郭明明　李潔慧

(1.長(zhǎng)沙有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司；2.湖南有色金屬研究院)

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地下礦山開采系統(tǒng)三維數(shù)字優(yōu)化設(shè)計(jì)

郭明明1李潔慧2

(1.長(zhǎng)沙有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司；2.湖南有色金屬研究院)

三維數(shù)字設(shè)計(jì)以其高效、準(zhǔn)確和直觀等優(yōu)點(diǎn)日漸成為礦山設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)。在系統(tǒng)介紹礦山三維數(shù)字設(shè)計(jì)方法和流程的基礎(chǔ)上，以廣東某大型復(fù)雜銀金礦為例，基于礦山三維數(shù)字設(shè)計(jì)方法，建立了礦山三維地質(zhì)模型，進(jìn)行了礦山開采系統(tǒng)三維設(shè)計(jì)并對(duì)開拓運(yùn)輸方案進(jìn)行了優(yōu)選。研究表明，三維數(shù)字優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)對(duì)于提高礦山設(shè)計(jì)質(zhì)量及效率有一定的參考價(jià)值。

地下礦山開采系統(tǒng)三維設(shè)計(jì)方法地質(zhì)模型開拓運(yùn)輸系統(tǒng)

目前，國(guó)內(nèi)礦山設(shè)計(jì)普遍采用AutoCAD二維設(shè)計(jì)方法，該方法存在圖紙繁多、工作量大、誤差大、效率低等不足，難以直觀表達(dá)礦山復(fù)雜的三維地質(zhì)特征和井巷工程分布特征。礦山的空間結(jié)構(gòu)關(guān)系完全依靠設(shè)計(jì)者主觀想象，設(shè)計(jì)方案一旦有誤，極有可能造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失[1]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，Surpac、Datamine、Micromine、3DMine、DiMine等礦業(yè)工程軟件已較成熟，在礦山三維可視化及礦山設(shè)計(jì)方面得到了廣泛應(yīng)用[2-9]，為礦山三維數(shù)字設(shè)計(jì)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。礦山三維數(shù)字設(shè)計(jì)可清晰地立體展示礦山地表、構(gòu)造、礦體賦存特征、開拓運(yùn)輸系統(tǒng)、井巷工程、通風(fēng)系統(tǒng)、回采工藝過程等信息，并輔助進(jìn)行采礦設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化選擇，有助于提高礦山設(shè)計(jì)效率及準(zhǔn)確性。本研究以廣東某大型復(fù)雜銀金礦為例進(jìn)行礦山開采系統(tǒng)的三維優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1　礦山三維數(shù)字設(shè)計(jì)方法和流程

礦山三維數(shù)字設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)是根據(jù)建立的礦山數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行礦山基礎(chǔ)模型創(chuàng)建(主要包括地表模型、礦體模型、構(gòu)造模型和塊體模型等)。目前，建模方法主要有2類：①通過成熟的三維建模軟件(Surpac、3DMine、3DMax等)制作虛擬場(chǎng)景所需的各種模型；②通過三維掃描儀建模(如采空區(qū)模型)，建模方法常用的有Delaunay三角形連接法、剖面線法、中線+巷道斷面法和巷道實(shí)測(cè)法等[10]。礦山三維數(shù)字設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是在基礎(chǔ)模型的基礎(chǔ)上建立開拓運(yùn)輸系統(tǒng)、井巷工程、通風(fēng)工程、采礦方法、采空區(qū)、設(shè)備等模型，在此基礎(chǔ)上，運(yùn)用三維建模軟件的快速統(tǒng)計(jì)功能進(jìn)行相應(yīng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比分析，選擇最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。礦山三維數(shù)字設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

