露天地下联合开采矿山三维矿业软件应用技术研究*

2014-03-10曾庆田汪德文唐泽勋赵怀军黄劲松张达兵

中国钼业 2014年1期

曾庆田，汪德文，唐泽勋，赵怀军，黄劲松，张达兵

(1.玉溪矿业有限公司，云南玉溪 653100)

(2.凉山矿业股份有限公司拉拉公司，四川会理 615100)

(3.中南大学，湖南长沙 410083)

信息化和工业化的融合，为工业发展提供强大的信息支撑，以工业化带动信息化，以信息化促进工业化的新型工业化道路，在我国已经形成了强大的信息化和工业化集群优势，发挥着各自不同的作用，共同促进和推动了国家经济和社会的进步，三维矿业软件的应用也属于工业化和信息化融合的范畴。

20 世纪中叶以来，随着世界科技水平和手段的不断提高，以图纸化办公和管理的矿山企业的生产经营和管理模式发生了翻天覆地的变革，管理信息化已成为矿山企业现代化的一个重要标志，建设数字矿山成为我国现代化矿山发展的必然趋势。矿业企业作为国家能源与原材料供应者，在国民经济发展中具有十分重要的地位。我国矿业经过半个世纪的快速发展，已建成国有矿山近万座，集体矿山和其他非国有矿山20 多万座，年开采矿石量超过50 亿t［1-2］。庞大的矿业集群和巨大的产业链条，都在以极大的热情迎接三维矿业软件的到来，澳大利亚、美国、英国等三维矿业软件的引进、消化、吸收及本地化工作为国外矿业软件的推广应用掀起了一次高潮。随着应用的深入，国内一些大学、研究机构采用国外的三维平台和引擎，以国内三维矿业软件的实际需求，进行了软件的本地化开发，取得了较大的成果，国内三维软件的应用又掀起了一次浪潮［3］。

可以毫不夸张地说，国内知名的大型矿业企业集团，都购置了三维矿业软件，并开展了应用研究，也取得过一些应用成果，但时至今日，真正将三维矿业软件作为生产的主要设计工具及管理手段的矿山寥寥无几。究其原因，有三维矿业软件自身功能和准备不足的原因，无法满足矿山企业最终的需要，或者需要经过繁琐复杂的操作，大费周章之后才能实现往日通过简单制图就能实现的功能，不可否认的，三维和二维存在质和量上的天壤之别。另一方面是复杂的地质建模，耗费了大量的人力物力，形成了巨大的海量数据，一个大型矿山的块段模型，要真正达到地质边界控制、采矿块段划分及计算工程副产的要求，块段数达到上千万块，模型存储容量达到数G，根本无法实现数据共享、方便调用和快速计算。第三方面就是以单机数据存储的方式开展应用，无法实现一个矿山数据的高度共享，不同专业建立和修改的模型数据，由于种种原因，无法实现第一时间共享，存在信息的不对等，造成了各专业之间互相推卸责任，久而久之，传统的管理模式和方法又重新回到了台前，三维矿业软件仅仅成为作秀的工具或将其束之高阁。第四个重要原因是地质和储量认证满足不了国家管理部门的要求，科技部门极力主张和开发三维矿业软件，863 计划重大专项至少曾经列过2 个重大课题开展研究，但是矿业企业的资源和储量主管部门，对于三维矿业软件积极性不高，无法实现三维矿业软件与资源和储量管理部门的对接，是三维矿业软件无法走上正常应用的重要原因。最根本的原因当然还是矿山企业对三维矿业软件缺乏深刻的理解和必要的研究，仅仅依靠软件商的功能介绍，不结合实际工作，开展应用创新和应用研究，三维矿业软件就无法真正应用起来，发挥它应有的作用。文章以一露天和地下联合开采矿山的应用研究实例为主线，展开对三维矿业软件应用问题的探讨，分析三维矿业软件应用中的技术方法及成果，探讨应用过程中存在的问题，力求为三维矿业软件的应用提供较为有效的范例。

1 矿山概况

矿山位于四川省会理县城212°方向，直距55 km的会理县绿水乡境内。地理坐标:东经101°56＇13″～101°57＇43″，北纬26°13＇25″～26°14＇44″。矿区范围北起大团箐、南至营盘山、东自四人抬桥、西迄老鸭田，面积4 km2。矿区海拔标高2 000～2 300 m，相对高差300 余米。

矿区有公路至黎屯与108 国道相接。矿区选厂至黎屯38 km，经黎屯至会理县城103 km;至凉山州府所在地西昌市292 km;至攀枝花市130 km(再至昆明476 km);经黎屯沿108 国道至昆明376 km;经黎屯至成昆铁路线上的拉鲊火车站58 km;由拉鲊火车站北上成都794 km，南下昆明329 km。矿山是一座以露天开采为主，深部矿体采用地下开采的露天地下联合开采铜多金属矿山。

2 矿山三维模型创建及应用

2.1 地质数据库及其统计分析［4］

研究系统收集了矿山各个时期的勘探资料，主要包含:(1)地质详勘工程;(2)生产探矿钻探工程;(3)露天底部延深勘探工程;(4)东部E 剖面勘探工程。地质数据库和地质模型建立的工作对象为上述全部勘探工程，勘探工程总数789 个，建成的地质数据成果如图1 所示。

图1 地质数据库空间迹线图

地质数据库建成后，对其中的铜、钴、钼、铁等金属元素进行了统计分析，拟合了变异函数，并对变异函数进行了交叉验证。统计分析及变异函数计算结果见图2、图3，变异函数参数见表1。

