基于AutoCAD的地下礦高效采準設(shè)計研究

陳國利 李角群 樊臘梅 盧皎旭 程相琛

（1.中鋼礦業(yè)開發(fā)有限公司；2.西安建筑科技大學(xué)資源工程學(xué)院）

地下礦采準設(shè)計是地下礦山開采設(shè)計中非常重要的一個環(huán)節(jié)，其設(shè)計是否科學(xué)、合理，直接影響企業(yè)后續(xù)的生產(chǎn)作業(yè)［1-2］。采準設(shè)計是在地質(zhì)平面圖的基礎(chǔ)上，根據(jù)礦體形態(tài)、賦存條件、采礦方法以及已有的采礦工程等條件的基礎(chǔ)上，合理布置采礦采準、切割工程，并完成相應(yīng)計算的采礦設(shè)計工作。當(dāng)?shù)V山開采條件不同時，其采準切割工程布置原則也會存在差異，采準設(shè)計內(nèi)容當(dāng)然也會有所區(qū)別。通常情況下，采準設(shè)計工作主要包括采準切割工程的布置、采切工程量的統(tǒng)計、相應(yīng)坐標表的計算以及技術(shù)經(jīng)濟指標計算分析等［3-4］。其中，采切工程統(tǒng)計和坐標表計算等是采礦設(shè)計中非常繁瑣的工作，而且地下礦采準設(shè)計往往需要經(jīng)過各級領(lǐng)導(dǎo)的三級審核，每次采切工程布置的修改，都需要重新進行采切工程量的統(tǒng)計和坐標表的相關(guān)計算。這2項如果僅僅依靠人力去完成的話，工作量之大顯而易見，而且容易出現(xiàn)失誤導(dǎo)致前功盡棄，也必然增加設(shè)計及審核的工作難度，無法實現(xiàn)高效采準設(shè)計，更難以快速實現(xiàn)多采準方案比較［5-7］。因此，針對以上設(shè)計工作中出現(xiàn)的實際問題，本研究提出了基于AutoCAD平臺的地下礦高效采準設(shè)計技術(shù)研究，并將其成功應(yīng)用于蒼山鐵礦的實際生產(chǎn)設(shè)計中。

1 地下礦采準設(shè)計的主要內(nèi)容分析

（1）采切工程布置。采切工程布置是采準設(shè)計最重要的設(shè)計內(nèi)容。對于不同礦體賦存條件、不同采礦方法原則上都會導(dǎo)致采切工程布置的不同。拋開采切工程布置的原則外，不同設(shè)計者對采切工程的布置也會有不同理解。在地下礦采準設(shè)計過程中，主要以采切工程中心線來表示采切工程布置，這項工作采用AutoCAD的輔助設(shè)計功能，可以輕松地完成采切工程布置設(shè)計。但需要注意的是，最終要形成巷道雙線設(shè)計圖，此項工作涉及放平行線、剪切等操作，因此，設(shè)計工作較為繁瑣。

（2）采切工程量統(tǒng)計。在地下礦設(shè)計中，采切工程量的統(tǒng)計是根據(jù)采切工程用途進行分類，統(tǒng)計并繪制出采切工程量表，它也是采準設(shè)計中至關(guān)重要的設(shè)計內(nèi)容。以無底柱分段崩落法為例，采切工程量通常包括進路巷道、沿脈巷道、切割巷道、切割天井、聯(lián)絡(luò)道、分段斜坡道、溜井等等［4］。根據(jù)采切工程斷面尺寸及采準切割巷道長度，計算并繪制出采切工程量表，其設(shè)計工作量對于設(shè)計人員來說，若采用手工計算、繪制，則工作量巨大，工作任務(wù)較為繁重，且出現(xiàn)錯誤的可能性較大。況且對于不同采準設(shè)計來說，其采切工程量也將不同，它是采準設(shè)計方案比較重要的指標。

（3）坐標表的計算。為確保采切工程的順利實施，坐標表計算是采準設(shè)計中十分重要的設(shè)計內(nèi)容之一。一般在采切工程中心線拐點處以及其他一些關(guān)鍵點位置，都會標識有坐標點序號，以便在坐標表計算過程中使用。標準坐標表包括坐標點序號、兩點間長度、坡度、方位角以及坐標點三維坐標等。同時需要注意的是對于不同采準設(shè)計坐標表來說，相關(guān)坐標計算也不相同，此項工作是采準設(shè)計中工作量最為繁重的工作。

（4）技術(shù)經(jīng)濟指標計算。對于地下礦采準設(shè)計來說，技術(shù)經(jīng)濟指標計算主要包括礦山地質(zhì)礦量計算、礦石貧化率及損失率計算、副產(chǎn)礦量計算、采出礦量、采切比等指標數(shù)據(jù)的計算。所有技術(shù)經(jīng)濟指標計算都離不開三維半離散礦床模型數(shù)據(jù)支撐，因相關(guān)內(nèi)容涉及較廣，故在此不作深入探討。

