基于3DMine 的多層緩傾斜礦床階段高度方案優選

張萌萌 葉義成，2 盧雅琪 魯 方

(1.武漢科技大學資源與環境工程學院，湖北 武漢430081;2.湖北省頁巖釩資源高效清潔利用工程技術研究中心，湖北 武漢430081)

開拓方案的確定影響著整個開采系統的井下提升、運輸、通風、排水和地面運輸等相關子系統的布置，涉及到生產安全性、投產時間、開拓工程量以及礦山企業整體經濟效益等，所以綜合考慮基建投資、運營成本等因素，合理確定開拓方案對于礦山實現安全、高效、經濟開采至關重要。

階段高度是開拓方案中重要的參數之一。礦床賦存狀態查明之后，階段高度的確定直接影響著階段數和采礦方案的確定，進而影響到整個開采過程的工程量和生產成本以及生產效率等。所以運用現代信息技術實現方案優選，選擇合適的階段高度對于高效合理、安全經濟開采具有重要的現實意義。

對于復雜難采的緩傾斜多層礦床，技術工作者們不僅開展了很多關于采礦方法的研究，而且在開拓系統優化和開拓方案優選做了廣泛探討。其中，開拓方案優選多采用技術經濟指標優化法，通過人工計算相應的工程量、投資成本、經營費用、財務凈現值等指標來選擇較優方案［1］。

近年來，隨著礦山數字化技術的發展，我國自主開發的3DMine 軟件的使用者越來越多，借助3DMine技術平臺，為各類礦山構建了地表模型、礦體模型、巷道模型等三維可視化模型，基本實現了礦山開采的三維仿真模擬［2］。另外，技術工作者們在構建礦山三維模型的基礎上，進一步研究了模型的延伸應用:吳仲雄［3］以礦體模型和塊體模型為基礎，采用線性規劃法來研究并編制了開采計劃;馮盼學，楊志強［4］利用3DMine 建立爆破后采場模型進行爆破效果(損失率、貧化率、垮落等)評估;周科平，杜相會［5］利用3DMine 建立殘礦、周圍地質體及地表的三維數字幾何模型，結合MIDAS 和FLAC3D軟件進行殘礦回采穩定性研究;阮德修，胡建華等［6］將FLO2D的區域泥石流計算功能與3DMine 三維數字化模擬結合起來，實現了尾礦庫潰壩災害的三維數字化評價;陳慶發、趙有明等［7］運用GeneralBlock 初步解算采場內結構體，結合3DMine 建立簡單材料力學模型，計算出固定結構體的最小固定結構面。

基于3DMine 軟件的地質體模型研究已有較多成果，而且基于可視化礦床模型的單項工程技術研究也有較多報導，但是綜合運用3DMine 軟件的設計功能，在可視化模型基礎上開展采礦工程設計的研究還有待完善。

1 開拓系統模型構建

研究礦山傾角5° ～25°，礦體多呈層狀、似層狀產出，賦礦巖石主要為灰黑、黑色炭質頁巖、硅質頁巖和(含炭)頁巖，次為硅質巖，中等穩固，礦區水文地質簡單，工程地質屬于簡單—中等類型。根據礦床特征及開采技術條件，開拓方法采用下盤中央斜井加斜坡道聯合開拓，即在礦體下盤布置1 條主斜井，兩端各布置1 條通風斜井，斜坡道連接地表，用作人員、大型無軌設備和材料等進出。各階段布置有沿脈運輸巷道和穿脈巷道。

現代礦山設計均采用CAD 技術進行方案設計。研究中基于CAD 的工程設計圖，解決多方案優化選擇的開拓系統建模技術問題。基于CAD 工程設計圖建立開拓系統三維模型的重要工作是巷道實體模型的構建，其主要技術問題是巷道實體模型的生成和存儲識別。巷道實體模型要求無重疊、無自相交邊、無開放邊。其構模流程如圖1。

