基于虚拟建造技术的地浸井场设计系统开发

霍晨琛，吴卫芳，陈 帅，刘晓明，肖诗伟

(中核第四研究设计工程有限公司，河北 石家庄 050021)

虚拟建造技术以数字模型为核心，通过集成表达模型信息，提升设计水平和数据传递效率，实现工艺规划、施工制造、方案分析和质量检验等过程，从而达到提高施工质量、降低成本、缩短工期并降低数据管理难度的目的[1]。核电、航空、航天、船舶、汽车、兵器等领域的制造企业，正在关注并大力推进虚拟建造技术的发展[2-7]。核电工程以建筑信息模型为核心，从施工逻辑分析、施工工艺模拟、施工方案论证、管线综合设计等方面进行了虚拟建造技术的应用，为堆型固化、批量化建设先进核电奠定了坚实的基础[8]。

井场设计施工建造是铀矿山地浸开采的重要过程，其建造技术对促进矿山开发、提高金属回收、提升管理水平等至关重要。中国铀资源具有矿体规模小、品位低、渗透低、多层和零散等特点[9-10]，而地浸工艺钻孔具有直径大、成井工艺复杂等特点[11]；因此井场布置及钻孔建造水平直接影响到井场的抽注平衡、溶浸范围和资源利用率，同时对矿山服务年限和经济效益产生重要影响。

目前，中国地浸铀矿山井场设计主要依靠技术人员的经验，通过编制二维图纸来实现，对地层结构、含水层结构、铀矿化等信息集成度不够，对含水层顶底板、铀矿体、样品数据和钻孔轨迹等信息空间表征不足，方案数据统计工作量大。随着钻井技术的发展，地浸钻孔结构工艺多样；若在设计与施工之间继续依据二维图纸进行信息传递，则存在效率低、表达准确性欠佳和图纸更新维护困难等问题。因此，开发基于虚拟建造技术的地浸井场设计系统，利用数字化技术进行井场和钻孔的虚拟建造，实现井场自动布孔、钻孔可视化设计和数据实时统计管理，在提高工作效率、实现地浸井场设计与施工的可视化、数字化、协同性、信息集成性等方面具有重要意义。

1 系统架构设计

地浸井场设计系统综合集成地形信息、探矿工程信息、样段信息、钻孔信息等，利用三维建模技术生成三维矿体模型和地表模型，依据井场设计方案利用矿体模型和地表模型约束关系进行井场自动布置，开展钻孔工艺可视化设计建造，实时统计井场方案数据，并结合设计与施工间信息传递特点，开展井场及钻孔三维可视化技术研究，实现“所见即所得”的技术交底效果。

为实现地浸井场设计系统上述功能，采用MongoDB非关系型数据库存储数据[12]，使用Go语言作为后端开发语言，利用HTML5作为Web前端开发技术编写前端页面，基于WebGL技术构建地浸井场三维场景[13]，通过JavaScript语言和Ajax技术实现页面交互，完成三维模型构建。系统采用MVC(Model View Controller)框架模式设计系统架构[14]，系统由视图层、控制层、模型层和数据库组成，详见平台总体架构图(图1)。

图1 系统架构图

视图层采用基于Web技术的B/S架构模式，即浏览器/服务器架构，利用支持3D的浏览器如Chrome浏览器等，基于HTML5和WebGL技术实现在网页上绘制和渲染三维模型。视图层是用户与系统交互的接口，将控制层传递的数据采用浏览器访问方式进行界面的展现，也可将用户反馈的信息传递给控制层。

控制层起着系统衔接的作用，主要负责平台业务逻辑的处理，通过调用封装模型层提供的方法接口来处理用户在视图层提出的需求，并将结果反馈给视图层。

模型层根据控制层的业务处理需求，为控制层提供一系列数学模型和方法接口，以供控制层进行业务逻辑处理。模型层的处理速度是衡量系统性能的重要指标，在设计模型层时要充分考虑系统的性能问题，采用合理可并行计算的算法。

数据库采用非关系型数据库(MongoDB)对平台数据进行储存。非关系型数据库可以存储三维图形等一些数据量较大的数据结构，提高系统运算性能和快速加载能力，并方便数据格式的更改与更新。本系统三维图形包括矿体模型、井场模型和钻孔模型等。

2 系统功能模块

为实现地浸井场及钻孔虚拟建造、井场信息统计和井场方案比选等功能，对系统进行功能需求分解，采用模块化结构设计，确定系统功能结构，系统共包括6个功能模块(图2)。

图2 系统功能模块

2.1 井场建造模块

在井场布置过程中需要考虑矿体分布特征、水文地质条件、采区边界等因素。井场建造模块通过新建及管理井场方案，具有基于矿体模型自动布孔、钻孔添加、钻孔删除、采区划分、抽注液孔采区配置等功能。其中基于矿体模型的自动布孔功能是通过三维空间射线与三角形求交方法，利用矿体模型和地表模型的约束关系获得设计钻孔孔口坐标和终孔坐标；依据矿体模型产状，以及设计的井型和井距，利用三维坐标旋转变换方法得到钻孔的展布，实现了高效可视化的井场钻孔布置和井场优化调整。

