BIM技术在张家峁煤矿采掘设计中的应用初探

张龙正，李正虎，刘建浩

(1.中国煤炭科工集团 北京华宇工程有限公司，北京 100120；2.陕煤集团神木张家峁矿业有限公司，陕西 神木 719300)

BIM(Building Information Modeling)即建筑信息模型，最早由美国Chuck Eastman博士提出的“建筑描述系统”演化而来。随着技术发展，BIM已被国内外越来越多的行业和单位所重视[1]。目前BIM技术在建筑设计中应用已经成熟，在国内水利、水电、冶金等基础设施行业也得到广泛应用[2]。BIM技术可实现三维可视化直观设计、智能联动关联设计[3]。BIM模型集成大量信息的特点，在信息管理、成本控制、提高设计质量、信息沟通等方面有极大优势，同时还能用于复杂工程的项目管理、虚拟仿真、工程数字化应用等方面[4，5]。煤炭行业作为国民经济的重要组成部分，井下开采又相对危险，理论上对BIM技术需求更甚。但受近年来行业景气度差、行业传统粗放发展的影响，BIM技术研究、应用相对水利、冶金等行业都较滞后，加之没有专门的煤田地质、巷道、硐室BIM设计软件，井下巷道断面相对长度不成比例，煤炭设计单位多且规模较小，使得BIM技术在矿井工程中的应用难度更高。因此研究BIM技术在采掘设计中的应用，对于整个煤炭行业的技术变革，从粗放管理向精细管理转变，保证矿井的安全生产具有重要的意义[6]。

1 工程概况

张家峁矿井位于陕西省榆林市神木县北部，核定生产能力10.0Mt/a。矿井主采3-1、4-2和5-2三个煤层，另有2-2煤层为局部可采煤层，相邻可采煤层间距25～70m，各煤层均是优质的动力、工业气化以及建材工业用煤。矿井采用平硐开拓方式，工业场地布置有主、副两条平硐，主、副平硐见5-2号煤层后沿地方煤矿开采区边界东西向布置各煤组开拓大巷。回风井场地内布置一条回风斜井落底于5-2煤层，二盘区风井场地内布置有一对二盘区进、回风斜井，二盘区进风斜井井底落底于4-2煤层，二盘区回风斜井井底落底于5-2煤层。全矿井一个主水平开拓，大巷沿5-2煤层布置。随着井下开采向西推移，在2煤组、3煤组及4煤组分别布置辅助水平大巷。经过10余年大规模开发井下开采范围大幅增加，而各可采煤层中均布置有巷道、硐室等，井下巷道连接错综复杂。矿井采掘工作是一个动态推进过程，每年新增各类巷道硐室掘进工程量在3000m以上，新增的开拓、开采巷道如何避开小煤窑危险源，与现有巷道如何经济、安全的连接，采用二维设计方式难度越来越大。

因此采用BIM技术的精细化设计，利用其所见即所得的可视化特点，设计过程中可以很方便的避开各类危险源；借助三维地质模型及现有巷道分布，找到最经济合理的新开拓开采巷道布置走向；利用设备与巷道硐室的协同作业，布置最经济合理的巷道断面；利用BIM模型还可以任意剖切二维图纸，精确计算工程量材料量，在保证安全施工的前提下，还可以节省大量施工费用。同时利用BIM模型中附带的大量信息，可服务于工程设计、施工、运维等阶段，项目施工后业主可得到一份和真实工程一致的数字化资产。

2 BIM模型建立

张家峁矿采掘工程BIM模型主要有煤层模型、井巷及硐室模型、设备模型及其他模型组成，模型精细度按LOD300(施工图级别)考虑。项目采用Bentley公司Microstation(以下简称MS)软件作为平台，实现各类模型的建立、组装及应用。BIM设计中各专业模型通过参考方式建立联系，这种模式由传统信息化手段协同中基于文件架构转向了基于构件、元素模型的协同，对数据架构和形式有了更深入的要求[7，8]。

