基于3DMine的露天轉地下三維模型構建

王 錚，高 鋒

(1.馬鋼(集團)控股有限公司桃沖礦業公司， 安徽蕪湖市 241208；2.華北理工大學礦業工程學院， 河北唐山市 063009)

基于3DMine的露天轉地下三維模型構建

王 錚1，高 鋒2

(1.馬鋼(集團)控股有限公司桃沖礦業公司， 安徽蕪湖市 241208；2.華北理工大學礦業工程學院， 河北唐山市 063009)

以某鐵礦露天轉地下開采為背景，研究應用3DMine礦山工程軟件分別建立礦山地表模型、礦體模型、小斜坡道系統和開拓系統模型。通過集成組合，構建露天轉地下開采的三維分析平臺。該平臺的構建是數字化礦山技術的具體應用，對礦山過渡期內的生產指導具有極大的影響意義。

露天轉地下；數字建模；3DMine

0 前 言

國內一些大中型露天礦山隨著采坑下延，坑內平面可采礦量急劇縮小，生產條件逐漸惡化，技術經濟指標下降，亟需露天轉地下開采。露天轉地下過渡期的安全高效生產技術，是決定礦山經濟效益的關鍵因素和當前國內采礦行業面臨的一個難題。本文以某大型礦山露天轉地下開采為背景，研究應用3DMine軟件構建露天轉地下開采三維分析平臺，為該項技術的研究提供有利條件[1-6]。

1 礦山概況

經多年開采，該礦山剩余礦體出露長1460 m，寬20～150 m。礦體總體走向10°～50°，傾向北西轉南東，傾角 74°～87°，平均品位TFe29.30%，mFe 24.27%，礦體圍巖穩固。礦體形態多呈似層狀、扁豆狀，沿走向、傾向可見膨縮及分支復合現象。依據礦體平面分布位置，由東至西共分4個礦體，編號為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ，呈平行帶狀排列。Ⅱ號礦體為主礦體，其中分布在11線北至14線南，全長1380 m。礦體由多層礦組成，總體呈南寬北窄中間厚大的層狀。依據礦層和夾石分布情況，Ⅱ礦體進一步分為3層礦體，由西向東編號為Ⅱ-1、Ⅱ-2、Ⅱ-3。

經過多年開采，該露天礦已經開采到468水平。露天采場內考慮損失貧化后可采出礦石量已經不多，按礦山目前的生產能力，礦山露天開采已面臨結束，而地下礦儲量豐富。礦山委托了多家單位進行了露天擴幫設計、地下開采設計、露天轉地下過渡方案等課題的研究，準備露天轉地下開采。

2 礦山三維模型建立

通過建立礦山三維分析平臺，實現礦山信息數字化、可視化，有助于研究礦山開采現狀、分析露天開采和地下開采的地質條件，為確定合理的露天轉地下過渡方案、過渡期區域的劃分、過渡期產能分析、過渡期時空節點的確定以及地下開拓系統的優化設計提供分析工具。

2.1 表面模型建立

3DMine軟件采用不規則三角網來構建礦體三維可視化模型。分析礦區地質地形資料，屏蔽無用信息，對圖內各類線條和點進一步分層，并導入3DMine中，將圖形轉換為真實坐標，保存為單獨的線文件[3]。對等高線、臺階坡頂線、坡底線等賦高程。采坑西幫存在大量的人工堆積體，拼接和局部高程錯誤問題較多，根據地貌實際情況，推算局部未知高程，建立三維坐標，在三維狀態下觀察賦值結果的正確性。執行“生成DTM表面”命令，生成礦區地表模型。為了使表面模型逼真形象，通過地表模型“Gouraud渲染”和“顏色渲染”及“透明顯示”等功能，對模型進行處理。生成的開采現狀表面模型如圖1所示。按照同樣的方法，把露天逐年開采計劃圖三維數字化，直至露天開采最終境界。

2.2 礦體模型構建

礦體的分支復合現象較多，夾石厚大，礦體之間的距離很近，通過“剖面線法”構建礦體模型。礦體的一部分已經通過露天開采采出，為了便于露天轉地下開采過渡方案的研究，已經被開采的礦體利用CAD礦體剖面線還原。

矢量化前對每張勘探線剖面圖需進行預處理[4]，僅保留礦體剖面線和圖名。在每張剖面圖中，將每一礦體單獨存放到以其名字命名的圖層中。加載到3DMine軟件中，經過坐標轉換、移動和旋轉等操作，使勘探線剖面圖在三維坐標下反映實際情況，如圖2所示。

圖1 露天開采現狀表面模型

圖2 各剖面相對位置

根據礦體地質條件，設置合適的三角網參數，在相鄰的剖面圖中選擇同一礦體的閉合線，依次連接成三角網，采用加“控制線”、“分區連接”對連接的三角網形態進行控制，形成完整的礦體模型。對于端部礦體，結合地質學知識和地質資料推測尖滅狀態[5]，采用“外推礦體”的方法進行處理。建模時，不同的礦體采用不同的實體編號進行區分，同時利用鮮明的顏色對已開采部分、未開采部分、高品位礦體、低品位礦體加以區分。

