三維可視化建模在采礦工程爆破設計中的應用

蔡官東

(涼山礦業股份有限公司拉拉公司，四川 會理 615100)

0 引 言

隨著數學、地質學、統計學等學科的發展及計算機技術的進步，利用各類專業礦山軟件進行三維采礦設計已經成為采礦設計的趨勢。以往的采礦設計工作，設計者是處于二維平面視覺下，通過平剖面圖結合的方法來表述相關工程布置，這種方法所表述的信息量少、圖形缺乏直觀感，非專業人員及現場作業人員不易理解。同時存在著設計者作業量大、工作效率低等相關問題。該文中，借助DIMINE三維數字化礦山軟件，在礦山三維實體建模的基礎上，以2 335 m水平②號礦體為例，直接體現工程空間分部情況，可進行任意旋轉、剖切，直觀感受工程空間布局及相互關系，并自動生成相關工程平面圖、施工卡片、技術經濟指標表等，為設計者及現場施工組織者提供直觀、準確的圖形數據，從而提高設計者工作效率及準確性，減小設計者勞動強度，并有助提高施工過程中的施工質量水平。

1 礦山概況

礦區已查明3個主要礦體，其中①號礦體呈南北走向，傾角58°～76°傾向西北，平均傾角72°急傾斜礦體，控制深度500 m，走向長830 m，礦體厚度5.3 ～22.4 m，平均厚度12.3 m，礦石性質為碳質板巖原生硫化礦部分氧化；②號礦體位于①號礦體西側上盤，呈南北走向，傾角68°～79°傾向西北，平均傾角75，控制深度500 m，急傾斜礦體，走向長350 m，礦體厚度14.5 ～47.8 m，平均厚度24.5 m，礦石性質為碳質板巖原生硫化礦，礦石含水量高，礦體斷層節理發育，穩固性差；③號礦體位于①②號礦體北側，呈近東西走向，傾角62°～73°傾向東北，平均傾角70°急傾斜礦體，控制深度300 m，走向長200 m，礦體厚度1.00 ～15.4 m，平均厚度7.5 m，上部出露地表氧化率較高。

礦山2 435 m水平以上礦體開采已接近收尾，目前主要開采2 385 m，2 335 m水平。采用斜井-平硐-溜井的開拓方式，卷揚機提升，電機車運輸，主要采用空場采礦法。2 335 m水平以下采用豎井開拓方式，主要采用分段崩落采礦法。

2 三維實體建模

2.1 基礎數據準備和收集，創建地質數據庫

DIMINE三維數字化礦山軟件中所需的基礎數據包括等高線地形圖、鉆孔資料、中段平面圖、勘探線剖面圖、井巷及采切工程的設計和實測圖。在實際操作過程中，坑道探礦資料視同為鉆孔資料進行使用，鉆孔資料是將工程起始點、方位、走(傾)向、地質編錄、取樣化驗等信息進行綜合分析，來呈現鉆孔完整的信息，從而建立地質數據庫。

2.2 三維實體模型的建立

在地質數據庫建立好以后，在三維視圖情況下顯示地質工程，信息包括鉆孔或坑道的形態、礦石品位、巖性等，在此基礎上利用所獲得的綜合信息對礦山進行三維實體建模工作。

三維實體建模也就是地質體模型的建立分為2個方面：地形模型和礦體實體。建立地形模型是運用軟件的創建DTM功能，通過測量所獲得的地表等高線數據，由CAD圖形利用導入功能導入到DIMINE礦業軟件后，為等高線賦予相應的高程從而生成精確的數字地表模型，見圖1。

礦體的實體建模相對于地形模型的建立要更為復雜，我們通過2種方法來對礦體進行建模。第一種是通過對已有的CAD平、剖面圖數據進行整理簡化，保留所需數據后導入到Dmine系統，根據平、剖面圖所表述的礦體空間形態及走向展布，通過軟件的連線框-基于輪廓線三維重建功能建立礦體模型。這種建模的優勢在于建模速度快，方法簡單，但存在著建模后數據單一，估值結果不精確等弊端，只可用作精度要求不高的臨時示意性礦體的建模工作。第二種是通過已建立的地質數據庫資料，以各條勘探線剖面輪廓形態，按地質推論規律形成礦體基本輪廓，通過線框模型構建法建立礦體模型。模型建立后從圖2能直觀的反映出礦體的空間分布狀態，見圖2。

圖1 礦區地表模型(等軸側視圖)Fig.1 Surface model of mine area (isometric side view)

圖2 礦體模型Fig.2 Ore body model

3 采準切割工程設計

3.1 劃定礦塊

確定礦塊回采條件確定礦塊的范圍，根據已建立的礦體模型，利用實體分割功能，分別在平面和剖面根據所需要求切割，就可以劃定準備進行采礦設計的礦塊模型，見圖3。在使用此功能進行礦塊切割時注意：①切割面個數必須是奇數；②選擇剪切封口。

