基于三維可視技術的礦山掘進計劃編制方案

作者簡介：徐剛強（1964—），男，湖南瀏陽人，副教授，碩士研究生，研究方向：數(shù)據(jù)挖掘和企業(yè)信息化應用（E-mail：Email：xugqiang@163.com）；黎常青（1962—），男，湖南長沙人，高級工程師，研究方向：礦山數(shù)字化。

摘要：礦山采掘計劃編制具有較大的復雜性與難度。在計算機三維環(huán)境下，地下各種采掘工程的空間分布以及空間關系變得十分清晰明，三維地質塊段模型能夠為體積計算、儲量計算等提供快速計算模型。本文針對礦山生產(chǎn)的基本特征及礦山對編制生產(chǎn)計劃方面的要求，對可視化計劃編制的關鍵技術進行研究。提出運用計算機在三維圖形環(huán)境下進行可視化計劃編制的實施方案。

關鍵詞：計劃編制；三維可視化；數(shù)字礦山

中圖分類號：TD672文獻標識碼：A

1引言

礦山的采掘生產(chǎn)計劃是一個復雜的生產(chǎn)系統(tǒng)，編制采掘生產(chǎn)計劃具有很大的復雜性與難度。三維可視化技術的發(fā)展以及資源評價體系的出現(xiàn)，為生產(chǎn)計劃的編制提供了一個很好的平臺。在三維環(huán)境下，地下各種采掘工程在空間上的分布以及其之間的空間關系變得十分清晰明了，三維地質塊段模型為塊段地質屬性，如品位，巖性等，提供了空間分布狀態(tài)，這樣在計劃編制中可以方便地查詢和利用這些信息。這些信息對礦山生產(chǎn)計劃編制的科學性和實效性起著非常重要的作用。

國外的礦山數(shù)字化和信息化發(fā)展比我國早很多，加拿大國際鉬公司利用激光陀螺儀和激光掃描儀在水平和垂直面掃描礦山巷道的斷面，進而產(chǎn)生巷道的三維結構圖，澳大利亞的CSIRO已經(jīng)集成了鉆孔、地震、地質、測量等真三維數(shù)據(jù)礦山模擬環(huán)境，并實現(xiàn)了三維數(shù)據(jù)的解釋、驗證和認知。

近年來我國在礦山數(shù)字化、信息化、智能化建設方面進行了大量研究工作。中國礦業(yè)大學有些研究人員利用國外軟件如LYNX、Vulcan等進行了地質三維地質模擬體可視化技術的應用研究。中南大學近年來正積極推進三維可視化技術在采礦、選礦領域的應用。

2可視化計劃編制基本原理

2.1TIN不規(guī)則三角網(wǎng)結構

不規(guī)則三角形TIN網(wǎng)模型是一種表示數(shù)字高程模型的方法，在利用不規(guī)則三角網(wǎng)建立地形表面模型的過程中，最常用的方法是Delaunay三角剖分法，見圖1。

2.2基于二維輪廓線的三維模型重構算法

礦山的巖層、礦體信息以及工程巷道、采場布置等信息均以二維輪廓線的形式保存在礦山的平剖面圖紙上，利用這些輪廓線重構復雜表面是三維模型重構中的關鍵步驟。基于輪廓線的三維模型重構包括兩個關鍵問題，① 輪廓線貼面，② 處理分支。如圖2所示。

2.3三維圖形交互切割技術

在礦業(yè)工程中，傳統(tǒng)的手工繪制三維剖面，是一個非常復雜的過程。它需要地質工程師對整個區(qū)域的地質賦存狀態(tài)有深入的了解，并且需要耗費相當?shù)木蜁r間。三維交互切割技術能夠很好的解決這一問題。

在三維地質實體模型的基礎上，通過剖切生成指定位置的地質剖面，很容易把表征地質特征三維數(shù)據(jù)場投影顯示在圖形屏幕上，這樣就可以清楚的了解地質模型內(nèi)部的各個細節(jié)。

2.4地質塊段模型

塊段模型是可視化計劃編制的基本計算模型，根據(jù)八叉樹法將三維體的空間幾何模型按照一定的尺寸劃分為眾多的立方體網(wǎng)格，采用網(wǎng)格模型與實體模型邊界套合的方法，并基于變塊技術使得實體邊界處的網(wǎng)格的大小自動進行細分，以確保劃分網(wǎng)格后的模型能夠真實的反映巖體的幾何形態(tài)。單元塊內(nèi)存儲各種信息，如品位、巖性、密度等，地質塊段模型中單元塊的品位信息通常使用地質統(tǒng)計學方法進行插值。

2.5地質統(tǒng)計學

地質統(tǒng)計學是以變異函數(shù)作為基本工具，在研究區(qū)域化變量的空間分布結構特征規(guī)律性的基礎上，綜合考慮空間變量的隨機性和結構性的一種數(shù)學地質方法。變異函數(shù)能夠反映地隨機性反映區(qū)域化變量的結構性。

傳統(tǒng)的儲量計算方法，為了衡量估值的可靠性，有時不得不對一個塊段的儲量計算多次，看其相對誤差的大小，或用不同方法對同一個塊段的儲量計算多次，看其相對誤差的大小，或用不同方法對同一個塊段的儲量計算多次。地質統(tǒng)計學與此迥然不同，它能提供必需的估計精度。

3編制方案

3.1基礎數(shù)據(jù)準備

3.1.1建立地質塊段模型

塊段建模是礦床品位推估及儲量計算的基礎，塊段模型的基本思想是將礦床在三維空間內(nèi)按照一定的尺寸劃分為眾多的單元塊，然后對填滿整個礦床范圍內(nèi)的單元塊的品位根據(jù)已知的樣品進行推估，并在此基礎上進行儲量的計算。