對形成的實體，及時進行優化、驗證，使礦體模型能夠進行布爾運算、儲量計算等。通過實體驗證的礦體模型見圖3。可以清楚地分析礦體之間的空間位置關系、每個礦體的賦存狀態、露天和地下開采和的分界面、礦體的品位分布和分段處理，為過渡期內產能優化和開拓系統以及采準工程的優化設計提供基礎。

圖3 礦體模型

2.3 主井開拓系統模型構建

根據地下礦開采初步設計，階段高度120 m，分段高度20 m，礦體從360 m往下分為4個階段，主井斜坡道聯合開拓，0 m以下布置粉礦回收系統。

井巷模型屬于實體模型，對原始巷道工程平面圖進行處理，將主副井、風井、斜坡道以及不同中段巷道的信息單獨提取出來，分層保存為3Ds格式文件，對各圖形線條三維矢量化處理[4]。在“由斷面及中線生成”對話框中，設定巷道斷面參數，設置交叉口參數，確認執行生成巷道模型，不同的井巷用不同的顏色和實體號加以區分。對于每個錯誤的巷道交叉口，通過沿線切割剖面刪除，設置交叉口參數進行交叉口設計。生成的巷道模型見圖4。

圖4 開拓系統模型

主井開拓系統三維數字模型建模速度快，可以直觀的觀察不同階段井巷在空間上的對應關系，能夠根據地質條件快速調整，避免了平面圖作圖工作量大、空間關系對應困難的缺陷。利用開拓系統模型快速計算基建工程量和投資，制定基建進度計劃，分析工程布置的合理性。使用不同開拓方案的數字模型，進行基建時間和投資的計算、通風計算以及開拓通風系統的優化研究，極大地提高了工作效率，同時為過渡期時空節點的銜接提供了條件。

2.4 小斜坡道開拓系統模型

為了保證礦山露天轉地下開采的產能平穩過渡，提出過渡期內北端礦小斜坡道系統開采方案。小斜坡道開拓系統使用無底柱分段崩落法開采，垂直走向布置進路，三維模型如圖5所示。在旋轉狀態下觀察進路聯絡巷與露天臺階的關系，小斜坡道與各分段的連接情況以及安全礦柱與北端礦的空間位置關系，從而合理確定北端礦地下開采的運輸路線和通風管理方式。通過三維圖，可以對每一分段的進路間距、分段高度以及進路布置方式進行調整，對采場結構優化起到輔助作用。

2.5 三維分析平臺形成

將表面模型、礦體模型和開拓系統模型按照三維坐標有機組合，形成露天轉地下三維分析平臺，如圖6所示。分析平臺包含露天開采境界、露天采場和排土場參數、地形地貌及相關參數、工業廠區布置、礦體信息、井巷參數、工程開始和結束時間等信息。采用地表模型的優化渲染和透明度設置，直觀清楚的分析地表、礦體和開拓系統的空間位置關系。通過不同視角的旋轉分析，充分結合地表形態、礦體的賦存狀態以及礦山發展的需要，在時空層面上更改不合理的露天與地下的工程布置，經過綜合研究，確定最佳的露天轉地下安全高效開采方案。

圖5 北部開拓系統

圖6 礦山三維模型

3 結 語

(1)利用3DMine礦業工程軟件，通過一定的方法，建立地表、礦體和開拓系統的數字化模型，形成露天轉地下開采三維分析平臺。

(2)該分析平臺可以應用于地表和礦體形態分析，露天和地下開采過程的分析、過渡期內產能優化研究、時間和空間節點的確定、開拓和通風系統優化研究以及采場結構參數優化研究等，從而為露天轉地下礦山安全高效開采技術提供研究支撐。

(3)露天轉地下三維分析平臺的構建是數字化礦山技術的具體應用，該平臺可以作為露天轉地下工程的指導藍圖，輔助礦山工程管理工作，對礦山的平穩過渡及長遠發展具有很大的影響意義。

[1]王文舉，徐 軍，侍大軍.3DMine礦業工程軟件在遠程煤礦首采區及拉溝位置方案選擇中的應用[J].露天開采技術，2012(S1):17-20.

[2]張壽濤.3DMine礦業工程軟件在勝利露天煤礦的應用[J].露天開采技術，2011(4):74-76.

[3]陳竟文，吳仲雄，陳德炎.3DMine礦業工程軟件在構建五圩礦三維可視化模型中的應用[J].現代礦業，2012，1(1):4-7.

[4]羅先尾，陳慶發，潘桂海.銅坑礦鋅多金屬礦體三維可視化模型構建[J].新疆地質，2012，6(2):235-237.

[5]文柏茂.3DMine在某鎢錫礦三維建模及爆破設計中的應用[J].采礦技術，2012，11(6):78-79.

[6]甘德清，張亞賓，陳 超.基于隨機介質放礦理論的覆蓋層結構優化研究[J].金屬礦山，2012(3):15-18.

2015-10-20)

王 錚(1989-)，男，助理工程師，注冊安全工程師，Email:tkwang@163.com。