設(shè)計(jì)輔助軟件建模三維可視化在金川礦山回采中應(yīng)用

鄭向黨，張琳琳，蘇良軍，王秀東

（金川集團(tuán)公司二礦區(qū)甘肅，甘肅 金昌 737100）

金川礦山礦體厚大、埋藏深、地應(yīng)力高，大小斷層縱橫交錯(cuò)，節(jié)理裂隙十分發(fā)育，巖礦破碎、易垮塌，工程穩(wěn)定性低，是一座典型的構(gòu)造應(yīng)力型難采礦床。多年來，金川人對礦山生產(chǎn)安全可預(yù)測、工程有序、經(jīng)濟(jì)及高效的采出礦石一直在持續(xù)探索中[1]。

隨著科技不斷發(fā)展，Auto CAD設(shè)計(jì)輔助軟件在日常解決問題工作中得以廣泛的應(yīng)用，然而，金川礦山生產(chǎn)中使用僅限于二維設(shè)計(jì)，其在管理方面的優(yōu)勢并未充分全發(fā)揮。因此，需對該軟件三維可視化功能優(yōu)勢在金川二礦區(qū)958分段Ⅲ、Ⅳ盤區(qū)進(jìn)行推廣應(yīng)用，創(chuàng)建的模型達(dá)到既“可視”又“可算”又能夠較全面真實(shí)地反映作業(yè)區(qū)實(shí)景，以此為基礎(chǔ)對盤區(qū)生產(chǎn)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化及組織生產(chǎn)。

1 工程概況

礦山采用機(jī)械化下向進(jìn)路膠結(jié)交接充填，多中段、多盤區(qū)同時(shí)開采方法，作業(yè)環(huán)境問題頗多，生產(chǎn)管理復(fù)查。工程地段為958分段Ⅲ、Ⅳ盤區(qū)，屬于超基性巖型銅鎳硫化物礦體，兩個(gè)盤區(qū)富礦位于中心，貧礦位于富礦周圍，貧富礦體之間界線比較清楚。上、下盤主要為超基性巖體，次為大理巖，圍巖整體穩(wěn)固性較好，但礦巖交界帶巖體較為破碎，工程地質(zhì)條件較差。Ⅲ盤區(qū)分層底板設(shè)計(jì)標(biāo)高為956.133m，可回采礦量21.98萬噸，貧礦4.8萬噸，富礦17.72萬噸，夾石0.08萬噸，兩個(gè)分層高度均為4.5m；Ⅳ盤區(qū)二分層底板設(shè)計(jì)標(biāo)高為955.589m，可回采礦量18.28萬噸，貧礦9.02萬噸，富礦9.69萬噸,夾石0.17萬噸，兩個(gè)分層高度均為4.5m，兩個(gè)盤區(qū)的設(shè)計(jì)損失率、貧化率均為4.2%、5.0%。生產(chǎn)管理采用深入井下現(xiàn)場進(jìn)行了解后回到地表制定設(shè)計(jì)和施工方案的傳統(tǒng)管理模式。此工作方式存在著管理及設(shè)計(jì)人員考慮不周不完善，易疏漏，理解不直觀現(xiàn)象，工程銜接和組織生產(chǎn)存在不緊密不緊湊環(huán)節(jié)，施工中也存在安全隱患風(fēng)險(xiǎn)未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)未能及時(shí)規(guī)避及消除問題，同時(shí)也存在著管理者指揮與實(shí)際現(xiàn)狀存在不符之處。

2 AutoCAD設(shè)計(jì)輔助軟件建模難點(diǎn)

一是由于三維建模由簡單基本幾何體組合而成，需對盤區(qū)礦巖狀況、采準(zhǔn)工程、切割工程，系統(tǒng)擺布，設(shè)施分布、隱患部位、硐室位置、防護(hù)裝置等施工要素進(jìn)行幾何體布爾運(yùn)算，存在著多種技術(shù)攻克點(diǎn)；二是建模地段地應(yīng)力較大，易出現(xiàn)垮幫和冒頂以及工程造成破壞，顯現(xiàn)的數(shù)據(jù)和信息難以收集；三是原始基本資料存儲有丟失失真的現(xiàn)象。

3 AutoCAD設(shè)計(jì)輔助軟件三維可視化建模思路及方法

（1）根據(jù)盤區(qū)數(shù)據(jù)來源途徑、信息種類進(jìn)行信息轉(zhuǎn)化和存儲。先利用矢量數(shù)據(jù)建立有線框模型，表面模型和實(shí)體模型，然后轉(zhuǎn)化和存儲地質(zhì)體及工程的點(diǎn)、線、面、體信息，如坐標(biāo)、長度、面積、體積等；再建立格柵數(shù)據(jù)有塊段模型，轉(zhuǎn)化和存儲地質(zhì)體及工程的內(nèi)容屬性信息，如品位、體重、巖型等。

（2）資料進(jìn)行整理，實(shí)現(xiàn)盤區(qū)生產(chǎn)信息的數(shù)字化建立圖像資料。通過復(fù)雜的三維地質(zhì)建模技術(shù)將盤區(qū)勘探、調(diào)查以及生產(chǎn)過程中獲取到的所有生產(chǎn)資料進(jìn)行整理，實(shí)現(xiàn)盤區(qū)生產(chǎn)信息的數(shù)字化，獲得盤區(qū)開采環(huán)境的空間位置和集合形態(tài)特征，比如地形、地層、礦體、工程等圖像。同時(shí)，可得到反映開采環(huán)境特征的相關(guān)參數(shù)，比如巖體強(qiáng)度、巖體質(zhì)量指標(biāo)等。