2.1 BIM模型建立流程

一个完整的采掘工程BIM模型，包含数万个各类模型元素，建模过程又需团队协作、专业分工。为保障模型符合需求，参与人员共享同一个工作环境，并制定合理的模型建立流程，如图1所示。

图1 采掘工程BIM模型建立流程

2.2 煤层模型建立

传统三维地质建模软件如Surpac、3DMine等都是针对金属类块状模型，不能较好适应煤炭层状模型，因此基于MS二次开发了专门针对煤炭层状模型的建模插件。该插件可基于地质报告中煤层底板等高线、钻孔综合成果表、井田边界线及生产过程中巷探或钻探数据等，通过空间插值计算进行煤层参数化建模，煤层中包含的断层等构造采用布尔运算结合点云数据处理技术进行建模[9]。建立的地质模型能自动剖切、算量，为巷道布置提供支持。

2.3 巷道及硐室模型建立

矿井采掘工程BIM设计中，工作量最大部分即为各类巷道及硐室建模。目前市场上能满足煤矿巷道及硐室施工图深度的建模软件比较少，并且都采用网格Mesh组合成体方式，造成建立的巷道模型内无法精确布置设备、管道。考虑数据兼容，也采用MS平台上二次开发插件方式进行巷道及硐室参数化实体建模。插件中包含断面形式、断面特征、支护形式等参数，参数化建模大幅提高了井巷及硐室建模效率和标准化程度。考虑巷道、硐室中支护材料如锚杆锚索、金属网片数量多，实体占用计算机内存高，以实体显示必要性不强等因素，该类模型仅以逻辑方式显示，但体现布置方式、间距等属性，从而实现了建模过程中能自动统计材料消耗量，又轻量化设计模型。参数化建立的井巷及硐室模型如图2所示。

图2 参数化建立巷道、硐室模型

2.4 设备模型建立

井下设备非标件较少，大多为成品设备，设备建模不考虑设备加工制造，只考虑站位及信息管理需要，设备模型利用MS建立。设备建模应符合以下几点：外形尺寸准确；设备安装对应螺栓、专业接口、开孔等准确定位；设备模型应放置在cell库中建成设备单元并挂接标准化属性，设备放置时采用共享单元方式；各类设备都应尽量轻量化(采掘工程设备模型多，容量占比70%左右，不轻量化处理后期模型汇总后会比较卡顿)，因此即使复杂模型如采煤机单台模型文件大小也不要超过2MB。工作面设备模型渲染后如图3所示。

图3 渲染后的工作面设备模型

2.5 管材、装备等其他模型建立

采掘工程中其他模型包括输水管路，巷道、硐室内设备安装，各种安全设施等，除管路可以用Bentley的OpenPlant软件参数化建模外，其他模型也通过MS建模入库再调用。采用该方式建立的井下水泵房模型如图4所示，包含有托管梁、管路、密闭门、爬梯等。

图4 水泵房内部模型

3 BIM模型的应用

BIM作为基于信息及模型的集成技术，利用三维几何模型对建筑构件进行精确表达，具有直观性、可分析性、可共享性和可管理性的特征[10，11]。BIM模型在采掘工程中的应用围绕这几个方面。

3.1 利用BIM技术优化设计，实现专业协同

多专业协同合作是BIM设计核心。专业实时协同就能提前发现问题，解决问题，这种模式加快了信息传递速度，减少了沟通工作量，有效避免二维设计的错、漏、碰、缺。由模型可以看出，二盘区进风井因位置不合适，造成每次穿煤层时和进风巷道连接需临近回风大巷绕开躲避，4组回风大巷共计增加工程量120m，采用BIM技术左移井筒15m就可避免该类问题，如图5所示。

