准能数字矿山地测与生产设计管理系统的建设及应用

郭铕君

（国家能源集团准能集团公司，内蒙古 鄂尔多斯 010300）

随着信息技术的迅速发展，国家能源集团实施推进“数字矿山”战略部署，基于数据指导生产方法的研究正在引起工业界与学术界的普遍关注[1]，为提高露天煤矿地测与生产设计的工作效率，为打破“信息孤岛”和解决“数据浪费”问题，实现精细化生产管理，降低企业生产成本，需要构建1 套地测与生产设计的系统。

1 系统规划与建设内容

准能数字矿山地测与生产设计管理系统是为满足数字化矿山建设需求，提高露天煤矿生产技术部门的工作效率，实现精细化生产管理，降低企业生产成本，满足工作需要的1 套管理系统软件。

准能数字矿山地测与生产设计管理系统在准能公司、黑岱沟露天煤矿和哈尔乌素露天煤矿生产技术部同步建设，主要包括三维矿业软件的开发与调试，使用指导和技术支持，以及黑岱沟露天煤矿和哈尔乌素露天煤矿三维地质模型的建立。

地测与生产设计管理系统要想达到“实用、实际、实效”的决策支持目的，必须要建立1 套“实用、实际、实效”的煤炭企业决策指标体系，因此系统指标体系在建立的过程中要严格按照全面性、科学性、简明性、动态性和可操作性等原则进行设计[2]。

通过应用三维矿业软件，实现2 个矿地质、测量、采矿协同设计及三维可视化展示，结合多变的市场行情和业务目标快速调整生产方案、制定生产计划，提高矿山的生产效率和企业的盈利能力。

1.1 业务技术架构

在Maptek 工作平台上搭建Vulcan 软件，Maptek工作平台是1 个动态可扩展平台，所有Maptek 公司的产品都可以在该平台上运行并实现数据共享。用户可以自定义工具栏、菜单、命令列表和快捷键，还集成了文本编辑器、电子表格、脚本等程序以便于用户操作；用户还可以在各产品间自定义工作流程，从而提高工作效率。

Vulcan 软件是采矿设计的工具，是Maptek 公司开发的综合三维矿业软件，Vulcan 软件系统虽然在欧美国家应用较多，但是要想在我国露天矿中得到较好的应用，还需进行一定的改进和二次开发工作。Vulcan 软件采用模块化设计，基础软件包是基本使用单元，1 个许可证对应1 个基础软件包，用户可以在基础软件包的基础上根据需求添加其他模块，基础软件包和所添加的模块都会集成在同一个用户界面之中[3]。主要基础软件包有浏览、地质建模、地质统计建模、测量、露天/地下矿山建模等软件包。技术架构如图1。

图1 技术架构图

I－Site Studio 软件是Maptek 公司三维激光扫描仪点云数据处理软件，采用模块化设计，模块即是基本使用单元，用户可以根据需求选择不同的模块。Vulcan 软件与I－Site Studio 软件能够在Maptek 工作平台上无缝连接，数据完全兼容。此外，可以导出或生成DXF、CSV、XLS、PDF 等格式的文件，用于其他办公软件或系统，Vulcan 还能够通过其开放接口与准能生产实时数据库相连。

1.2 三维地质建模

三维地质建模的研究与应用始于20 世纪70 年代。随着计算机技术的迅速发展和建模软件的不断成熟，三维地质建模在地下水资源调查、地质灾害、水利工程建设、城市建设、油气勘探、矿山建设、深部找矿等领域得到广泛应用[4]。

三维建模是指利用计算机对与矿床形成和分布相关的各种地质对象的几何形态和空间分布进行三维定量描述[5]，利用两矿所有勘查钻孔数据（普查与详查所有钻孔资料）、生产勘探钻孔数据及矿山生产的测量数据，使用Vulcan 软件建立黑岱沟露天煤矿和哈尔乌素露天煤矿2 工人矿合一的精确地质模型，以应用于矿山的采矿设计和生产计划编制工作。

数据地质模型分别采用2 000 和80 坐标系，使用黑岱沟和哈尔乌素矿各勘探时期共计1 757 个钻孔数据创建的两矿合一的模型，地质模型主要包括钻孔数据库，5、6Ⅰ、6Ⅱ、6Ⅲ、6Ⅳ、6Ⅴ、6Ⅵ、6、9 煤顶底板结构模型，煤质模型、HARP 块体模型。

地质模型以钻孔数据为基础，按照钻孔中煤层的位置和厚度信息在三维空间进行插值计算，创建出煤层顶底板结构模型，在使用相同数据源条件下，与地勘时期绘制的顶底板模型相比，该模型更优，更接近真实情况。地质模型建立后，经现场实际使用，该地质模型能够满足矿山煤质预报、煤量计算、开采设计等工作，符合矿山实际情况。

1）钻孔数据库。地质钻孔资料是地质工作形成的最重要成果之一[6]。全国重要地质钻孔数据库数据主要借助地质钻孔数据采集系统采集入库[7]。为充分利用计算机信息技术，提高地质钻孔资料利用的效率[8]，将1 757 个钻孔数据导入Vulcan 创建的钻孔数据库。

