方面提供了良好的工具的和平臺，本次建立的開拓系統圖及中段平面出圖結果見圖7、圖8。

圖7 小露天底部開拓系統模型圖

圖8 中段平面設計自動出圖

3.2 盤區及采場設計

按照采場設計的原則，本次建立了無底柱分段崩落采礦法采場，在采礦采切設計的基礎上，開展了深孔回采爆破設計工作，建成的采場及回采爆破設計結果見圖9、圖10。

圖9 采場采切設計模型

圖10 回采爆破設計出圖效果

3.3 生產計劃編制

地下礦山生產計劃編制功能是基于交互式模擬方法構建的。它在三維礦業軟件先前建立的塊段模型、工程模型及采場模型基礎上，根據計劃編制者輸入的生產數據，生成生產任務并進行模擬排序得出優化方案。計劃編制者在三維可視化環境下對方案進行交互修改，再由計算機重新模擬運行，直到得出一個可行的最佳方案。最終的計劃結果可通過三維動畫、甘特圖以及定制報表展示。一般來說，計劃的編制要經過數據準備、數據錄入、任務搜索方案設置、系統執行、用戶調整、再執行和輸出結果幾個步驟。本研究開展了地下礦生產計劃編制，結果如圖11、圖12 所示。

圖11 生產計劃動畫演示

圖12 生產計劃甘特圖

4 三維礦業軟件露天應用技術研究

4.1 露天境界優化及設計

本次進行露天境界優化，主要考慮3 種情況:一是原始地形約束下的可研經濟技術指標條件;二是原始地形約束下的現價體系經濟技術指標條件;三是2012 年5 月末開采現狀約束下的現價體系經濟技術指標條件，按照不同的價格折扣率進行了多境界優化，優化結果見圖13。按照礦山的設計經濟技術指標，對境界進行了設計，并計算了各個臺階的資源儲量，設計結果見圖14。

圖13 露天境界優化結果

圖14 露天終了境界設計模型

4.2 露天應用技術

在前期完成的地質建模基礎上，露天應用技術主要開展如下研究:(1)開展露天境界優化技術研究，為礦山開采提供快捷的、適應市場條件需求的經濟優化和評價手段;(2)開展基于DIMINE 軟件的露天終了境界設計，為露天設計提供快速高效的技術手段;(3)開展基于DIMINE 軟件的礦山中長期規劃、采剝計劃編制應用技術研究，服務生產設計和技術管理;(4)開展基于DIMINE 軟件的露天臺階爆破設計、爆破網絡設計及裝配礦研究。研究成果見圖15、圖16。

圖15 露天中長期計劃及短期計劃編制模型成果

圖16 露天爆破及網絡設計和露天裝配礦結果

5 結論

目前的三維礦業軟件功能，具備了進行地質建模、露天開采、地下開采設計及技術管理的全過程的功能實現和操作［9-14］。通過對三維礦業軟件模型構建技術、資源儲量估算及動態管理、地下采礦設計、爆破設計和露天境界優化等多方面的實用應用技術的分析研究，實際結合一露天和地下聯合礦山應用三維礦業軟件的實際應用研究過程的分析，得出如下結論:

(1)三維礦業軟件的發展，對于礦業企業而言，為工業化與信息化的深度融合提供了基礎平臺，具有十分重要的意義。

(2)三維礦業軟件應用，還存在軟件功能準備不足、應用研究不透、資源與儲量管理得不到管理部門認證等一些制約發展的問題，政府、科研機構及礦山企業應該加強合作，共同推動礦業信息化的發展，建立起符合礦山三維礦業軟件應用的技術標準和規范，為三維礦業軟件的規范應用奠定堅實的基礎。

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