2 高效采準設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)

2.1 布爾運算技術(shù)

在AutoCAD的二次開發(fā)技術(shù)不斷成熟的今天，AutoCAD已經(jīng)可以實現(xiàn)采礦設(shè)計中最為常見的運算。自從AutoCAD中引入了ACIS系統(tǒng)，使得描述礦體的復(fù)雜多邊形的構(gòu)建變得非常直觀，也可以構(gòu)建復(fù)雜的三維實體模型［5-7］。ACIS系統(tǒng)中，三維圖元主要包括面域（Region）圖元、曲面（Surface）圖元、三維實體（3DSolid）圖元等。其中面域（Region）圖元可表達任何共面的復(fù)雜多邊形。它首先能夠渲染，更重要的是能夠進行布爾運算。

采準設(shè)計中繪制巷道雙線圖一直是一個難點，而AutoCAD中面域（Region）圖元的出現(xiàn)為問題的解決指明了方向。采準設(shè)計中采切工程常常相互交織形成網(wǎng)絡(luò)狀，傳統(tǒng)方法是采用放平行線的方式形成巷道邊界線，再通過剪切等操作完成巷道雙線圖的繪制，操作工作量較大。使用面域（Region）及其布爾運算實現(xiàn)巷道雙線圖自動繪制的思路:首先依次將巷道中心線按巷道寬度建立條帶面域，再將所有條帶面域進行并集操作獲得巷道雙線圖。以此思路進行程序的編制，可自動完成采準設(shè)計中巷道雙線圖繪制。

2.2 擴展數(shù)據(jù)技術(shù)

AutoCAD中每個圖元都可包含32k字節(jié)的擴展數(shù)據(jù)，此技術(shù)可以將非圖形數(shù)據(jù)與圖形數(shù)據(jù)完美融合在一起，無需額外的外部文件存儲。借助擴展數(shù)據(jù)技術(shù)，每個圖元都可被賦予各種屬性數(shù)據(jù)，可以隨時存儲和提取，使得Auto CAD礦業(yè)二次開發(fā)更加靈活方便。

2.2.1 采切工程量統(tǒng)計中擴展數(shù)據(jù)

通過人機交互對話框，在采切工程的圖元中以擴展數(shù)據(jù)形式保存工程名稱、斷面規(guī)格、斷面面積等非圖元幾何數(shù)據(jù)，如圖1、圖2所示。

巷道擴展數(shù)據(jù)存儲在巷道中心線圖元中，擴展數(shù)據(jù)內(nèi)容如下。

*RegisteredApplication Name:jx_xdata——擴展數(shù)據(jù)名稱

*Code 1000，ASCII string:-40分 段北部N100——巷道名稱

*Code 1000，ASCII string:穿脈巷道——巷道類型

*Code 1000，ASCII string:1/3三心拱（3.4×2.4）——巷道規(guī)格

*Code 1040，Real number:10.47——巷道斷面面積

*Code 1040，Realnumber:-40——巷道底板標高

井筒擴展數(shù)據(jù)存儲在豎井符號圖元中，擴展數(shù)據(jù)內(nèi)容如下。

*Registered Application Name:jx_xdata——擴展數(shù)據(jù)名稱

*Code 1000，ASCII string:N63——井筒名稱

*Code 1000，ASCII string:切割天井——井筒類型

*Code 1000，ASCII string:2×2——井筒規(guī)格

*Code 1040，Real number:4——井筒斷面面積

*Code 1000，ASCII string:中段——井筒形態(tài)

*Code 1040，Real number:6——井筒長度

*Code 1040，Real number:-40——井筒標高

當(dāng)圖中每種工程都含有工程類型及斷面屬性，工程量的計算就變得非常簡單，程序按工程類型自動統(tǒng)計出工程量表，并以表格圖元方式繪出。技術(shù)人員只關(guān)心工程布置是否合理，工程量可以隨時進行統(tǒng)計，大大提高了工作效率，如表1所示。

?

2.2.2 坐標表計算中擴展數(shù)據(jù)

采礦設(shè)計中坐標的計算工程量較大，因此借助VBA程序自動實現(xiàn)相關(guān)計算既能提高工作效率，也能減小誤差。主要通過采切工程中心線選取，自動完成拐點位置的坐標導(dǎo)點標注。在導(dǎo)點序號圖元中以擴展數(shù)據(jù)形式保存導(dǎo)點序號、導(dǎo)點坐標數(shù)據(jù)。導(dǎo)點擴展數(shù)據(jù)存儲在導(dǎo)點序號圖元中，如圖3所示。擴展數(shù)據(jù)內(nèi)容如下。

*RegisteredApplicationName:——導(dǎo)點序號

*Code1040，Realnumber:1 313.526 5——坐標點X坐標

*Code1040，Realnumber:692.616 3——坐標點Y坐標

*Code1040，Realnumber:-40.482——坐標點Z坐標

當(dāng)完成所有導(dǎo)點標注，并完成了導(dǎo)點標高計算。人工編制導(dǎo)線索引文件，根據(jù)索引文件計算并繪制坐標表，如表2所示。

?

