基于模擬開采技術(shù)的地下礦山三維可視化生產(chǎn)計劃編制

蔣成榮，彭平安，王李管

(1.攀枝花學院資源與環(huán)境工程學院，四川 攀枝花 617000；2.中南大學資源與安全工程學院，湖南 長沙 410083)

基于模擬開采技術(shù)的地下礦山三維可視化生產(chǎn)計劃編制

蔣成榮1，彭平安2，王李管2

(1.攀枝花學院資源與環(huán)境工程學院，四川 攀枝花 617000；2.中南大學資源與安全工程學院，湖南 長沙 410083)

生產(chǎn)計劃編制是地下礦山最為關(guān)鍵、最為重要的核心決策任務(wù)。針對傳統(tǒng)生產(chǎn)計劃編制過程中暴露出來的周期長、多部門交叉銜接難度大等諸多難題，提出基于模擬開采技術(shù)的三維可視化生產(chǎn)計劃編制方法，闡述了其相關(guān)原理和算法，并以北洺河鐵礦為例，利用DIMINE平臺，在建立三維實體模型和生產(chǎn)路徑的基礎(chǔ)上，以實際開采模型和井巷工程模型為編排對象，根據(jù)輸入的主要生產(chǎn)指標和當前生產(chǎn)現(xiàn)狀為約束條件，在三維空間中通過模擬開采技術(shù)與人機交互相結(jié)合，完成了北洺河鐵礦2014～2016年三年滾動計劃的編制，并應(yīng)用于生產(chǎn)組織和管理。研究結(jié)果表明，該方法能夠顯著提高地下礦山生產(chǎn)計劃編制工作效率，為礦山高效計劃編制提供了新的途徑。

生產(chǎn)計劃；三維可視化；數(shù)字礦山；模擬開采

彭平安(1989—)，男，江西宜春人，博士研究生，主要研究方向為數(shù)字礦山。Email：ping_an@outlook.com。

生產(chǎn)計劃編制工作是礦山生產(chǎn)經(jīng)營管理中的一項重要內(nèi)容，是對企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營進行超前謀劃、制定生產(chǎn)經(jīng)營方案的重要依據(jù)[1]?？茖W合理的生產(chǎn)計劃編制，是實現(xiàn)企業(yè)穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)，實現(xiàn)企業(yè)的長遠規(guī)劃和和可持續(xù)發(fā)展的重要保障，對提高企業(yè)的經(jīng)濟效益也起著舉足輕重的作用。傳統(tǒng)的計劃編制在長期的生產(chǎn)經(jīng)營活動中發(fā)揮了重要的作用，但隨著科技的進步和企業(yè)的快速發(fā)展，也暴露出來許多弊端，如編制周期長、多部門交叉銜接難度大等諸多難題[2-3]。為了改變這一現(xiàn)狀，近些年來，伴隨著數(shù)字礦山在我國的興起，越來越多礦山在尋求利用計算機實現(xiàn)礦山三維可視化計劃編制[4-6]。

本文以北洺河鐵礦為研究對象，在完成地質(zhì)模型、工程模型和采礦設(shè)計的基礎(chǔ)上，對三維可視化高效計劃編制這一難題進行了研究，并基于模擬開采技術(shù)、利用DIMINE三維礦業(yè)軟件完成了北洺河鐵礦2014～2016年三年滾動計劃的編制。為地下礦山高效計劃編制提供了一種新途徑。

1 工程概況

該礦床埋藏于北洺河河床下，礦體埋深266～679m，地質(zhì)儲量7909萬t，Tfe品位49.79%，礦石中金屬礦物以磁鐵礦、黃鐵礦為主，伴有少量赤鐵礦、褐鐵礦、硫、鈷等，礦床產(chǎn)于燕山期閃長巖與奧陶紀石灰?guī)r接觸帶，為接觸交代型磁鐵礦床，地質(zhì)條件與水文地質(zhì)條件復雜[7]。

礦山采用無底柱分段崩落采礦法開采，分段高度15m，進路間距18m，崩礦步距1.7m；用斗容4.0m3電動鏟運機出礦，出礦能力600t/班左右。

井下生產(chǎn)作業(yè)主要包括采準、支護、中孔、采礦等工序，主要生產(chǎn)工序組織參數(shù)見表1所示。

表1 井下主要生產(chǎn)工序組織參數(shù)表

2 基于模擬開采技術(shù)的生產(chǎn)計劃編制原理與算法

生產(chǎn)計劃編制是地下礦山最為關(guān)鍵、最為重要的核心決策任務(wù)，決策任務(wù)是否科學合理，對礦產(chǎn)資源的綜合利用、企業(yè)的經(jīng)濟效益和是否能夠持續(xù)均衡生產(chǎn)有著重大影響，直接關(guān)系到礦山企業(yè)在激烈的市場競爭中的前途和命運[8]。