圖1　礦山三維數(shù)字設(shè)計(jì)流程

2　實(shí)例分析

2.1工程概況

廣東某大型復(fù)雜銀金礦為新建礦山，由相鄰的長(zhǎng)坑金銀礦和富灣銀礦構(gòu)成，設(shè)計(jì)開采方式為地下開采，生產(chǎn)能力為6 000 t/d(1 980 kt/a)。礦區(qū)緊鄰西江，根據(jù)廣東省“大江大河500 m內(nèi)禁采”的規(guī)定，西江以西500 m范圍內(nèi)的礦體禁止開采。礦體賦存于構(gòu)造破碎帶中(含水層)，為緩傾斜—傾斜、薄—中厚礦體，礦體走向較長(zhǎng)，形態(tài)變化較大，礦石品位較高。采礦方法推薦為盤區(qū)機(jī)械化進(jìn)路充填法，采用鑿巖臺(tái)車淺孔鑿巖和鏟運(yùn)機(jī)出礦。銀礦體傾角為10°～30°，礦體形態(tài)變化較大，因此銀礦體中段高度為30 m，礦體劃分為-20，-50，-80，-110，-140，-170，-200，-230，-260 m中段。金礦體為傾斜—急傾斜礦體，礦體產(chǎn)狀變化相對(duì)不大，設(shè)計(jì)考慮2個(gè)中段組合為一個(gè)中段開采，設(shè)計(jì)范圍內(nèi)的礦體劃分為10，-50，-110，-170，-230 m中段。礦山環(huán)保和安全要求高，開采技術(shù)難度大。

2.2基礎(chǔ)模型創(chuàng)建

(1)地表模型。將一系列具有高程的散點(diǎn)和已賦高程的等高線(地形等值線)通過Surpac軟件自動(dòng)連接三角網(wǎng)直接生成地表模型。

(2)礦體模型。采用剖面線法生成礦體模型。首先根據(jù)礦山已有的二維礦體的各勘探線剖面圖，由Surpac軟件通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為一系列三維剖面圖；然后相鄰勘探線之間按照礦體的趨勢(shì)連接三角網(wǎng)，在礦體兩段，進(jìn)行封閉，形成礦體實(shí)體模型(圖2)。

2.3開拓運(yùn)輸系統(tǒng)三維數(shù)字優(yōu)化設(shè)計(jì)

井巷工程模型主要利用Surpac軟件，采用剖面線法和中線+巷道斷面法生成。由于礦體(特別是銀礦體)形態(tài)變化較大，考慮到中段無軌運(yùn)輸機(jī)動(dòng)靈活，可很好地適應(yīng)礦體形態(tài)的變化，設(shè)計(jì)中段采用無軌運(yùn)輸，礦、廢石均選用30 t井下卡車運(yùn)輸。根據(jù)礦區(qū)地形地貌、礦體賦存特征和采礦工業(yè)場(chǎng)地的位置，設(shè)計(jì)考慮如下3種開拓方案。

圖2　三維地質(zhì)模型

2.3.1開拓方案2.3.1.1斜坡道(2條)方案(方案Ⅰ)

斜坡道設(shè)置2條，分別為1#、2#斜坡道。1#、2#斜坡道均布置于礦床東翼，采用折返式布置，開口標(biāo)高均為+20 m，基建時(shí)掘至-110 m中段，均與各中段連通，坡度均按12%考慮。此外，2條斜坡道每隔300～400 m均設(shè)置一個(gè)錯(cuò)車道或躲避硐室。1#斜坡道用于人員、材料和設(shè)備下放及井下卡車空車下行，同時(shí)兼作進(jìn)風(fēng)井，要求設(shè)置人行道，采用直墻三心拱斷面，直線段凈寬5.0 m，直墻高2.5 m。2#斜坡道用于礦、廢石的運(yùn)輸通道，同時(shí)兼作進(jìn)風(fēng)井，不考慮設(shè)置人行道，采用直墻三心拱斷面，直線段凈寬4.5 m，直墻高2.6 m。中段的礦石通過采場(chǎng)溜井下部的振動(dòng)放礦機(jī)裝入井下卡車后，再由30 t井下卡車通過中段運(yùn)輸巷道、斜坡道和地表公路運(yùn)至地表礦石堆場(chǎng)或選廠礦倉(cāng)。中段的廢石由30 t井下卡車通過中段運(yùn)輸巷道、斜坡道和地表公路運(yùn)至廢石場(chǎng)。方案Ⅰ的開拓運(yùn)輸工程實(shí)體模型如圖3所示。

2.3.1.2斜坡道+膠帶斜井方案(方案Ⅱ)