图3 Co 元素变异函数计算及拟合结果图

表1 四川某铜矿Cu、Co、Mo、TFE 元素理论变异函数拟合参数结果表

几乎所有的三维矿业软件都具备进行地质数据统计分析，进行变异函数计算，拟合和交叉验证等功能。但是对于不同的矿床，还需要对地质统计学进行深入研究，针对复杂矿床，既要能够运用线性地质统计学，也需要研究非线性地质统计学，或通过模型的套合等方式，寻求最满足矿床的变异函数模型，同时要加强交叉验证理论判据的研究，方便研究者以定量的方法判断理论变异函数拟合的合理性。

2.2 地质模型创建与应用

本次研究对矿山的地形地物模型、矿体模型、断层模型、岩性模型及开采现状模型进行了全面的建模，对于三维矿业软件而言，这些建模功能都是成熟的，差异只存在于建模的方便性和效率的高低层面。建成的各类地质模型成果见图4～图6。

图4 矿体模型成果

图5 岩性实体模型成果图

图6 地质模型复合成果图

2.3 块段模型及品位估值［5-8］

研究对矿床采用距离幂反比法和普通克里格法进行了品位估值，同时对各个时期的资源储量成果进行了对比研究，研究结果认为，资源储量估算结果满足矿山开发和资源管理的要求。

品位估算的方法要与地质统计学的研究成果结合起来，将多种估值方法，如简单性克里格、普通克里格、泛克里格、析取克里格等功能一一实现，方便在估值时根据需要选用。

对于资源与储量的问题，还存在资源储量分类和分级的研究，孙玉柱等在三维矿业软件的分级分类研究方面进行过研究和探讨，取得了一些研究成果，但是资源与储量的问题，要争取获得国家资源和储量管理部门的认可，只有这样，才能为三维矿业软件的应用和地质统计学的发展创造基础条件。

3 三维矿业软件地下矿应用技术研究

3.1 开拓系统及中段平面设计

本研究按照实测和实际两种方法，建成了矿山实测和设计共同结合的井下部分开拓系统模型，三维矿业软件在建立开拓系统模型和再现实测模型上，功能逐步趋于完善，对于设计的中段平面图，也开发了相应的自动出图工具，为减少出图工作量等方面提供了良好的工具的和平台，本次建立的开拓系统图及中段平面出图结果见图7、图8。

图7 小露天底部开拓系统模型图

图8 中段平面设计自动出图

3.2 盘区及采场设计

按照采场设计的原则，本次建立了无底柱分段崩落采矿法采场，在采矿采切设计的基础上，开展了深孔回采爆破设计工作，建成的采场及回采爆破设计结果见图9、图10。

图9 采场采切设计模型

图10 回采爆破设计出图效果

3.3 生产计划编制

地下矿山生产计划编制功能是基于交互式模拟方法构建的。它在三维矿业软件先前建立的块段模型、工程模型及采场模型基础上，根据计划编制者输入的生产数据，生成生产任务并进行模拟排序得出优化方案。计划编制者在三维可视化环境下对方案进行交互修改，再由计算机重新模拟运行，直到得出一个可行的最佳方案。最终的计划结果可通过三维动画、甘特图以及定制报表展示。一般来说，计划的编制要经过数据准备、数据录入、任务搜索方案设置、系统执行、用户调整、再执行和输出结果几个步骤。本研究开展了地下矿生产计划编制，结果如图11、图12 所示。

图11 生产计划动画演示

图12 生产计划甘特图

4 三维矿业软件露天应用技术研究

4.1 露天境界优化及设计

本次进行露天境界优化，主要考虑3 种情况:一是原始地形约束下的可研经济技术指标条件;二是原始地形约束下的现价体系经济技术指标条件;三是2012 年5 月末开采现状约束下的现价体系经济技术指标条件，按照不同的价格折扣率进行了多境界优化，优化结果见图13。按照矿山的设计经济技术指标，对境界进行了设计，并计算了各个台阶的资源储量，设计结果见图14。

图13 露天境界优化结果

图14 露天终了境界设计模型

4.2 露天应用技术

在前期完成的地质建模基础上，露天应用技术主要开展如下研究:(1)开展露天境界优化技术研究，为矿山开采提供快捷的、适应市场条件需求的经济优化和评价手段;(2)开展基于DIMINE 软件的露天终了境界设计，为露天设计提供快速高效的技术手段;(3)开展基于DIMINE 软件的矿山中长期规划、采剥计划编制应用技术研究，服务生产设计和技术管理;(4)开展基于DIMINE 软件的露天台阶爆破设计、爆破网络设计及装配矿研究。研究成果见图15、图16。

图15 露天中长期计划及短期计划编制模型成果

图16 露天爆破及网络设计和露天装配矿结果

5 结论

目前的三维矿业软件功能，具备了进行地质建模、露天开采、地下开采设计及技术管理的全过程的功能实现和操作［9-14］。通过对三维矿业软件模型构建技术、资源储量估算及动态管理、地下采矿设计、爆破设计和露天境界优化等多方面的实用应用技术的分析研究，实际结合一露天和地下联合矿山应用三维矿业软件的实际应用研究过程的分析，得出如下结论:

(1)三维矿业软件的发展，对于矿业企业而言，为工业化与信息化的深度融合提供了基础平台，具有十分重要的意义。

(2)三维矿业软件应用，还存在软件功能准备不足、应用研究不透、资源与储量管理得不到管理部门认证等一些制约发展的问题，政府、科研机构及矿山企业应该加强合作，共同推动矿业信息化的发展，建立起符合矿山三维矿业软件应用的技术标准和规范，为三维矿业软件的规范应用奠定坚实的基础。

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