3.2 采準切割工程設計

采準切割工程設計其實是對所有采切工程巷道進行建模的一個過程，該礦體設計采礦方法為分段崩落采礦法為主、淺孔留礦采礦法為輔的聯合開采方法，工程主要包括出礦進路、裝礦運輸巷道、鑿巖巷道、廢石溜井、人行天井、材料天井、切割天井、切割槽等。只需先建立巷道中心線，確定巷道斷面及規格尺寸通過井巷工程功能即可完成。本文所示礦體采切工程見圖4。

圖3 回采礦塊模型(俯視圖)Fig.3 Back mining block model (top view)

1.601穿脈；2.602穿脈；3.603穿脈；4.604穿脈；5.605穿脈；6.1#裝礦道；7.2#裝礦道；8.3#裝礦道；9.1分層鑿巖道；10.2分層鑿巖道；11.3分層鑿巖道；12.4分層鑿巖道；13.1分層切割井；14.2分層切割井；15.3分層切割井；16.4分層切割井；17.1分層聯道；18.2分層聯道；19.3分層聯道；20.4分層聯道；21.1#材料井；22.1#人行井；23.2#材料井；24.2#人行井；25.下渣井

圖4 采切工程模型(等軸側視圖)
Fig.4 Mining engineering model (isometric side view)

4 爆破設計

爆破設計是地下采礦設計的重要組成部分，直接關系到礦石回采率和貧損率的高低。根據前期工作建立的礦塊模型和采切工程模型，就可以進行爆破設計了。

4.1 生成爆破邊界、設置爆破參數

根據采用的采礦方法特點，以各分層鑿巖巷道中心線為法線，左右9 m為爆破控制邊界，每層鑿巖道控制層高10 m，通過實體分割獲取礦塊，賦予礦塊屬性為采場，根據巷道中心線利用基于已有線創建工作面，確定炮孔排距2 m創建工作面，點擊爆破邊界命令由工作面切割生成爆破邊界。

切巷的爆破參數設置有：炮孔參數：孔底距3 m；孔底距容差0.2 m(孔底距容差指孔底距允許偏差的范圍)；最小孔口距0.5 m；邊界容差-0.5 m(邊界容差指炮孔實際長度與爆破邊界允許偏差范圍，負值為炮孔在爆破邊界內)。鉆機參數：機身高度1.5 m；鉆機支高0.2 m(鉆機支高指鉆機下部墊起高度)；鉆機最大高度1.8 m；鉆孔直徑80 mm；最大孔深15 m。炮孔參數：炮孔角度：左側角度20°、右側角度15°；采場邊界點為最遠點；炮孔方向向上。

4.2 生成炮孔文件

點擊扇形孔命令軟件根據以設置的參數自動生成炮孔，如果出現生成的炮孔不滿足設計要求的情況，我們可以通過編輯炮孔功能對不符合要求炮孔進行調整，調整時軟件會對調整炮孔參數進行顯示，以免調整炮孔超出容差范圍，若存在超出容差范圍炮孔時，命令窗口會進行提示。炮孔調整完成后對炮孔進行編號，方便后期施工中進行管理。

4.3 裝藥量設計

在各排炮孔設計完成后，通過自動裝藥功能設置炮孔裝藥量。裝藥參數設置，充填長度3～5m；炸藥比重參照礦山所使用的2#巖石乳化炸藥取1.1。裝藥完成后視窗右側顯示每個炮孔長度、充填長度，通過觀察可對不符合要求炮孔進行裝藥長度的調整，見圖5。

圖5 生成單排炮孔示意圖Fig.5 Schematic diagram of a single row of blastholes

4.4 生成爆破作業卡

設計圖紙和技術文檔是設計成果的體現，主要用于指導工程施工。設計完成后，把設計好的各個爆破斷面炮孔數據及裝藥量輸出為CAD形式的二維施工卡片，見圖6，這樣在施工過程中作業人員就能方便地根據施工卡片上的信息來控制工程施工。

圖6 炮孔施工卡片Fig.6 Blasthole construction card

設計完成后，通過爆破實體，見圖7，對爆破量和爆破所得礦石量進行計算，對經濟技術指標進行分析，得出相關數值，見表1。

圖7 爆破實體(等軸側視圖)Fig.7 Blasting entity (isometric side view)

表1 技術經濟指標表Tab.1 Technical and economic indicators

注：爆破經濟技術指標。

5 結 語

爆破設計是采礦設計的重要組成部分，傳統的設計工作工程計算和繪圖的工作量大、成果輸出表述不直觀，借助DIMINE三維數字化礦山軟件，不僅提高了設計者的工作效率和設計的準確性，同時更準確和直觀的為施工組織人員提供施工憑據，能夠有效的提高礦山生產效率和經濟技術指標。礦山三維化和數字化應成為礦山可持續發展的方向。