傳統(tǒng)的計劃編制首先確定年/月計劃的精礦產(chǎn)量，通過選比求得原礦處理量，遵循反推法則分別計算出采礦、中孔、掘進作業(yè)量，根據(jù)全礦的生產(chǎn)組織和設(shè)備運行情況，把全年的生產(chǎn)任務(wù)按月合理分配到每個施工單位，接著在橫道圖中進行銜接擺布，檢測計劃編排的銜接關(guān)系和合理性。如果不合理就在橫道圖中進行重新擺布，往往需要進行多次調(diào)整，才能得出一份比較合理的生產(chǎn)計劃；并需要根據(jù)網(wǎng)絡(luò)計劃圖完成上圖等工作。由此，傳統(tǒng)生產(chǎn)計劃編制的弊端可見一斑。

利用三維礦業(yè)軟件進行計劃編制，以實際開采模型和井巷工程模型為編排對象，在建立掘進、中深孔、采礦三維實體模型和生產(chǎn)路徑的基礎(chǔ)上，根據(jù)用戶輸入主要生產(chǎn)指標和當前生產(chǎn)現(xiàn)狀為約束條件，系統(tǒng)自動編排，在三維空間中模擬生產(chǎn)者的空間運動關(guān)系；采用人機交互模式對作業(yè)場地間銜接順序進行編排，建立起生產(chǎn)者空間運動拓撲關(guān)系網(wǎng)。對重點工程的安排，采用優(yōu)先級進行調(diào)整，最后交由計算機進行計算、分析、調(diào)整、再計算，直到得出一個可行的最佳方案。計劃結(jié)果可通過三維動畫、甘特圖以及報表等展示[9]。

生產(chǎn)計劃執(zhí)行過程的基本思想可以闡述為：生產(chǎn)計劃的編制是以周期為單位，系統(tǒng)執(zhí)行過程中，以初始時間為起點，取出第一個生產(chǎn)周期，確定該周期內(nèi)的生產(chǎn)者，并初始化生產(chǎn)者的位置。在進行下一步之前需要判定生產(chǎn)者當前從事活動所依賴的活動在該處當時是否已經(jīng)完成，如未完成，則該生產(chǎn)者暫時處于空閑狀態(tài)，等待活動完成；若已完成，則可進行下一步，計算所需生產(chǎn)時間，并沿推進方向計算推進長度。推進長度可分為兩種情形，一是長度超過實體末端，即該周期內(nèi)完成該實體任務(wù)后還有富余，這種情形下，該實體生產(chǎn)完成，并將結(jié)果寫入數(shù)據(jù)表中，同時需要查找候選施工場地，計算該周期的剩余時間，以剩余時間為基礎(chǔ)，再次計算推進長度，若未查找到候選施工場地，則生產(chǎn)者暫時處于空閑狀態(tài)。推進長度的第二種情形是未超過實體末端，此時需要對實體進行分割處理，表示這一周期內(nèi)生產(chǎn)的任務(wù)完成情況，同時將結(jié)果寫入數(shù)據(jù)表中，再次計算下一周期，進入循環(huán)，直至計劃時間全部完成，退出。整體算法流程如圖1所示。所提算法已在DIMINE軟件中得到實現(xiàn)。

3 工程應(yīng)用

DIMINE三維數(shù)字采礦系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于我國有色金屬礦山的地質(zhì)建模、儲量估算、測量驗收、采礦設(shè)計工作中[10]，然而在生產(chǎn)計劃編制方面的應(yīng)用仍鮮見有報道。DIMINE生產(chǎn)計劃編制系統(tǒng)的基本功能構(gòu)架如圖2所示。

圖1 生產(chǎn)計劃執(zhí)行算法

圖2 生產(chǎn)計劃編制系統(tǒng)基本功能構(gòu)架

3.1 數(shù)據(jù)準備

生產(chǎn)計劃數(shù)據(jù)模型是三維可視化計劃編制的基礎(chǔ)，將井下開采對象和井巷工程在三維空間中進行模型的建立，使開采對象更具體形象，更有利計劃的編制。