图5 BIM设计优化井巷布置

3.2 直接生成二维图纸

地质模型与井巷模型汇总后，可任意剖切生成地质剖面，井巷平、剖面图，设备布置图。能够做到360°剖切需表达模型的任意位置，保证出图的有效性，不会出现人为剖切错误[12]。对相关图纸进行文字、图例说明及添加标注后，即可满足施工需要。同时施工过程中模型信息可以直接读取，随时掌握煤层、构造信息，对影响施工安全的因素提前解决。

3.3 专业内、外碰撞检查

汇总模型可通过软件自带碰撞检查功能进行专业内、专业间软碰撞(如人行道宽度不低于1.0m)和硬碰撞检查，提前发现碰撞改正。采掘工程的各种主要巷道、联络巷等，空间结构复杂，各种管线交汇，二维设计中难以表达，施工现场要放样，施工周期延长，质量也难以保证。在BIM环境中这类空间为题可以快速解决并准确表达，为施工方案提供帮助，如图6所示。

图6 带式输送机机头硐室布置图

3.4 工程量材料量精确统计，快速生成报表

利用BIM模型可对各部分进行工程量提取，包括硐室端墙、巷道相交点，使得工程量材料量统计更准确。本项目中通过BIM模型统计的工程量材料量，比传统二维设计手工计算节省3%。利用BIM模型对各类量快速统计，可与施工队每月进行成本、材料消耗分析，及时掌握材料使用、调配情况，对施工过程成本管控有重要价值。

3.5 工程数据集成，关联模型，实时查询

采掘工程BIM设计中，模型关联了图纸、报表、设备安装等工程信息，用户可通过模型直接打开关联文件，访问查询相关资料，也可以把施工过程中施工方法、安全隐患加进去。生产期间若井下发生安全问题可以快速定位事故点相关所有信息，大幅缩短应急决策反映时间。

3.6 基于BIM模型的移动端利用

张家峁矿采掘工程BIM模型及相关信息最后均以i-model形式轻量化发布，利用移动端、PC机进行模型漫游展示，设计交底，供现场决策会商。

4 存在的问题

BIM技术进入国内多年来，虽然在化工、水利等行业得到了普遍应用，通过本项目实施，虽然验证了BIM技术在煤炭行业应用技术上可行，但实际应用中还存在众多问题，表现如下：

1)没有适合煤炭地质层状模型建模的专用三维软件，而地质构造、煤层赋存又是井下开拓开采巷道布置首要影响因素。

2)与采掘巷道长度相比，巷道断面及煤层厚度不成比例，而各类三维软件视图范围又有限制，造成巷道断面、煤层厚度可视化效果不好。

3)缺少针对采掘工程需求的族库及参数化建模、模型相交处理功能，90%以上的建模及巷道交岔处理靠人工，大幅增加设计人员工作量，降低了设计效率。

4)采掘工程和建筑类工程相比标准化程度低，因此要对BIM软件进行大量二次开发，内嵌煤炭行业设计标准、计算、管理等需求，才能提高BIM设计效率，实现BIM软件在煤炭行业落地，但这对传统煤炭设计院提出了重大挑战。

5)业主对BIM需求不足，行业政策支持不够，软件费用高，学习使用难度大，对硬件要求高，使得设计单位缺少动力，设计人员有抵触心理，阻碍着BIM技术在矿井工程中的深入应用研究。

5 结 语

从本项目的实施看，采掘工程利用BIM理念设计技术上是可行的，能大幅提高设计质量。井下采掘是一个动态过程，BIM模型不仅直观、逼真，同时集成了大量信息，因此BIM设计成果在施工、生产阶段价值更能体现价值，特别是发生灾害时能大幅缩短应急救援时间。但BIM技术在煤炭行业落地，必须解决三维地质建模问题，并通过大量二次开发提高BIM设计效率，同时挖掘BIM成果在施工、生产及智慧矿山建设方面的价值，才能助推BIM技术在矿井工程设计中的应用。