2.2 钻孔建造模块

钻孔建造模块可自动识别导入数据库的钻孔岩性信息，设置岩层渗透性；然后按照各地浸铀矿山钻孔结构特点，进行钻孔结构建造设计。为提高钻孔建造数字化水平与效率，对地形和矿层产状变化较小的钻孔实行钻孔结构批量建造，后期根据需要对钻孔结构进行局部修改和调整。

2.3 数据管理和查询统计模块

数据管理和查询统计模块包括钻孔建造信息管理和砾料用量信息管理。钻孔建造信息可自动生成钻孔建造信息报表，包括井场钻孔坐标、深度、直径、过滤器起止等信息；依据不同的查询条件，选择单孔或采区关键词实现建造信息的检索。砾料用量信息包括井场或采区钻孔砾料规格、投砾位置和用量等。

2.4 方案比选模块

方案比选模块采用分项计价和综合单价的形式，对钻孔主要构件、砾料和施工成本进行单价管理，计算方案成本；并综合考虑方案经济性和工程量等条件，进行方案比较和分析。

2.5 钻孔质量检查模块

钻孔质量检查模块支持钻孔质检测井信息导入，设置偏斜率检验标准，计算钻孔实际偏斜率，进行钻孔质量合格性判定。

2.6 三维可视化模块

三维可视化模块采用先进的三维引擎，对钻孔全三维模型重构渲染，实现与钻孔建造信息联动同步；依据钻孔实际施工时间，集成矿体模型和钻孔模型实现三维井场动态可视化。

3 数据库设计

系统运行过程中需要实时存储井场设计过程中的三维模型。三维模型构成元素复杂，组成点集众多，系统采用MongoDB数据库存储复杂的数据结构，以实现储存和处理大数据，快速读写和动态扩展功能。

根据系统数据管理的需求，在系统运行过程中，数据库主要存储测绘信息、物探信息、三维地质矿体模型、钻孔建造信息、设计信息和方案成本信息等，各部分信息之间具有关联关系(图3)。实际孔位置信息表和计划孔定位信息表，可从样段信息表和测斜信息表中提取钻孔轨迹和样品数据。设计信息表包括孔径信息表、过滤器信息表、沉砂管信息表和导中器信息表，储存钻孔设计信息，继而通过各计算接口生成三维视图进行存储。钻孔建造信息表可以根据条件，如钻孔名称、位置、类型、孔深、过滤器位置及长度、成本、工程量等，从设计信息表和方案成本信息表中提取，并以文档形式进行存储。

图3 数据库表关系图

4 地浸井场设计系统应用实践

铀矿床原地浸出开采的首要任务是确定矿床井场方案及评估各方案的技术经济性。井场部署是影响井场生产能力、投资，及服务年限等指标的重要因素。应用地浸井场设计系统进行井场虚拟建造，输入的参数包括井型、钻孔直径、井距、钻孔深度等；系统集成三维矿体模型和地表模型，自动进行钻孔位置和深度定位，绘制井场布置图(图4、图5)。井场建造模块操作简单，布孔效率高，布孔后具有自动和手动2种编辑修改功能，能适应不同矿体形态的布孔，保证钻孔布置均匀。

图4 地浸开采铀矿山井场建造平面布置示意图

图5 地浸开采铀矿山井场建造三维效果示意图

钻孔结构设计合理是保证生产连续稳定运行的基础。设计不合理的钻孔在生产过程中会出现过滤器配置不到位、抽液量与注液量达不到要求、资源利用率低等问题[15]。在钻孔施工过程中，终孔钻进结束后进行物探测井、井管安装、投砾及封孔等工作。系统可导入物探测井数据，自动生成钻孔轨迹，集成显示岩性信息和样品数据，进行钻孔结构建造和投砾设计(图6)。钻孔建造模块具备依据测井资料开展钻孔可视化设计及修改的功能，可快速确定钻孔构件及砾料充填位置等。业主、设计者和施工者在施工前能够更加直观地了解钻孔工艺方案，评估设计施工可行性。钻孔建造模块有利于提高施工建造质量。

图6 地浸开采铀矿山钻孔建造示意图

完成井场建造及钻孔建造后，系统可对井场方案钻孔建造信息包括钻孔坐标、直径、终孔深度、过滤器起始及终止位置、套管长度等进行统计管理(图7)，并提供数据检索查询、数据输出等功能。

图7 数据管理与查询统计界面

系统充分利用三维模型直观、可视化和表达准确的特点，基于模型特征定义和识别技术，按照钻孔构件装配顺序：沉砂管—过滤器—井管—导中器，自动生成钻孔三维装配模型(图8)，实现三维模型与建造信息的同步关联，提高了数据表达的直观性、信息传递效率和设计交底效果。

图8 钻孔全三维装配模型示意图

5 结论

基于虚拟建造技术，使用MVC服务框架、Go语言和WebGL技术开发了交互式Web端地浸井场设计系统。系统基于三维矿体模型和地表模型，自动实现井场虚拟建造和信息实时统计管理，提高了井场方案设计效率；集成岩性信息、钻孔轨迹和样品信息，实现钻孔可视化建造，并以三维形式直观呈现钻孔建造模型。系统界面友好，操作简便，为井场设计，及设计与施工建造过程中工程信息的传递和反馈提供了技术支撑。