3DMine 軟件提供了多種巷道建模方法，有巷道中心線法、手工繪制、巷道腰線生成法。巷道中心線法和手工繪制多用于巷道設計，其中中心線法可直接利用二維設計圖，點擊線段生成實體。巷道腰線生成法多用于已建礦山且擁有豐富的巷道實測數據。3種方法建模的基礎均是斷面設計，3DMine 提供了多種斷面類型，可適應礦山實際情況，設計確定符合要求的斷面類型及參數。一般有CAD 二維開拓設計圖，采用巷道中心線法構建巷道模型;若礦山有豐富的巷道實測數據，可采用巷道腰線生成法。

圖1 巷道建模流程Fig.1 Modeling flowchart of roadway

在3DMine 軟件中構建巷道實體模型時，1 條線段可以生成1 個實體，所以在3DMine 軟件中打開開拓系統CAD 設計圖，首先需去除重復、壓蓋線段，釘子角，連接斷開線;整理修飾好中線后再給中線賦高程，原來的二維設計圖就變成了Z 軸方向賦有高程值的開拓系統中心線立體圖(如圖2);然后選擇需要生成巷道實體模型的中心線，設計相應斷面，完成該巷道的三維模型創建。逐次設計各巷道斷面，完成所有巷道三維模型創建(如圖3);最后，要對生成的巷道模型進行實體驗證。

圖2 開拓系統中心線Fig.2 Central lines of the development system

圖3 開拓系統三維模型Fig.3 3D model of the development system

巷道實體模型存儲主要是要解決復雜開拓系統眾多巷道文件的分別存儲和識別調用問題。研究礦山開拓系統結構復雜，巷道眾多，存儲巷道實體模型時注意更改實體名稱，實體名稱可按巷道類型分類命名或按階段高度標高命名或其他方式命名，進行分類存儲。實體模型實際上是由一系列不規則的三角面連接成三角網形成的密封、不透氣的面。每一個三角面都是由3 個相鄰的點組成的，每個點上都儲存了X、Y、Z 3 個方向的坐標值，計算機就是利用這些存有坐標值的點通過某種函數關系來計算實體模型的體積。可利用礦體模型進行儲量估算，巷道模型進行工程量核算。

2 基于3DMine 軟件的階段高度方案優選

2.1 階段高度方案優選方法

基于3DMine 軟件的階段高度方案優選方法，是以礦體模型和開拓系統三維模型為基礎，首先利用3DMine 軟件計算實體體積的功能，計算出礦體的可采礦量和巷道模型的體積，即掘進工程量;然后，計算可采礦量與掘進工程量的比值求出單位掘進量;最后，通過比較單位掘進量選出最優階段高度方案。

以單位掘進量為評價指標進行方案優選［8］，既考慮了礦山基建期的開拓工程，也考慮了生產期的采準切割工程，簡化了以單位礦石成本為評價指標的方案優選過程，避免了以工程量和可采礦量為評價指標的片面性。

根據研究礦山條件，現提出4 個可行的備選方案，階段高度分別為30、40、50、60 m 為有效比選各方案，4 個方案均選擇同一采礦方法，同樣的技術工藝和設備條件等。因礦體模型和開拓三維模型圖均采用固定坐標構建，將二者在某階段高度進行組合，即可構成某階段高度的開拓系統三維模型(如圖4);將礦體模型透明顯示，可研究礦體與所有井巷工程的空間位置關系和各階段礦石大致分布情況，自由轉動三維模型，即可以任意角度查看模型;將開拓系統三維模型在縱向切割動態剖面，可研究井巷在垂直方向上的空間位置關系(如圖5);在水平方向上切割動態剖面，可研究某階段各采場內的工程布置和空間位置關系。

圖4 礦體模型與開拓三維模型組合Fig.4 Combination of the deposit model and the development system 3D model

圖5 開拓系統三維模型的縱向動態切割剖面Fig.5 Longitudinal dynamic section of the development system 3D model