（3）利用存儲的數(shù)據(jù)庫建立多種工程平面名模塊。根據(jù)采掘工程平面圖、礦體界線圖、盤區(qū)回采設(shè)計(jì)圖、工程布置圖、坑道平面圖等圖件通過坐標(biāo)變換、旋轉(zhuǎn)、拉伸、修剪等建立不同工程模塊。

（4）采用多種專業(yè)方法構(gòu)建三維實(shí)體。以設(shè)計(jì)實(shí)測法、設(shè)計(jì)法和模型法三種主要方法構(gòu)建三維實(shí)體工程；以步距法、極坐標(biāo)法和雙線法等方法，依據(jù)原始測量數(shù)據(jù)或?qū)崪y工程的平面圖數(shù)據(jù)建立三維工程模型。

（5）CAD輔助軟件實(shí)體建模。通過基于特定的CAD編輯，使用的三維建模工具實(shí)體編輯，視覺樣式，視圖，UCS（改變坐標(biāo)系）拉伸等工具建立三維實(shí)體設(shè)施實(shí)體。如變壓器，鋼拱架、木棚子、排污管等模型。通過上述方法建立AutoCAD設(shè)計(jì)輔助軟件三維可視化模型，方便快捷反演出各種復(fù)雜的地下工程，并將其真三維地展示在三維虛擬地質(zhì)體中，完整地再現(xiàn)盤區(qū)作業(yè)環(huán)境和生產(chǎn)系統(tǒng)以及各生產(chǎn)要素。

4 可視化在盤區(qū)中的應(yīng)用效果

（1）盤區(qū)地質(zhì)狀況及作業(yè)環(huán)境展示效果。三維建模后，從圖模型直觀看到盤區(qū)地質(zhì)環(huán)境賦存的礦體和圍巖的穩(wěn)固性、節(jié)理發(fā)育狀況、巖石破碎程度、礦石品位分布條件，以及進(jìn)路回采與充填、礦石搬運(yùn)、作業(yè)環(huán)境治理、支護(hù)形式、動(dòng)力管線架設(shè)、管控設(shè)施分布、通風(fēng)排污、溜井運(yùn)行等情況。

如1～4圖所示，盤區(qū)川沿脈道交匯位置，采空區(qū)應(yīng)力收斂變化、開裂變形情況，防護(hù)措施效果，施工與相鄰工程間關(guān)系、充填通風(fēng)系統(tǒng)假坑道程預(yù)留狀況，充填板墻的砌筑位置，回采作業(yè)進(jìn)路數(shù)量，爆破開口等工作情況情況一目了然。

圖1 盤區(qū)生產(chǎn)系統(tǒng)三維實(shí)體圖

圖2 支護(hù)工程分布與頂板間效果

圖3 二、三分層聯(lián)絡(luò)道進(jìn)入假頂圖

圖4 管線、電源箱、控制箱、變壓器局部

（2）盤區(qū)管理中起的作用。針對可能影響盤區(qū)轉(zhuǎn)層收尾進(jìn)路、充填地壓控制狀態(tài)、預(yù)留工程分布、冒頂及存在夾礦區(qū)域問題，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況及時(shí)對存在回采方案和轉(zhuǎn)層進(jìn)行調(diào)整變更，確保整體組織采充與采掘平衡不失調(diào)，施工有序。

根據(jù)實(shí)體模型進(jìn)行現(xiàn)場揭露情況進(jìn)行與回采設(shè)計(jì)對比，獲得進(jìn)路回采規(guī)格的寬度、高度、長度、方位數(shù)據(jù)，對進(jìn)路回采作業(yè)中出現(xiàn)的超高、超寬、欠挖、偏離、位置問題予以提醒并監(jiān)督進(jìn)行整改。采取預(yù)知預(yù)控的措施不僅有效避免盤區(qū)回采損失與貧化，同時(shí)較好的為遵循下向充填交接采礦法上下層分層道及回采進(jìn)路錯(cuò)開，規(guī)避安全隱患原則提供了技術(shù)支持，又根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況研判作業(yè)環(huán)境為安全管理制定措施提供了決策依據(jù)。

直觀、精確表達(dá)的盤區(qū)三維實(shí)體，較好的滿足了專業(yè)工程技術(shù)在虛擬的三維空間中進(jìn)行進(jìn)路擺布、工程布置、礦體三維空間關(guān)系的回采設(shè)計(jì)需要，視化生產(chǎn)要素的水倉、動(dòng)力管線、系統(tǒng)維護(hù)、硐室設(shè)施等設(shè)置部位，極大為工程管理人員監(jiān)管提供了方便，消除了圖紙展現(xiàn)所帶來的模糊性，使生產(chǎn)組織人員具有身臨其境的感覺，在地表就能直接指揮、安排井下現(xiàn)場具體工作。詳見圖5所示。

圖5 盤區(qū)三維實(shí)體作業(yè)環(huán)境

5 結(jié)論

近年來Auto CAD設(shè)計(jì)輔助軟件建模技術(shù)在各領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，但扔需進(jìn)一步探索。綜上所述建立的盤區(qū)作業(yè)的采準(zhǔn)與采掘、生產(chǎn)系統(tǒng)擺布、區(qū)域環(huán)境狀況、支護(hù)工程布置、生產(chǎn)施工進(jìn)度、輔助設(shè)備設(shè)施等生產(chǎn)要素三維模型可視化，在盤區(qū)生產(chǎn)經(jīng)營中起到了前瞻性的指導(dǎo)安全生產(chǎn)，其方法在金川礦山盤區(qū)應(yīng)用效果較好，值得同類礦山生產(chǎn)企業(yè)借鑒。