2）煤层顶底板结构模型。利用钻孔数据、测点数据及断层数据等创建的煤层顶底板结构模型及断层模型。

3）煤质模型。煤质化验数据经样长组合后创建的煤质模型。按照煤炭质量分布模型的方式对仓煤质情况进行分层标识[9]。

4）HARP 块体模型。依据煤层顶底板结构模型和煤质模型创建的HARP 块体模型。

1.3 系统应用

在系统应用过程中，以工作任务书为指导，先后完成了Vulcan 软件安装调试、技术培训和技术支持、2 个矿合一的地质模型创建等规定工作内容。

1）以2 个矿地勘钻孔、生产地质钻孔、实测点数据为基础创建的三维地质模型，在使用相同数据源条件下，与地勘时期绘制的顶底板模型相比，该模型更优，更接近真实情况。经现场实际使用，该地质模型能够满足矿山煤质预报、煤量计算、开采设计、生产计划等工作。

2）测量部门可以高效地处理矿坑扫描的点云数据，创建矿坑地表模型，提供给地质和采矿部门使用。

3）地质部门利用地质化验钻孔、顶底板实测点数据快速更新钻孔数据库，并更新煤层顶底板面模型、煤质网格模型及块体模型，提供给采矿部门使用。按照6 煤3 个开采台阶高度进行煤质样长组合，创建3 个煤台阶的HARP 块体模型，用于快速预报开采区域的煤质和煤量计算。

4）采矿部门可以采用实体切分功能快速计算长期计划逐个工程位置的工程量，减少了以往采用CAD圈量方式计算工程量的操作，完成长远规划；可以根据地质部门更新的煤层模型生成煤层实体，快速确定采煤位置，并根据参数设置迅速扩展出各个剥离台阶，得到年计划；采用矿坑扩展和开采块体功能准确确定月底铲位，完成月计划的编制。

5）三维地质模型作为数字矿山建设的基础数据，开展日常工作，实现二维CAD 到真实三维空间里的采矿设计，并提高了计算和设计精度，实现地质、测量、采矿部门协同作业。

2 设计与效益分析

2.1 Vulcan 软件在哈尔乌素露天煤矿的应用

哈尔乌素露天煤矿采用实体属性导出、csv 导入、实体可见性功能实现了排土场运距的优化。按照传统设计手段，在与采场留有一定安全距离的情况下，向上逐步扩展每个台阶，根据工程师经验设计排土场最终形态，无法定量考虑成本最优。传统设计方法设计的排土场。经计算，从内排土场入口到排弃位置的综合运距为826.01 m。

采用Vulcan“排土场设计功能”，一次性将可能排弃位置均排满，得到排土场实体，排弃容量5 亿m3。采用Vulcan 的“矿坑切分”功能，将最大范围排土场按照80 m×80 m×30 m 进行切分，需将排土场分为实体块。

根据实体块与内排土场端帮入口的距离，按照1.7 元/m3，每提升1 m 增加0.2 元计算，得到每个实体从内排土场入口到排弃位置的成本。采用Vulcan的“三角属性”功能，将运距、成本、最近的内排土场入口属性赋值给所有实体块。按照最近内排土场入口显示。在完成每个实体块成本赋值后，根据成本最小的原则采用“三角模型可见性”逐步降低运输成本，当运输成本为7.7 元/m3时，排弃容积为2.27 亿m3，满足排弃要求，此时综合运距为698.10 m。采用Vulcan 设计的排土场方案相比传统方法节省运距127.91 m，节省运输成本3 783.58 万元。

2.2 Vulcan 软件在黑岱沟露天煤矿的应用

黑岱沟露天煤矿随着工作线持续向东推进，煤顶板不断下扎，中间沟运煤道垂直段长度持续增大，导致排土场滞后将近1 km、内排空间紧张，为了增大内排空间，缩短垂直段长度，制订此次移设方案。

缩短中间沟垂直段距离，向南形成折返运煤坡道，将去往3＃、4＃破碎站的运煤道路搭接到1110 排土台阶上。此方案分3 次进行，第1 次移设后运煤运距增加500 m，排土场向东跟进220 m，排弃空间增加1 800 万m3。第1 次移设完2～3 个月后紧接着实施第2 次移设，计划在2020 年2 月份完成3 次移设，恢复中间沟的5 条道路，最终实现排土台阶与采煤台阶追踪距离最小，同时缩短运煤运距。

中部运煤通道当前已按照技术方案进行了2 次移设，2 次移设总计释放排弃空间5 500 万m3，卡车以较近距离进入排土场，缩短卡车运输距离400 m，节约运输成本2 860 万元。中部运煤道路的变更释放了排弃空间，提高了生产效率，保证了黑岱沟露天煤矿全年生产任务的完成。

2.3 综合效益分析

据初步统计，哈尔乌素露天煤矿每年约编制设计优化方案8 次，通过设计优化节省总运距330 m。其中Vulcan 对效益的贡献率约50%，即165 m，综合运距成本约12 万元/m，一次性减少柴油消耗1 980万元。黑岱沟露天煤矿每年约编制设计优化方案11次，通过设计优化节省运距450 m。其中Vulcan 对效益的贡献率约50%，即225 m，综合运距成本12万元/m，一次性减少柴油消耗2 700 万元。

3 结语

1）将Vulcan 软件应用到采矿设计中，显著地降低了人员劳动强度，提高工作效率。以往使用Auto cad 编制长期计划及大型方案大概需要15 个工作日，采用Vulcan 仅需要5 个工作日，显著提高了工作效率。采用Vulcan 的露天采矿设计功能，实现参数自动绘制台阶；采用Vulcan 动态块体开采功能，实现自动计算土方量；采用Vulcan 的三角实体准确计算体积。

2）Vulcan 软件的应用更加便利完成更多繁琐和复杂的工作，推进了企业的地矿、测量的数据分析工作，增强了企业资源优化配置能力，减少资源损耗，提升企业的核心竞争力。