在建立塊段模型之前，先建立了礦床的礦體實體模型、地表DTM模型、閃長巖侵入體的實體模型、難易選礦石分界線、C23、D3W等9種巖層的DTM模型，在塊段模型建模時，利用這些實體或DTM模型對塊段模型進行控制，使得不同的巖體、巖層能夠在塊段模型中得到真實的反映，并利用鉆孔品位組合樣數(shù)據(jù)對礦床的品位進行推估，以進行儲量計算，確保設計和生產(chǎn)管理的需要。

3.1.2設計對象

首先要設計固定橫斷面類型。固定橫斷面類型通常是指掘進工程，它有固定的斷面（寬度，高度和形狀）并由設計線的長度來設置。 其次是設計輪廓線類型。每個輪廓是一個單個的閉合線，它通過延伸一個給定垂直距離來形成三維實體開挖。最后設計復雜實體類型。復雜實體類型通常是指采場設計線，包括兩個或多個閉合線，用其表示空間形體不規(guī)則的采場。一個采場表示采礦中一個生產(chǎn)區(qū)域。

3.2任務量計算和時序

3.2.1創(chuàng)建任務實體模型

創(chuàng)建任務實體模型的目的是用于體積計算，根據(jù)體積才能計算掘進量，或者與塊段模型結合來計算礦量等。創(chuàng)建任務實體模型包括固定橫斷面類型任務實體模型和復雜實體類型任務實體模型。

固定橫斷面類型實體模型的創(chuàng)建需要斷面形狀和任務幫線，通過這兩個數(shù)據(jù)創(chuàng)建實體模型的過程，實質上是將幫線投影到斷面形狀，然后生成三維實體模型。如圖3所示為一個任務的實體模型。

復雜實體類型的設計線為兩個或多個閉合輪廓線，通過三角網(wǎng)鏈接生成實體模型，其鏈接方法同樣包括最小表面積法、等邊三角形法和等比例長度法三種。Mine2-4D系統(tǒng)根據(jù)任務單元定義將每個復雜實體類型任務所包含的閉合輪廓線按照指定的鏈接方法生成實體模型。圖4所示為一個采場的輪廓線及實體模型。

3.2.2任務量計算

根據(jù)任務模型推算各采場的任務的體積、礦石量和Cu品位。以冬瓜山礦為例推算結果如表6-1所示，

3.2.3任務排序技術

任務單元創(chuàng)建之后，任務排序是通過創(chuàng)建任務之間的依賴性進行的。任務排序分為兩種，自動排序和手工排序。

自動排序是通過設置的一系列自動依賴性規(guī)則，盡可能多的將重復任務鏈接起來，以減少需要手工排序的任務數(shù)量。

自動排序需要建立自動依賴性規(guī)則，任務之間的依賴性是表示一個事件（先前任務）先發(fā)生，另一個事件隨后（后續(xù)任務）發(fā)生。創(chuàng)建自動依賴性規(guī)則所需要屬性字段見表2

自動排序有助于節(jié)省大量簡單重復的工作，但礦山計劃編制情況有很大不同，要得到某個礦山的自動依賴性規(guī)則需要較長的時間，在不斷的實踐中逐步完善，才能是自動排序發(fā)揮作用。自動排序并不能夠把所有任務正確的排序，因此手動排序仍是必須的，通過手動排序來修改自動排序產(chǎn)生的錯誤，以及自動排序遺漏的任務等，手動排序在Mine2-4D的三維環(huán)境下使用鼠標交互式進行。

3.2.4計劃編制

任務排序結果導入至計劃表環(huán)境中進行計劃約束編制，設計劃編制開始時間為2011年8月1日，其速率為Mine2-4D環(huán)境中設置的初始值，導入計劃表環(huán)境的任務排序結果如圖5所示。

根據(jù)掘進能力，合理調配施工單位和施工設備，對每個任務的速率進行設置，依據(jù)合理分配掘進能力，控制性工程優(yōu)先，并且考慮各工序之間的空間時間約束關系。速率設置完成后得到最終計劃編制結果。

4結論

三維可視化的發(fā)展以及資源評價體系的出現(xiàn)，為生產(chǎn)計劃的編制提供了一個很好的平臺。三維環(huán)境下，地下的各種采掘工程在空間上的分布以及其之間的空間關系變得十分清晰明了；而3D地質塊段模型為塊段地質屬性，如品位，巖性等，提供了空間分布狀況，這樣在計劃編制中只需對其進行相關查詢便可。

參考文獻

[1]荊用濱. 地下礦山生產(chǎn)計劃三維可視化編制技術研究[D]. 長沙： 中南大學： 2007.

[2]Kecojevic. Vladislav.J.，Wilkinson. William， Hewlett. Phil.. Production scheduling in coal surface mining using 3D design tools[J].World of MiningSurface and Underground，2005，57（3）：193-196.

[3]孫豁然. 數(shù)字礦山[J].中國礦業(yè)2008，1723-27.

[4]李輝，官鎖富，孫進輝.基于DIMINE軟件的礦山三維生產(chǎn)設計應用研究[J].中國礦山工程，2011，6（3）：24-30.

[5]李翠平，李仲學，孫恩吉，等. 地礦工程三維可視化仿真系統(tǒng)功能分析[J]. 金屬礦山，2006，6（360）：57-60.

[6]王李管，曾慶田，賈明濤，等. 復雜地質構造礦床三維可視化實體建模技術[J]. 金屬礦山，2006（12）：49-52.

[7]馬永平，章云，羅兵.SMT錫膏檢測中基于Delphi與OpenGL的錫膏三維顯示[J].計算技術與自動化，2011，30（3）：62-68.