可視化三維露天礦模擬開采技術研究

高軍利

國家能源集團準能公司哈爾烏素露天煤礦安監站 內蒙古 鄂爾多斯010030

引言

可視化三維露天礦模擬開采技術能夠充分優化露天礦施工單位的生產與開采流程，降低施工單位的作業成本并提升其經濟收益。基于此，對于可視化三維露天礦模擬開采技術的研究有著重要意義。

一、建立開采模型

(一)分層礦床模型。計算機技術應用于露天礦開采工程，能夠有效幫助采礦工程師編制生產及開采方案；其主要應用為：借助地質模型與地形模型的構建，使用計算機技術對露天礦臺階的發展與形成過程進行模擬，依照開采、運輸及排土作業流程的時空關系設置并優化相應的工作方案。為充分探究露天礦的模擬開采問題，應在設立完畢的露天礦床模型的基礎上進一步構建可以精確反映露天礦開采過程的露天礦開采模型，該模型需要完全展現露天礦開采工程的發展情況。在對露天礦進行開采的進程中，通常將露天礦的采場劃分為具備相應高度的傾斜或水平分層，并統稱為臺階。露天礦開采的顯著特點表現為臺階開采，露天礦的開采過程會涉及復雜多變的各類礦山，而通過露天礦臺階的具體位置能夠相對準確地展現各類礦山的約束關系以及工程進展情況。基于此，需要在露天礦的地質模型上借助計算機技術設計并建立了以露天礦臺階為基礎的分層式開采模型。分層式露天礦開采模型是將設計開采的各個臺階都作為獨立單元，每個單元都涵蓋了眾多尺寸相同但高度不一的平面和網塊節點，不同單元中的網塊節點的高度會依照開采進程出現相應的變化，但各單元的網塊平面具有相同的尺寸且尺寸恒定不變。將開采模型內的各分層依照高程次序以及平面坐標相加就形成了整體的露天礦開采模型。這是二維固定、變動的開采模型。

(二)三維分層模型。可視化三維開采模型主要的設計目的是將露天礦采場的實際情況充分描述。在設計和建立相應模型時充分結合露天礦的實際地質條件，臺階的布置以及生產工藝等各方面因素。借助CAD軟件對圖形進行處理并構建可視化三維立體開采模型。分層式三維立體開采模型將整個露天礦的采場依照相關設計分割成若干單元，并在各單元內部設置特征點作為傳遞露天礦信息的傳播載體；同時各單元的高程也表明露天礦臺階的高程。在對露天礦的實際項目狀況進行綜合考慮后，依照下列方法建立開采模型。在建立露天礦開采模型前將臺階劃分方案、礦床、地質模型以及露天礦地形模型調入，借助三維條件下的人機交互技術科學合理地對臺階進行劃分。露天礦的臺階主要借助底盤和頂面模型進行描述，而開采模型的底盤與頂盤的信息是借助設置在露天礦臺階底面的信息載體進行存儲的。因此，露天礦臺階模型的全部空間平臺組合成了三維分層開采模型。

二、可視化三維露天礦模擬開采技術

(一)模擬開采。可視化三維露天礦模擬開采是指依照構建的開采模型對露天礦的開采、運輸以及排土作業流程和發展情況進行模擬。同時觀察露天礦的巖煤量的變動狀況并顯示工程進展情況。例如對露天礦開采工程當中排土場的構建，礦石、巖石的運輸，露天礦臺階的形成進行模擬并計算各類工程的作業量[1]。可視化三維露天礦模擬開采技術通過在項目采場的分層三維模型上對露天礦臺階的底線與坡頂進行篩選，規劃相應的計劃線；依照露天礦的線框三維模型對規劃出的計劃線進行賦值，輸入相應的高程數值并根據相應的開采參數擴展規劃的計劃線；借助規劃的計劃線對影響該露天礦區內的各個臺階的底線及頂線進行截取，進而形成露天礦整體的線框三維計劃模型；依照制定的線框三維計劃模型建立區域內的礦區實體開采模型，并將巖、煤等地質模型通過實體的模式引入上述實體模型，借助露天礦的巖、煤實體地質模型開展相應的布爾運算得出露天礦各分層的巖、煤的實體模型。通過對實體地質模型相應數值的分析得出開采工程的總工程量并制定相應的工程表。

(二)模擬運輸。通過對露天礦采場的線框三維模型的計算明確各分層坡道的具體參數，計劃修建的臺階數量以及各分層臺階的中心線。將計劃線設置為各分層單元的斜坡臺階的中心線并將斜坡臺階底線與計劃中心線的交點設定為各分層坡道的起點，依照各分層坡道的長度計算出坡道終點；借助各分層坡道的具體參數與斜坡臺階底線進行坡道中心線的計算，得出坡道三維中心線；依照坡道三維中心線計算出整體露天礦各分層坡道的線框三維模型，借助各分層坡道的線框三維模型與計劃中心線剪裁區域內的坡斜坡臺階得到斜坡臺階的底線與頂線。通過坡道線框三維模型與計劃線計算得出相應的計劃線框三維模型。施工單位的設計人員需要細致地檢查計劃線框三維模型，當明確該模型并無疏漏且能充分滿足設計需求后，運轉相應的計算模塊[2]。依照計劃線框三維模型設置區域內的計劃實體模型。并引入巖、煤的實體地質模型，再次根據巖、煤實體地質模型開展布爾運算得到本次巖、煤運輸過程的工程量并制成相應的表格。

(三)模擬計算。計算排土空間以及明確排土場位置是整體露天礦開采工程的關鍵。借助可視化三維露天礦模擬開采技術在露天礦線框三維模型的基礎上明確二維排土臺階的底線與頂線位置，依照二維排土臺階底線與頂線的數值明確其影響區域。對二維排土臺階頂線與底線進行排列組合，同時裁剪露天礦的線框三維模型并進行計算能夠確定計劃排土臺階的大致區域。借助影響區域內的坡道臺階的底線與頂線進行賦高程運算得出排土場的計劃線框三維模型。與此同時，借助二維排土臺階的底線與頂線以及其影響區域設置露天礦排土場的實體地質模型，通過計算露天礦排土場實體地質模型的體積能夠得出露天礦排土場的排土空間進而完成對排土空間的計算及排土場位置的確定工作。

結論

綜上所述，可視化三維露天礦模擬開采技術借助CAD軟件作為圖形處理平臺以開采模型為基礎建立了模擬開采系統，對露天礦開采工程的開采、運輸、排土等作業工序進行模擬，設置出高效的工程方案，有效提升施工單位的作業效率，降低施工單位的成本，提高施工單位的經濟效益。