金屬礦山設計理論方法與技術研究

張新紅 華寧 鄭清啟

（新疆維吾爾自治區安全科學技術研究院 烏魯木齊 830000）

我國的礦山設計經歷了以下幾個主要發展階段：20世紀50年代，學習蘇聯的三段設計；六七十年代，實行中央、地方、設計部門相結合的設計階段；70年代末開始設計與科研相結合的設計階段；90年代末逐漸發展的現代設計階段。

現代設計方法以其程式性、創造性、系統性、優化性、綜合性等特點，在各行各業得到廣泛的應用。礦山設計是利用科學原理、技術知識和想像力，在確定最高經濟效益和效率的前提下，擬訂系統、工藝方法的決策過程。

1 礦山設計方法研究

礦山設計方法學旨在進行設計理論、設計方法及優化研究，主要內容包括設計的進程、步驟、規律及系統化的邏輯分析,并將成熟的設計模式、解法等編成規范和資料供設計人員參考。礦山現代設計方法所涉及的具體學科內容主要有：地質統計學、可靠性理論、模糊數學、灰色理論、有限單元法、離散單元法、邊界單元法、分形與混沌、小波分析等。目前礦山設計方法研究的重點方向有：建模及仿真技術、體視化技術、人工智能、CAD及GIS技術、數學計算方法。

2 地下礦山設計系統的研究

地下礦山開采設計工作主要包括提升系統、運輸系統、通風系統、排水系統、通訊系統、動力系統、破碎系統、采礦方法以及生產設計等。地下礦山設計技術包括：綜合調度技術，綜合配礦技術，現代支護技術、安全技術及控制爆破技術，多級機站與集中通風的聯合通風技術，地下礦山的現代通訊技術、無人采礦技術、一次成井技術、回采參數優化，巖爆機理及控制研究、井巷破壞理論及支護技術研究。

基于礦床模型的現代設計軟件系統的開發及應用是當前研究的熱點問題。例如房智恒、吳濤、牛明遠分析了采礦方法真三維設計在數字礦山建設過程中的意義，借助于DIMINE礦山軟件實現了礦山采礦方法真三維設計。

目前，不少單位正在研究以體視化和虛擬現實技術為核心的礦山設計軟件系統。例如劉亞靜闡述了如何以3D圖形渲染技術和地理信息系統技術為依托，完成自然實體、人工實體和三維地質數據的精確地表達，將礦區工業廣場以及地層、巷道、工作面的空間位置關系直觀地展現出來。礦山的體模型理論及體視化技術還有待于進一步的研究。結合塊段模型和幾何模型優點，創建基于動態數據庫的礦床模型是礦山設計軟件的一個發展方向，由于礦床賦存狀態及地質條件的復雜性，礦山設計長期處于半理論半經驗設計階段，很難適應現代社會發展的要求。針對礦山物聯網生產設備協同管控規模大、時序約束嚴格、局部控制等特點，結合礦山物聯網生產設備協同管控系統架構，建立了礦山物聯網生產設備多級協同管控模型，實現礦山物聯網數據的分布式協同處理與設備協同管控，減少人為干預，提高生產效率是重點研究方向。

3 露天金屬礦山設計工藝研究

露天礦開采設計主要工作是開采境界圈定、開拓運輸系統、采剝工藝、設備選型、廢石場選擇、廢石排棄、防排水、進度計劃編制等。露天礦的現代設計思路包括：分區開采與分期建設、露天境界優化、爆破技術的應用、混裝炸藥技術、陡幫開采工藝、振動放礦轉載鐵路汽車聯合開拓運輸、間斷連續運輸、礦山設備大型化、露天礦自動調度系統、露天邊坡的安全監控技術、科學的技術經濟評價。露天礦設計中研究的新問題包括：露天礦分期建設中臺階坡面角與平臺寬度的確定，水文地質對臺階穩定性影響；爆破震動對臺階安全影響；臺階及坡面的風險分析、經濟分析與安全操作的結合研究；露天礦安全監控技術等。

4 結語

礦山設計系統是一個有機的整體，必須研究與之相適應的整體優化理論與方法，整體優化設計理論與方法的實現仍要以計算機為工具，建立以計算機軟件為支撐的設計系統是今后的發展方向。