計劃編制的數(shù)據(jù)要求如下：①根據(jù)發(fā)生在生產(chǎn)路徑上的各類生產(chǎn)活動的特點，將生產(chǎn)活動劃分為主體任務(wù)與派生任務(wù)。主體任務(wù)是指直接產(chǎn)生三維空間的生產(chǎn)活動，派生任務(wù)發(fā)生在主體任務(wù)產(chǎn)生的三維空間中，不直接產(chǎn)生三維空間，卻與生產(chǎn)路徑線或橫斷面存在某種數(shù)學關(guān)系，如支護、中深孔等；②每個實體和路徑必須有一一對應(yīng)的實體名稱；③路徑線的方向盡量與生產(chǎn)推進方向一致；④生產(chǎn)路徑相交處必須有交點存在；5)為了保證礦量的準確性和唯一性，為整個礦體建立一個統(tǒng)一的塊段模型，可根據(jù)不同條件需要設(shè)定不同的次分級數(shù)，以便達到不同用途的精度要求。

根據(jù)北洺河鐵礦的生產(chǎn)實際，建立了井巷工程模型，中孔模型以及采礦模型，并分別采用線文件和體文件進行管理。對每個實體和路徑進行了一一對應(yīng)命名，建立計劃工程時將實體名稱及其他屬性字段進行組合，完成場地名定義。

生產(chǎn)路徑主要指生產(chǎn)隊伍或設(shè)備的運動軌跡及推進方向，利用井巷工程設(shè)計中心線、實測巷道中心線、采場中心線，以及其他能夠正確反映工程實體及其生產(chǎn)方向的線。三維實體主要指的是生產(chǎn)活動的開采對象。巷道工程由設(shè)計中心線加固定斷面生成或者由實測數(shù)據(jù)直接生成；中潛孔和采礦三維實體描述中潛孔和爆破作業(yè)對象。

此外，將大量計劃編制所需要的原始資料和信息，全部存儲在塊段模型和實體模型中，省去了傳統(tǒng)生產(chǎn)計劃編制時繁瑣的數(shù)據(jù)反復查找和統(tǒng)計工作。

3.2 生產(chǎn)活動銜接處理

生產(chǎn)任務(wù)之間的先后順序要遵循一定的邏輯和運動關(guān)系，一項活動要開始施工，上一道工序的任務(wù)必須完成，同樣只有在它本身任務(wù)完成的情況下，它的后序活動方可開展。

后繼、后序關(guān)系的標定在三維空間中按照施工先后順序進行，或者在生產(chǎn)場地屬性表中設(shè)置。如：某掘進隊掘完1-2進路巷道后接著施工1-3進路，則該巷道的后繼場地是1-3進路；再比如只有在某一進路掘進完成的情況下，方可打錨桿，同樣只有錨桿打完后方可噴漿，則錨桿的前驅(qū)是掘進，后序是噴漿。

生產(chǎn)任務(wù)的后繼、后序銜接關(guān)系既可由用戶指定，也可由系統(tǒng)自動分配。系統(tǒng)分配后繼、后序任務(wù)時，首先在用戶指定的搜索范圍內(nèi)搜索任務(wù)場地，然后按照優(yōu)先級、距離等條件排序，選出一個最合適的作為生產(chǎn)者的下一個任務(wù)。用戶可在“生產(chǎn)活動匯總表”中為每一種生產(chǎn)活動單獨指定搜索方案，也可在執(zhí)行計劃時設(shè)置統(tǒng)一的搜索方案。

同時為了確保重點工程能夠按時間順利完成，可把工程按類別和重要性進行了系統(tǒng)的分類，對那些重點工程的優(yōu)先級設(shè)置的級別較高，讓計算機在運算過程中優(yōu)先考慮安排。

3.3 三維運動拓撲網(wǎng)建立方法

在建立三維拓撲關(guān)系網(wǎng)之前，首先要對生產(chǎn)路徑線方向進行調(diào)整，保證路徑線的方向盡量與生產(chǎn)推進方向一致。

生產(chǎn)計劃三維運動拓撲網(wǎng)的建立，一方面可以通過系統(tǒng)自動建立；也可以通過標定后繼、后續(xù)關(guān)系，人機交互進行建立。在人機交互建立運動拓撲關(guān)系網(wǎng)時，可以有效利用數(shù)據(jù)表格與空間數(shù)據(jù)的相互銜接，快速進行相應(yīng)定位。

3.4 計劃的執(zhí)行

建立生產(chǎn)者空間運動拓撲關(guān)系網(wǎng)后，設(shè)置計算的相關(guān)參數(shù)，包含塊段模型、計算品位字段、比重字段等，最后執(zhí)行計劃，計算機會在空間范圍內(nèi)通過最大查找距離和最大查找個數(shù)及優(yōu)先級找到合理的施工場地。

