三维可视化建模在采矿工程爆破设计中的应用

蔡官东

(凉山矿业股份有限公司拉拉公司，四川 会理 615100)

0 引 言

随着数学、地质学、统计学等学科的发展及计算机技术的进步，利用各类专业矿山软件进行三维采矿设计已经成为采矿设计的趋势。以往的采矿设计工作，设计者是处于二维平面视觉下，通过平剖面图结合的方法来表述相关工程布置，这种方法所表述的信息量少、图形缺乏直观感，非专业人员及现场作业人员不易理解。同时存在着设计者作业量大、工作效率低等相关问题。该文中，借助DIMINE三维数字化矿山软件，在矿山三维实体建模的基础上，以2 335 m水平②号矿体为例，直接体现工程空间分部情况，可进行任意旋转、剖切，直观感受工程空间布局及相互关系，并自动生成相关工程平面图、施工卡片、技术经济指标表等，为设计者及现场施工组织者提供直观、准确的图形数据，从而提高设计者工作效率及准确性，减小设计者劳动强度，并有助提高施工过程中的施工质量水平。

1 矿山概况

矿区已查明3个主要矿体，其中①号矿体呈南北走向，倾角58°～76°倾向西北，平均倾角72°急倾斜矿体，控制深度500 m，走向长830 m，矿体厚度5.3 ～22.4 m，平均厚度12.3 m，矿石性质为碳质板岩原生硫化矿部分氧化；②号矿体位于①号矿体西侧上盘，呈南北走向，倾角68°～79°倾向西北，平均倾角75，控制深度500 m，急倾斜矿体，走向长350 m，矿体厚度14.5 ～47.8 m，平均厚度24.5 m，矿石性质为碳质板岩原生硫化矿，矿石含水量高，矿体断层节理发育，稳固性差；③号矿体位于①②号矿体北侧，呈近东西走向，倾角62°～73°倾向东北，平均倾角70°急倾斜矿体，控制深度300 m，走向长200 m，矿体厚度1.00 ～15.4 m，平均厚度7.5 m，上部出露地表氧化率较高。

矿山2 435 m水平以上矿体开采已接近收尾，目前主要开采2 385 m，2 335 m水平。采用斜井-平硐-溜井的开拓方式，卷扬机提升，电机车运输，主要采用空场采矿法。2 335 m水平以下采用竖井开拓方式，主要采用分段崩落采矿法。

2 三维实体建模

2.1 基础数据准备和收集，创建地质数据库

DIMINE三维数字化矿山软件中所需的基础数据包括等高线地形图、钻孔资料、中段平面图、勘探线剖面图、井巷及采切工程的设计和实测图。在实际操作过程中，坑道探矿资料视同为钻孔资料进行使用，钻孔资料是将工程起始点、方位、走(倾)向、地质编录、取样化验等信息进行综合分析，来呈现钻孔完整的信息，从而建立地质数据库。

2.2 三维实体模型的建立

在地质数据库建立好以后，在三维视图情况下显示地质工程，信息包括钻孔或坑道的形态、矿石品位、岩性等，在此基础上利用所获得的综合信息对矿山进行三维实体建模工作。

三维实体建模也就是地质体模型的建立分为2个方面：地形模型和矿体实体。建立地形模型是运用软件的创建DTM功能，通过测量所获得的地表等高线数据，由CAD图形利用导入功能导入到DIMINE矿业软件后，为等高线赋予相应的高程从而生成精确的数字地表模型，见图1。

矿体的实体建模相对于地形模型的建立要更为复杂，我们通过2种方法来对矿体进行建模。第一种是通过对已有的CAD平、剖面图数据进行整理简化，保留所需数据后导入到Dmine系统，根据平、剖面图所表述的矿体空间形态及走向展布，通过软件的连线框-基于轮廓线三维重建功能建立矿体模型。这种建模的优势在于建模速度快，方法简单，但存在着建模后数据单一，估值结果不精确等弊端，只可用作精度要求不高的临时示意性矿体的建模工作。第二种是通过已建立的地质数据库资料，以各条勘探线剖面轮廓形态，按地质推论规律形成矿体基本轮廓，通过线框模型构建法建立矿体模型。模型建立后从图2能直观的反映出矿体的空间分布状态，见图2。

图1 矿区地表模型(等轴侧视图)Fig.1 Surface model of mine area (isometric side view)

图2 矿体模型Fig.2 Ore body model

3 采准切割工程设计

3.1 划定矿块

确定矿块回采条件确定矿块的范围，根据已建立的矿体模型，利用实体分割功能，分别在平面和剖面根据所需要求切割，就可以划定准备进行采矿设计的矿块模型，见图3。在使用此功能进行矿块切割时注意：①切割面个数必须是奇数；②选择剪切封口。

