SMCAD計算機輔助系統在紅沙泉北露天煤礦的應用

李雙（河南能源中聯潤世新疆煤業有限公司紅沙泉北露天煤礦， 新疆 昌吉 831800）

SMCAD計算機輔助系統在紅沙泉北露天煤礦的應用

李雙（河南能源中聯潤世新疆煤業有限公司紅沙泉北露天煤礦， 新疆 昌吉 831800）

數字化露天煤礦虛擬開采計算機輔助系統（SMCAD），是以礦山三維動態實體模型為基礎，緊密結合露天礦山的生產實際，以簡潔實用為目標，采用人機交互、計算機仿真手段，虛擬整個開采過程，對比分析采用不同的開采工藝、開采程序、開拓方式、開采參數等多個開采方案，從而獲得最為合理的開采方案。其最終目的在于為露天礦生產提供一個動態、直觀、立體的開采對象數字信息平臺以及功能強大而有效的采礦輔助設計系統，實現工程設計三維可視化，降低設計難度和設計人員的勞動強度，減少設計失誤，提高設計質量，更有效地指導實際生產，提高露天礦技術管理水平和經濟效益。

露天煤礦；SMCAD；設計；三維可視化

1　引言

近年來隨著數字地球、數字中國等概念的不斷涌現，“數字礦山”的概念也逐步得到推廣和實施。早在二十世紀八十年代，一些礦山企業、科研院所、大專院校就已經開始探索計算機技術在礦山設計和生產中的應用，并開發了一些應用系統軟件。九十年代后，隨著國家信息化的高速發展和市場環境的變化，礦山信息化進入快速發展階段，圍繞著如何提高礦山生產效率和管理效率、降低開采成本、提高礦山開采的技術水平和生產能力等開展了大量的研究，數字露天礦作為數字礦山的重要分支，也成為我國各大露天礦的數字化進程中的重要研究內容。

紅沙泉北露天煤礦資源儲量豐富，開采條件優越，設計的開采工藝和技術裝備先進，有條件建設一流的高產高效現代化露天煤礦。在露天礦開發過程中，涉及到地質信息的科學預測、地質儲量管理與預報、剝采排工程的優化控制設計、生產計劃編制和優化調整、剝采排工程量的精準化驗收等技術管理工作。對于如此巨大而復雜的生產技術管理工作，傳統的工程技術管理方法遠不能適應現代化露天礦管理的技術需求，在尋求先進的技術方法和手段，實現建設安全、經濟、高產、高效現代化露天礦的目標的過程中，引進了由遼寧工程技術大學露天開采研究所，礦業及軟件專家們共同研究開發出的基于三維輔助設計，具有國內先進水平的礦山數字化軟件系統（SMCAD），在實際使用過程中切實有效的解決了諸多技術問題。

2　SMCAD的組成

該軟件以三維實體構模為核心，以AutoCAD為基礎平臺運用VBA進行二次開發而成。主要由地質信息管理系統、測量驗收系統、采礦計劃三部分構成。系統的主要構成如圖1所示。

圖1　系統主要構成

三維實體構模技術作為軟件的核心，實現了數據的可視化編輯，在整套系統中承擔支撐作用。考慮到軟件的通用性，SMACAD與國內主流制圖軟件AutoCAD實現了無縫兼容，并兼顧以往工程技術資料二維到三維完美自動轉換，同時增加了外部文本和Excel數據導入生成數據圖形及數據格式化輸出的接口，增強了軟件的實用性。

（1）地質信息管理系統在對原始鉆孔數據、地質平/剖面圖數據、地質界面等值線數據、斷層數據分析處理的基礎上，建立了動態地質數據庫，實現了地質數據的可視化管理。采用包絡面固化成體技術構建露天礦地形模型、地質模型，真實表達礦區地形地貌、煤巖層賦存特征。同時利用地質寫實數據和生產補勘信息可對集成模型進行動態的更新與修改，以地質模型為基礎進行儲量計算、煤質分析、地質出圖表等，為采礦設計與生產提供相對精確可靠的地質信息資料。其詳細功能如表1所示。

表1　地質信息管理系詳細功能

（2）測量驗收系統支持多格式數據點的導入，實現了實測數據AutoCAD之間的數據與圖形互換功能，從而使測量內業工作變得更加直觀、便捷。在該功能中，工程技術人員可快速形成不同形式下的三維成果，包括建立地表DEM模型（見圖2）和生成等值線、露天礦現狀和掘進坑道模型，采動區域內的煤、巖工程量分類計算，快捷、準確的完成工程驗收。其詳細功能如表2所示。

（3）生產計劃系統。生產計劃子系統是上述兩個系統的信息數據接收端，以露天礦三維集成實體模型為基礎，利用層間組合與定位顯示的方法進行露天礦的虛擬開采，實現了采、運、排工程量計算和具體的工程位置計劃安排，并同時自動生成圖形和數值結果。

圖2　露天礦DEM模型

表2　測量驗收系統詳細功能

3　實際使用效果

下面就SMCAD在紅沙泉北露天煤礦解決實際問題情況對其功能實際效果進行演示。

3.1工程量驗算精度比較

由于實際工程地貌的復雜性，在計算其真實體積的過程中難免會產生誤差，所以技術組取一個理想狀態下的規則體，本次以長寬高分別為180、100、100的規則長方體為實例，選用SMCAD和其他具有同類功能的軟件進行計算結果對比，過程中沿上述長方體對角線按臺階坡面角45°、平盤寬度20將長方體分割成體積相同的兩塊，模擬出露天礦山邊坡的形狀。利用SMCAD三維實體技術將上述長方體展示如圖3所示。

圖3　計算用長方體

計算方法的選擇上，SMCAD以三維實體方法計算體積，其他同類功能軟件以網格法計算體積，計算結果對比如表3所示。

表3　體積計算結果對比

從計算結果上不難看出，兩款軟件的計算結果中總體積都與實際吻合，但是分別算上下兩塊時另外一款運用網格法計算的結果與實際體積存在誤差，而且隨網格寬度的增大誤差增大。

3.2地質儲量校正

紅沙泉北露天煤礦現在開采的B2煤層西部露頭位置勘探程度低，屬于333推斷資源，可信度低，在工程實際中煤層貯存的深度及煤層厚度與勘探報告有較為明顯的出入，導致采剝關系不均衡、工程布局不合理。在引進SMCAD系統后，利用系統的地質信息管理模塊，根據現狀采集頂底板點標高結合勘探鉆孔的數據采用距離冪次反比法進行格網內插值，最終形成更接近真實的煤層模型，解決了因勘探程度低對工程施工產生的問題。過程如圖4。

圖4　B2煤層模型建立過程

4　結語

通過學習、分析、使用，筆者認為SMCAD為露天礦設計和生產計劃提供了一個高效可靠的三維可視化的軟件平臺，實現了不規則礦床實體模型的快速、準確構建和更新，改善了露天煤礦日常的地質測量驗收、生產計劃編制設計的技術手段，提高了工作效率和剝采排工程計劃的設計質量，達到了提高露天礦綜合管理水平和經濟效益的目的，對露天礦安全、高效生產具有重要指導意義和實用價值。

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李雙，2009年本科畢業于內蒙古科技大學采礦工程專業，現攻讀遼寧工程技術大學露天采礦專業工程碩士。