3 蒼山鐵礦高效采準設(shè)計應(yīng)用

3.1 蒼山鐵礦簡介

中鋼集團山東礦業(yè)有限公司下屬蒼山鐵礦是一座年產(chǎn)200萬t采選聯(lián)合企業(yè)。礦區(qū)保有資源儲量約為7 800萬t。礦區(qū)內(nèi)Fe2、Fe3礦體規(guī)模較大，這2個礦體占礦床查明資源量的97.9%。礦體呈鞍狀，形態(tài)簡單，品位、厚度變化較小。Fe3礦體位于Fe2號礦上盤，兩者間距一般為15～20 m，最大為30 m，兩翼傾角為30°～52°。Fe2、Fe3礦體為盲礦體，礦體埋藏深度較大，厚度較薄，平均厚度在10 m左右。

礦山采用地下分期開采，一期-140 m水平以上保有資源儲量約4 800萬t。2012年已實現(xiàn)達產(chǎn)，一期設(shè)計服務(wù)年限為22.5 a。礦山采用豎井+斜坡道相結(jié)合的開拓方案。按照礦體的傾角、厚度，分別選用了分段空場（階段出礦）嗣后尾砂充填采礦方法、分段空場法（分段出礦）開采嗣后尾砂充填采礦方法、房柱法開采嗣后尾砂充填采礦方法以及上向分層充填采礦方法4種不同的充填采礦方法，采空區(qū)主要采用尾砂充填，礦塊開采采用一房一柱，分2步回采。首先開采寬度較小的礦柱，采后經(jīng)過膠結(jié)充填作為永久礦柱。后采寬度較大的礦房，采后采用分級尾砂一次充填。

3.2 礦山采準設(shè)計

礦體走向較長，約為2 500 m，在礦體走向按勘探線劃分若干盤區(qū)，又由于礦體背斜構(gòu)造，盤區(qū)又進行兩翼分割。采準設(shè)計主要是以某翼盤區(qū)進行設(shè)計，以上向分層充填采礦方法采準設(shè)計為例，采準設(shè)計一般流程如下。

（1）在盤區(qū)內(nèi)劃分出若干礦房，礦房寬度為12~15 m。

（2）礦石運輸巷道在礦體下盤，布置聯(lián)絡(luò)巷、溜井及充填回風(fēng)井，形成盤區(qū)采場系統(tǒng)。

（3）沿下盤脈內(nèi)巷垂直礦體在礦房中央布置穿脈巷，穿脈巷端幫在礦巖交界處，為每個穿脈巷進行工程編號，并完成采切工程屬性賦值。

（4）自動繪制采切巷道工程雙線圖。

（5）在沿脈、穿脈拐點位置坐標計算導(dǎo)點標注，并完成導(dǎo)點標高計算。

（6）自動完成工程量統(tǒng)計及坐標表計算，并完成相應(yīng)表格繪制。

（7）借助三維礦床模型，自動計算盤區(qū)地質(zhì)礦量及地質(zhì)品位。

（8）借助三維礦床模型，針對采切工程自動計算副產(chǎn)礦量。

（9）在礦體上下盤邊界區(qū)域，繪制礦石損失范圍界限以及巖石混入范圍界限，借助三維礦床模型，計算出采準設(shè)計礦石的損失率、貧化率。

（10）進一步完成采出礦量、采出品位、采切比等技術(shù)經(jīng)濟指標計算，并形成采準設(shè)計技術(shù)經(jīng)濟指標表。

按上述采準設(shè)計流程，在AutoCAD平臺下使用定制研發(fā)的應(yīng)用程序，可以高效地完成地下礦采準設(shè)計，如圖4所示。

4 結(jié)論

（1）基于AutoCAD軟件平臺，利用VBA語言對其進行二次開發(fā)，既可以高效、靈活地完成地下礦采準設(shè)計工作，又能提高設(shè)計計算的準確性，具有很強的實用性。

（2）采用布爾運算技術(shù)，解決了巷道單旋轉(zhuǎn)雙線繪制難題。采用擴展數(shù)據(jù)技術(shù)，實現(xiàn)了“圖形化計算”，將復(fù)雜繁瑣的工程量統(tǒng)計、坐標表計算程序化，可以準確高效地完成此類設(shè)計工作。

（3）在采準設(shè)計中所涉及的技術(shù)經(jīng)濟指標計算，除需要三維礦床模型支撐外，同樣需要擴展數(shù)據(jù)技術(shù)，受篇幅所限，本研究沒有詳細展開討論。