3.2 采准切割工程设计

采准切割工程设计其实是对所有采切工程巷道进行建模的一个过程，该矿体设计采矿方法为分段崩落采矿法为主、浅孔留矿采矿法为辅的联合开采方法，工程主要包括出矿进路、装矿运输巷道、凿岩巷道、废石溜井、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线，确定巷道断面及规格尺寸通过井巷工程功能即可完成。本文所示矿体采切工程见图4。

图3 回采矿块模型(俯视图)Fig.3 Back mining block model (top view)

1.601穿脉；2.602穿脉；3.603穿脉；4.604穿脉；5.605穿脉；6.1#装矿道；7.2#装矿道；8.3#装矿道；9.1分层凿岩道；10.2分层凿岩道；11.3分层凿岩道；12.4分层凿岩道；13.1分层切割井；14.2分层切割井；15.3分层切割井；16.4分层切割井；17.1分层联道；18.2分层联道；19.3分层联道；20.4分层联道；21.1#材料井；22.1#人行井；23.2#材料井；24.2#人行井；25.下渣井

图4 采切工程模型(等轴侧视图)
Fig.4 Mining engineering model (isometric side view)

4 爆破设计

爆破设计是地下采矿设计的重要组成部分，直接关系到矿石回采率和贫损率的高低。根据前期工作建立的矿块模型和采切工程模型，就可以进行爆破设计了。

4.1 生成爆破边界、设置爆破参数

根据采用的采矿方法特点，以各分层凿岩巷道中心线为法线，左右9 m为爆破控制边界，每层凿岩道控制层高10 m，通过实体分割获取矿块，赋予矿块属性为采场，根据巷道中心线利用基于已有线创建工作面，确定炮孔排距2 m创建工作面，点击爆破边界命令由工作面切割生成爆破边界。

切巷的爆破参数设置有：炮孔参数：孔底距3 m；孔底距容差0.2 m(孔底距容差指孔底距允许偏差的范围)；最小孔口距0.5 m；边界容差-0.5 m(边界容差指炮孔实际长度与爆破边界允许偏差范围，负值为炮孔在爆破边界内)。钻机参数：机身高度1.5 m；钻机支高0.2 m(钻机支高指钻机下部垫起高度)；钻机最大高度1.8 m；钻孔直径80 mm；最大孔深15 m。炮孔参数：炮孔角度：左侧角度20°、右侧角度15°；采场边界点为最远点；炮孔方向向上。

4.2 生成炮孔文件

点击扇形孔命令软件根据以设置的参数自动生成炮孔，如果出现生成的炮孔不满足设计要求的情况，我们可以通过编辑炮孔功能对不符合要求炮孔进行调整，调整时软件会对调整炮孔参数进行显示，以免调整炮孔超出容差范围，若存在超出容差范围炮孔时，命令窗口会进行提示。炮孔调整完成后对炮孔进行编号，方便后期施工中进行管理。

4.3 装药量设计

在各排炮孔设计完成后，通过自动装药功能设置炮孔装药量。装药参数设置，充填长度3～5m；炸药比重参照矿山所使用的2#岩石乳化炸药取1.1。装药完成后视窗右侧显示每个炮孔长度、充填长度，通过观察可对不符合要求炮孔进行装药长度的调整，见图5。

图5 生成单排炮孔示意图Fig.5 Schematic diagram of a single row of blastholes

4.4 生成爆破作业卡

设计图纸和技术文档是设计成果的体现，主要用于指导工程施工。设计完成后，把设计好的各个爆破断面炮孔数据及装药量输出为CAD形式的二维施工卡片，见图6，这样在施工过程中作业人员就能方便地根据施工卡片上的信息来控制工程施工。

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

设计完成后，通过爆破实体，见图7，对爆破量和爆破所得矿石量进行计算，对经济技术指标进行分析，得出相关数值，见表1。

图7 爆破实体(等轴侧视图)Fig.7 Blasting entity (isometric side view)

表1 技术经济指标表Tab.1 Technical and economic indicators

注：爆破经济技术指标。

5 结 语

爆破设计是采矿设计的重要组成部分，传统的设计工作工程计算和绘图的工作量大、成果输出表述不直观，借助DIMINE三维数字化矿山软件，不仅提高了设计者的工作效率和设计的准确性，同时更准确和直观的为施工组织人员提供施工凭据，能够有效的提高矿山生产效率和经济技术指标。矿山三维化和数字化应成为矿山可持续发展的方向。