設計輔助軟件建模三維可視化在金川礦山回采中應用

鄭向黨，張琳琳，蘇良軍，王秀東

（金川集團公司二礦區甘肅，甘肅 金昌 737100）

金川礦山礦體厚大、埋藏深、地應力高，大小斷層縱橫交錯，節理裂隙十分發育，巖礦破碎、易垮塌，工程穩定性低，是一座典型的構造應力型難采礦床。多年來，金川人對礦山生產安全可預測、工程有序、經濟及高效的采出礦石一直在持續探索中[1]。

隨著科技不斷發展，Auto CAD設計輔助軟件在日常解決問題工作中得以廣泛的應用，然而，金川礦山生產中使用僅限于二維設計，其在管理方面的優勢并未充分全發揮。因此，需對該軟件三維可視化功能優勢在金川二礦區958分段Ⅲ、Ⅳ盤區進行推廣應用，創建的模型達到既“可視”又“可算”又能夠較全面真實地反映作業區實景，以此為基礎對盤區生產設計進行優化及組織生產。

1 工程概況

礦山采用機械化下向進路膠結交接充填，多中段、多盤區同時開采方法，作業環境問題頗多，生產管理復查。工程地段為958分段Ⅲ、Ⅳ盤區，屬于超基性巖型銅鎳硫化物礦體，兩個盤區富礦位于中心，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，圍巖整體穩固性較好，但礦巖交界帶巖體較為破碎，工程地質條件較差。Ⅲ盤區分層底板設計標高為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，兩個分層高度均為4.5m；Ⅳ盤區二分層底板設計標高為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，兩個分層高度均為4.5m，兩個盤區的設計損失率、貧化率均為4.2%、5.0%。生產管理采用深入井下現場進行了解后回到地表制定設計和施工方案的傳統管理模式。此工作方式存在著管理及設計人員考慮不周不完善，易疏漏，理解不直觀現象，工程銜接和組織生產存在不緊密不緊湊環節，施工中也存在安全隱患風險未能及時發現未能及時規避及消除問題，同時也存在著管理者指揮與實際現狀存在不符之處。

2 AutoCAD設計輔助軟件建模難點

一是由于三維建模由簡單基本幾何體組合而成，需對盤區礦巖狀況、采準工程、切割工程，系統擺布，設施分布、隱患部位、硐室位置、防護裝置等施工要素進行幾何體布爾運算，存在著多種技術攻克點；二是建模地段地應力較大，易出現垮幫和冒頂以及工程造成破壞，顯現的數據和信息難以收集；三是原始基本資料存儲有丟失失真的現象。

3 AutoCAD設計輔助軟件三維可視化建模思路及方法

（1）根據盤區數據來源途徑、信息種類進行信息轉化和存儲。先利用矢量數據建立有線框模型，表面模型和實體模型，然后轉化和存儲地質體及工程的點、線、面、體信息，如坐標、長度、面積、體積等；再建立格柵數據有塊段模型，轉化和存儲地質體及工程的內容屬性信息，如品位、體重、巖型等。

（2）資料進行整理，實現盤區生產信息的數字化建立圖像資料。通過復雜的三維地質建模技術將盤區勘探、調查以及生產過程中獲取到的所有生產資料進行整理，實現盤區生產信息的數字化，獲得盤區開采環境的空間位置和集合形態特征，比如地形、地層、礦體、工程等圖像。同時，可得到反映開采環境特征的相關參數，比如巖體強度、巖體質量指標等。

（3）利用存儲的數據庫建立多種工程平面名模塊。根據采掘工程平面圖、礦體界線圖、盤區回采設計圖、工程布置圖、坑道平面圖等圖件通過坐標變換、旋轉、拉伸、修剪等建立不同工程模塊。

（4）采用多種專業方法構建三維實體。以設計實測法、設計法和模型法三種主要方法構建三維實體工程；以步距法、極坐標法和雙線法等方法，依據原始測量數據或實測工程的平面圖數據建立三維工程模型。

（5）CAD輔助軟件實體建模。通過基于特定的CAD編輯，使用的三維建模工具實體編輯，視覺樣式，視圖，UCS（改變坐標系）拉伸等工具建立三維實體設施實體。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設計輔助軟件三維可視化模型，方便快捷反演出各種復雜的地下工程，并將其真三維地展示在三維虛擬地質體中，完整地再現盤區作業環境和生產系統以及各生產要素。

4 可視化在盤區中的應用效果

（1）盤區地質狀況及作業環境展示效果。三維建模后，從圖模型直觀看到盤區地質環境賦存的礦體和圍巖的穩固性、節理發育狀況、巖石破碎程度、礦石品位分布條件，以及進路回采與充填、礦石搬運、作業環境治理、支護形式、動力管線架設、管控設施分布、通風排污、溜井運行等情況。

如1～4圖所示，盤區川沿脈道交匯位置，采空區應力收斂變化、開裂變形情況，防護措施效果，施工與相鄰工程間關系、充填通風系統假坑道程預留狀況，充填板墻的砌筑位置，回采作業進路數量，爆破開口等工作情況情況一目了然。

圖1 盤區生產系統三維實體圖

圖2 支護工程分布與頂板間效果

圖3 二、三分層聯絡道進入假頂圖

圖4 管線、電源箱、控制箱、變壓器局部

（2）盤區管理中起的作用。針對可能影響盤區轉層收尾進路、充填地壓控制狀態、預留工程分布、冒頂及存在夾礦區域問題，結合現場實際情況及時對存在回采方案和轉層進行調整變更，確保整體組織采充與采掘平衡不失調，施工有序。

根據實體模型進行現場揭露情況進行與回采設計對比，獲得進路回采規格的寬度、高度、長度、方位數據，對進路回采作業中出現的超高、超寬、欠挖、偏離、位置問題予以提醒并監督進行整改。采取預知預控的措施不僅有效避免盤區回采損失與貧化，同時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路錯開，規避安全隱患原則提供了技術支持，又根據現場實際情況研判作業環境為安全管理制定措施提供了決策依據。

直觀、精確表達的盤區三維實體，較好的滿足了專業工程技術在虛擬的三維空間中進行進路擺布、工程布置、礦體三維空間關系的回采設計需要，視化生產要素的水倉、動力管線、系統維護、硐室設施等設置部位，極大為工程管理人員監管提供了方便，消除了圖紙展現所帶來的模糊性，使生產組織人員具有身臨其境的感覺，在地表就能直接指揮、安排井下現場具體工作。詳見圖5所示。

圖5 盤區三維實體作業環境

5 結論

近年來Auto CAD設計輔助軟件建模技術在各領域廣泛應用，但扔需進一步探索。綜上所述建立的盤區作業的采準與采掘、生產系統擺布、區域環境狀況、支護工程布置、生產施工進度、輔助設備設施等生產要素三維模型可視化，在盤區生產經營中起到了前瞻性的指導安全生產，其方法在金川礦山盤區應用效果較好，值得同類礦山生產企業借鑒。