斜坡道的位置、斷面、功能、連通中段、坡度與方案Ⅰ的1#斜坡道一致，但基建時(shí)需掘至-260 m標(biāo)高。膠帶斜井為明斜井，負(fù)責(zé)金、銀礦石和廢石的提升任務(wù)，礦、廢石分時(shí)段提升。斜坡道傾角14°，井口標(biāo)高50 m，井底標(biāo)高-245 m，帶寬1.2 m，帶速3.15 m/s，內(nèi)設(shè)檢修道，采用直墻三心拱斷面，直線段凈寬4.5 m，直墻高1.9 m，底部設(shè)一個(gè)集中裝礦點(diǎn)，集礦皮帶標(biāo)高-240 m。各中段的礦、廢石首先由30 t井下卡車卸至礦、廢石集中溜井；然后通過溜井下的集礦皮帶將物料卸入斜井皮帶，斜井皮帶分時(shí)段將礦、廢石運(yùn)出地表，運(yùn)出地表后的廢石通過一條地表廢石皮帶運(yùn)往廢石堆場(chǎng)，礦石通過一條地表礦石皮帶運(yùn)往選廠，礦石皮帶下方再接一條地表可逆皮帶，將金、銀礦分別卸入相應(yīng)的礦倉(cāng)。中段運(yùn)輸方案與方案Ⅰ一致。方案Ⅱ的開拓運(yùn)輸工程實(shí)體模型如圖4所示。

圖3　開拓運(yùn)輸工程實(shí)體模型(方案Ⅰ)

圖4　開拓運(yùn)輸工程實(shí)體模型(方案Ⅱ)

2.3.1.3斜坡道+箕斗豎井方案(方案Ⅲ)

斜坡道的相關(guān)參數(shù)及功能與方案Ⅱ的斜坡道一致?；坟Q井為明豎井，負(fù)責(zé)金、銀礦石和廢石的提升任務(wù)。井口標(biāo)高+50 m，井下最低出礦中段-230 m，集中轉(zhuǎn)運(yùn)水平為-260 m，箕斗裝礦水平為-290 m，井底標(biāo)高-340 m，井筒直徑6.0 m，內(nèi)設(shè)置梯子間。井筒內(nèi)設(shè)一套雙箕斗(銀礦)和一套單箕斗帶平衡錘提升系統(tǒng)(金礦和廢石)，均為鋼絲繩罐道。其中，雙箕斗提升系統(tǒng)采用2個(gè)5 m3底卸式箕斗以及JKM2.8×4型多繩摩擦式提升機(jī)，單箕斗帶平衡錘提升系統(tǒng)采用5 m3底卸式箕斗和17.5 t多繩平衡錘，采用JKM2.8×4型多繩摩擦式提升機(jī)。在-260 m 水平設(shè)集中轉(zhuǎn)運(yùn)水平，膠帶寬1.2 m，帶速1.6 m/s，長(zhǎng)1 100 m。井底設(shè)粉礦回收斜井一條，由-370 m水平掘至-290 m水平，傾角30°。各中段礦、廢石首先由30 t井下卡車通過中段運(yùn)輸巷道運(yùn)至礦、廢石溜井卸載；然后通過振動(dòng)放礦機(jī)放礦后通過-260 m中段轉(zhuǎn)運(yùn)皮帶運(yùn)至箕斗井附近并卸入箕斗裝礦皮帶，箕斗裝礦皮帶將礦、廢石裝入箕斗并最終提出地表；最后通過汽車轉(zhuǎn)運(yùn)至選廠礦倉(cāng)和廢石場(chǎng)。中段運(yùn)輸方案與方案Ⅰ一致。方案Ⅲ的開拓運(yùn)輸工程實(shí)體模型如圖5所示。

圖5　開拓運(yùn)輸工程實(shí)體模型(方案Ⅲ)

2.3.2開拓系統(tǒng)方案優(yōu)選

分別從可比井巷工程量(利用Surpac軟件統(tǒng)計(jì))、可比總投資、運(yùn)營(yíng)成本、費(fèi)用現(xiàn)值等方面對(duì)方案Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟(jì)對(duì)比分析，結(jié)果見表1。由表1可知：方案Ⅰ在可比基建工程量、可比總投資、可比基建投資、費(fèi)用現(xiàn)值等方面均優(yōu)于其余2個(gè)方案，同時(shí)，方案Ⅰ的礦、廢石無需轉(zhuǎn)運(yùn)，系統(tǒng)簡(jiǎn)單靈活，管理相對(duì)方便，故推薦方案Ⅰ，即斜坡道(2條)方案為最優(yōu)方案。

2.4通風(fēng)系統(tǒng)三維數(shù)字設(shè)計(jì)