2.2 階段高度方案優選過程

2.2.1 可采礦量計算

3DMine 軟件有2 種途徑計算礦量，一種是根據礦體模型建立塊體模型并賦值，賦值方法有最近距離法、距離冪次反比法和普通克里格法，然后根據地質資料等勘探數據或礦體模型對塊體模型進行約束，稱約束后的塊體模型為礦體礦量計算模型，生成塊段報告，這種方法能較準確地計算出礦量，但需要以豐富的地質數據資料為基礎，建立地質數據庫，組合樣品數據;另一種計算礦量的方法是利用“實體體積”計算功能，計算出礦體實體模型體積，再根據地質報告中平均礦石體重計算礦量，這種方法雖較第一種方法的精確性差，但是易于操作。

研究礦山為緩傾斜多層礦床，礦床賦存特征穩定，礦體厚度較穩定;品位變化系數小，有用組分分布均勻，不同方法計算精度變化不大，為此本研究選擇第2 種方法計算可采礦量。計算過程簡單，計算結果滿足設計要求，相對誤差較小。計算中根據設計的井巷工程，將原礦體模型進行實體切割，切除設計損失礦量，留下設計可采礦體。

由于總儲量一定，階段高度不同，各階段的可采礦量也就不同，不同方案計算的的可采礦量Q 見表1。

表1 最優階段高度Table 1 The optimum stage height

2.2.2 計算掘進工程量

在3DMine 軟件中，有2 個途徑可以計算工程量:一種是“地下”菜單中“開拓設計”欄的下級菜單“巷道工程量計算”，是基于線段有效長度和斷面面積來計算體積;另一種是“實體體積”計算，基于實體模型計算體積。對于賦存狀態穩定的礦床，2 種方法計算結果差別不大，第一種方法計算步驟較多。研究中基于已建立的井巷實體模型，選用第2 種方法，實體體積計算掘進工程量如圖6。

掘進工程量不僅包含了基建期的開拓工程量，此外也包括了正常生產經營期間的采準切割巷道掘進工程量。由于一些工程的工程量受階段高度影響較小或不受影響，所以在計算掘進工程量時就不將這些工程計算在內。例如，階段高度不同，礦床設計開采深度受其影響較小，所以各方案的斜井工程量相差不大，故而不考慮斜井掘進工程量。要計算的開采巷道工程主要包括運輸大巷、聯絡道、斜坡道、上山。

圖6 掘進工程量計算Fig.6 Computation of the tunneling engineering

2.2.3 最優階段高度

單位掘進工程量表示開采1 t 礦石所需分攤的掘進工程量。用數學關系式表示即為

式中，N 為單位掘進工程量，t/m3;M 為掘進工程量，m3;Q 為可采礦量，t。

單位掘進工程量是一個綜合性指標，能從技術經濟角度較科學實用、方便快捷地比較方案的優劣性。按照式(1)計算各方案的單位掘進量，結果見表1。

依照最少單位掘進量原則，最優結果是9 097 t/m3，即最優方案為階段高度50 m，與研究礦山實際相符(該礦山實際段高50 m)。

3 結 論

(1)基于緩傾斜多層礦床傾角小、有用組分分布較均勻，賦礦圍巖較穩固的特點，利用三維礦業軟件3DMine 建立了礦體三維模型，并可快捷計算階段可采礦量;以CAD 工程設計為基礎，從而建立了地下開采開拓系統三維實體模型，并核算了掘進工程量，解決了工程量計算量大的問題，實現了地下工程的三維可視化及空間分布優化分析，彌補了二維設計狀態下難以整體直觀了解礦體與巷道、巷道與巷道之間的空間位置關系的不足。

(2)依據多層緩傾斜礦床開采技術條件，建立了以單位掘進量為評價指標的階段高度方案優選方法，克服了采用可采礦量指標和工程量指標評價的單一片面的不足，實現了方案的系統綜合評價。應用階段高度優化模型研究了某多層緩傾斜礦床開拓系統中階段高度的方案優選問題，當階段高度為50 m 時，單位掘進工程量最小，為最優方案，驗證了研究模型的適用性和可行性。

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