執(zhí)行完畢后，“生產(chǎn)任務(wù)屬性表”中顯示出各任務(wù)的前驅(qū)、后繼、開始和結(jié)束時間、施工者以及完成總量。系統(tǒng)生成“周期單體匯總表”、“周期派生任務(wù)單體匯總表”及甘特圖，用戶可查看周期單體圖形和模擬動畫。

3.5 計劃的修改

計劃編制的一個最大的特點就是它具有時間性，在三維環(huán)境中進行計劃編制，一項重要的工作就是進行前期的開采對象和工程建模，但隨著勘探深度和施工進度的開展，可能對礦體的形態(tài)認識會有新的變化，這就需要對工程進行修改，當工程修改完畢以后，就會出現(xiàn)計劃模型和現(xiàn)場不一樣，針對這一情況，探索研究了計劃數(shù)據(jù)的更新(將新的場地添加進原有的三維實體文件和生產(chǎn)路徑文件中)，使得計劃數(shù)據(jù)保持最新狀態(tài)，保證了計劃編排的合理性。工程追加或每次計劃經(jīng)用戶調(diào)整之后，系統(tǒng)就會對新的計劃進行重新計算，快速實現(xiàn)計劃的更新和修改。

3.6 計劃編制結(jié)果

計劃編制完畢后，利用動畫、甘特圖、圖表等形象、直觀的表達結(jié)果。這樣不但可以在三維空間中直觀的對施工者的運動規(guī)律、施工部位的銜接關(guān)系進行分析，也可以通過圖表進行分析，為準確、科學編制合理的計劃提供可操作的一種高效模式。

本次工作完成了北洺河鐵礦2014～2016年三年滾動計劃的編制。

甘特圖又叫橫道圖，通過活動列表和時間刻度形象地表示出項目的活動順序與持續(xù)時間。它的橫軸表示時間，縱軸表示活動(項目)，進度條表示在整個期間計劃和實際的活動完成情況，直觀地表明了任務(wù)計劃在什么時候進行，及實際進展與計劃要求的對比。

4 結(jié)論

1)生產(chǎn)計劃編制是地下礦山最為關(guān)鍵、最為重要的核心決策任務(wù)。針對傳統(tǒng)生產(chǎn)計劃編制過程中存在的弊端，提出基于模擬開采技術(shù)的三維可視化生產(chǎn)計劃編制方法，闡述了其相關(guān)原理和算法。

2)在三維可視化環(huán)境下編制生產(chǎn)計劃能夠清晰地反映礦山各要素在空間的分布情況，防止了經(jīng)驗主義帶來的風險因素。

3)利用DIMINE完成了北洺河鐵礦2014～2016年后三年滾動計劃的編制，并應(yīng)用于生產(chǎn)組織和管理。實踐結(jié)果表明，該方法顯著提高了地下礦山生產(chǎn)計劃編制工作的效率，為礦山高效計劃編制提供了新的途徑。

[1] 童光煦，李英龍.礦山生產(chǎn)計劃編制方法的發(fā)展概況[J].金屬礦山，1994(12):11-16.

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3D visualization production planning in underground mining based on simulating technology

JIANG Cheng-rong1，PENG Ping-an2，WANG Li-guan2

(1.School of Resources and Environment Engineering，Panzhihua University，Panzhihua 617000，China；2.School of Resources and Safety Engineering，Central South University，Changsha 410083，China)

Production planning is the most important and critical tasks for underground mines.As the traditional production planning has many problems like taking long time，multi-sectoral cross convergence difficulty and so on，we proposed a production planning method based on 3D simulating，described its relevant principles and algorithms.Taking Beiminghe Iron Mine as an example，we choose DIMINE as the platform.Based on the 3D entity model and production path，the actual mining model and roadway engineering model are our main objects，thus，according to the main production index input and current production status as the constraint conditions，combining 3D simulating with human-machine mutual，we completed the three years rolling plan of Beiminghe Iron Mine from 2014 to 2016，and it’s applied in production organization and management.The results show that the proposed method significantly improves the work efficiency of production planning，thatprovides a new way for efficient planning of underground mining.

mining plan；3D visualization；digital mine；mining simulation

2014-08-21

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)項目“地下金屬礦開采智能調(diào)度與控制”資助(編號：2011AA060407)

蔣成榮(1963-)，男，副教授，主要從事采礦理論、工程爆破等方面的研究。E-mail：pzhpdjiang@sina.com；

TD 853.36

A

1004-4051(2015)08-0152-05