根據(jù)礦體賦存條件并結(jié)合推薦的開拓運(yùn)輸系統(tǒng)，設(shè)計(jì)該大型銀金礦的通風(fēng)系統(tǒng)采用側(cè)翼對(duì)角抽出式。考慮到礦山生產(chǎn)規(guī)模較大，2條斜坡道無法滿足進(jìn)風(fēng)要求，故需新掘?qū)Ｓ眠M(jìn)(回)風(fēng)井。設(shè)計(jì)在礦區(qū)南翼新掘一條南進(jìn)風(fēng)豎井(φ4.0m)，礦區(qū)北翼新掘一條北進(jìn)風(fēng)斜井(采用三心拱斷面，直線段凈寬4.5m，直墻高1.9m)以及在礦區(qū)東翼新掘一條東回風(fēng)豎井(φ6.5m)。該大型銀金礦通風(fēng)系統(tǒng)的實(shí)體模型如圖6所示。設(shè)計(jì)新鮮風(fēng)流首先由北進(jìn)風(fēng)斜井、南進(jìn)風(fēng)豎井和2條斜坡道進(jìn)入；然后由進(jìn)風(fēng)石門、沿(穿)脈巷道、采區(qū)斜坡道、分段巷道等進(jìn)入作業(yè)面，洗刷工作面后，污風(fēng)經(jīng)通風(fēng)天井、上中段穿(沿)脈巷道、回風(fēng)石門，最終由東回風(fēng)豎井抽出地表。

表1　開拓系統(tǒng)方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

圖6　通風(fēng)系統(tǒng)實(shí)體模型

3　結(jié)　語

以廣東某大型銀金礦為例，采用礦山三維數(shù)字設(shè)計(jì)方法，建立了該礦山的三維地質(zhì)模型，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了礦山開采系統(tǒng)的三維設(shè)計(jì)并對(duì)開拓運(yùn)輸方案進(jìn)行了優(yōu)選，對(duì)于提高礦山開采系統(tǒng)的三維數(shù)字化設(shè)計(jì)水平有一定的借鑒價(jià)值。

[1]代張音.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在礦山設(shè)計(jì)中的應(yīng)用探討[J].銅業(yè)工程，2010(2)：23-25．

[2]楊彪，羅周全，熊立新，等.基于三維建模和VRML的礦山網(wǎng)絡(luò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)研究與應(yīng)用[J].礦冶工程，2014，34(5)：19-22．

[3]王李管，何昌盛，賈敏濤.三維地質(zhì)體實(shí)體建模技術(shù)及其在工程中的應(yīng)用[J].金屬礦山，2006(2)：58-62．

[4]房智恒，王李管，何昌盛.基于DIMINE軟件的采礦方法真三維設(shè)計(jì)研究與實(shí)現(xiàn)[J].金屬礦山，2009(5)：129-132．

[5]楊彪，羅周全，陸廣，等.露天礦山三維設(shè)計(jì)方法應(yīng)用研究[J].工程設(shè)計(jì)學(xué)報(bào)，2011，18(1)：48-51．

[6]吳濤，劉炳鋒，林吉飛，等.三維設(shè)計(jì)方法在地下礦山開拓設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].工礦自動(dòng)化，2015，41(1)：119-123．

[7]任紅崗，敖顯軍，魏錚.地下有軌運(yùn)輸?shù)V山三維設(shè)計(jì)綜合應(yīng)用[J].有色金屬：礦山部分，2013，65(6)：86-91．

[8]范文濤，魯輝武，徐東.SURPAC在新城金礦采礦設(shè)計(jì)中的開發(fā)與應(yīng)用[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2015(2)：162-164．

[9]敖顯軍，王海軍.3DMine礦業(yè)軟件在國(guó)外某礦山施工圖設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].礦冶，2013，22(2)：37-39．

[10]郭明明.地下礦山開采工程虛擬現(xiàn)實(shí)仿真與應(yīng)用研究[D].長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2009．

Three-dimensional Digital Optimization Design of Mining System of Underground Mine

Guo Mingming1Li Jiehui2

(1.Changsha Engineering and Research Institute Ltd. of Nonferrous Metallurgy;2.Hunan Research Institute for Nonferrous Metals)

Three-dimensional digital design is gradually becoming the trend of mine design with its characteristics of efficient,accurate and intuitive.Based on systematically analyzing the three-dimensional digital design method and process of mine,taking a large complex silver gold mine in Guagndong province as the research example,the three-dimensional geological model of the mine is established,the three-dimensional design mining system is conducted and the developing transport system schemes are conducted optimization selection by adopting the mine three-dimensional digital design method.The research results show that the three-dimensional digital design method has some reference for improving the quality and efficiency of mine design.

Underground mine, Mining system, Three-dimensional design method, Geological model,Developing transport system

2016-05-19)

郭明明(1985—)，男，工程師，碩士，410019 湖南省長(zhǎng)沙市雨花區(qū)木蓮東路299號(hào)。