基于DIMINE三维矿业软件的普朗铜矿基建采掘工程网络计划编制

刘华武，冯兴隆，刘关锋，杨德全，关洪海

(1.云南迪庆有色金属有限责任公司，云南迪庆 674400;2.金诚信矿业管理股份有限公司，北京 101500)

矿山采掘进度计划是指导矿山生产的依据，计划编制是矿山生产管理中不可缺少的重要组成部分［1］。随着矿业三维软件的发展，为生产计划的编制提供了一个良好的平台。一方面，在三维环境下，地下各种采掘工程在空间上的分布以及其之间的空间关系变得十分清晰明了;另一方面，三维地质块段模型为块段地质属性，如品位、岩性等，提供了空间分布状态［2］。应用优化方法［3，4］、模拟方法［5］和人工智能等方法，可以在三维环境下合理地确定采掘工程顺序，合理分配资源(设备、劳动力、资金等)［6～9］。

1 采掘网络计划编制的关键技术

1.1 基于VTK平台的三维可视化建模技术

矿山数据的建模方法主要分为表面建模和实体建模两大类。表面模型在表达空间对象的边界、可视化和几何变换等方面具有明显的优势;而实体模型则可以很好地表达空间对象的内部信息，易于进行布尔操作和空间数据查询与统计分析。

在表面模型建立完成后，为了表达评价区域的内部信息，形成真正意义上的“区域”，必须进行实体建模。实体建模中为了准确计算不规则地质体的体积，必须首先对地质体进行块段划分，即按照一定的规则将地质体划分为一定几何尺寸的块段，用这些块体的集合来逼近地质体的空间形态。在块段模型中，块段规则地分布于空间网格节点位置处，把地质体模型中的块体与地质统计学方法划分的块体一一对应起来，就能准确地估计出评价区域的属性值。其方法是通过样品组合、样品分析、变异函数计算、选择正确的估值方法、确定估值参数等一系列过程对块段进行品位估值。实体建模总体流程如图1所示。

图1 实体建模总体过程

1.2 三维实体模型自相交检测原理

三维实体的自相交检测是数据检验的重要步骤，其核心是三角面片的相交检测算法。当实体模型三角面片间存在相交时，三维实体模型的体积、表面积估算将存在一定误差，从而影响生产计划编制的精度和可靠性。

1.2.1 三维实体模型自相交检测的基本思想

实现实体三角面片间相交检测最简单的做法是:依次遍历并取出构成该实体模型的三角面片，将该三角面片和其它三角面片进行相交检测，当进行相交检测的两三角形之间存在不共边的交线时，该实体模型需要用户重新进行三维重构。该方法简单，但时间复杂度较高，当构成三维实体的三角形数目为n时，其时间复杂为O(n2)。

为了节省计算时间，三维矿业软件应用一种基于OBB树的三维实体自动检测方法，其基本过程如下:

步骤1:为待检测的三维实体复制生成一个新的对象，为两模型构建两棵OBB树。

步骤2:利用分离轴理论对两棵OOBB树的结点进行轴分离测试。

步骤3:分别循环取出不可分离的两叶子OBB结点的所有三角形对另一个OBB结点进行分离测试，得到两个潜在的相交三角形集合。

步骤4:求出两两相交三角形面片之间的交线。

1.2.2 相交测试

三角面片求交线的理论基础是:如果一个三角形的三个顶点位于另一个三角形所在平面的另一侧，则它们不会相交;如果它们相交，则两个三角形各自形成一段交线区间，如果这两段区间有重叠，则重叠部分为最终交线段，否则两三角形不相交。

1.3 生产计划编制优化技术

生产计划编制过程中，通过任务排序确定生产者的移动路径和各个任务之间的依赖关系。

采掘工程的依赖关系是明确的，必须在所有工作条件创造完成后方可进行。而其它巷道在不同的初始条件下会有不同的依赖关系。如图2所示，如果有两个施工队，它们的入场地点是C川脉西和D川脉西，与入场地点是A进路上和B进路上，所形成的依赖结果是完全不一样的。所以在执行计划前是没法确定它们的依赖关系的。当一个生产者到达一个交叉口，那么就根据这些生产路径所对应的施工场地的优先级别来确定生产者的前进方向，如果优先级别都一样，则根据方向的一致性来判定。当某项活动到达生产路径的端点时，则将查询所有与该端点临近的其它生产路径，并设置其同类活动所对应的任务或依赖于该活动的任务可开工。在计算下一个计划周期时，如果某条生产路径可开工，同时又有可提供的生产者，则该场地开始生产，至于首先开始哪项活动，根据各活动之间的依赖关系确定。

图2 依赖关系不确定性示意图

1.4 生产计划三维可视化编制流程

当矿山矿产资源条件、施工力量、人员和设备工效以及相关经济技术指标确定后，矿山的实际生产能力就可以确定。基于DIMINE三维矿业软件的矿山采掘计划的编制流程，打破了原来的采掘计划编制模式，在充分掌握矿产资源状况、劳动定员、人员和设备工效以及相关经济技术指标的基础上，根据矿山采掘现状进行矿山生产计划的编制。具体采掘计划编制流程如图3所示。

2 普朗铜矿基建采掘工程网络计划的编制

2.1 工程简介

普朗铜矿基建期井巷工程量753 911 m3，3 736 m拉底水平切割工程量为200 000 m3，基建工程量合计为953 911 m3。截止目前已施工完成井巷工程量248 544 m3，尚有未完成井巷工程量505 367 m3，拉底水平切割工程量200 000 m3。

未完成的主要工程包括:溜破系统、3 660 m有轨运输水平、3 700 m回风水平、3 720 m无轨运输水平、3 736 m拉底水平和3 736 m拉底水平200 000 m3切割工程。未完成工程的三维布置如图4所示。

图3 矿山生产计划三维可视化编制流程

图4 普朗铜矿基建工程三维实体图

2.2 数据准备

数据准备主要包括路径文件、工程实体文件、生产工效和块段模型四类数据的准备。

2.2.1 块段模型

应用建立的矿山三维矿体约束空白块段模型，根据建立的地质数据库，然后应用地质统计学的方法对块段模型进行赋值，记录矿石品位的空间分布。

2.2.2 路径文件

路径文件主要为井巷工程中心线，是采掘队伍或作业设备的运动轨迹或发展方向，其主要作用是建立生产运动的轨迹空间拓扑关系。

2.2.3 工程实体文件

工程实体文件主要为生产过程中人类活动所作用的三维实体对象，包括井巷、硐室、底部结构等。矿山三维实体数据见图4。

2.2.4 施工方法和生产工效确定

2.2.4.1 平巷施工方法

平巷施工方法采用Boomer281凿岩、人工装药爆破、4 m3铲运机出渣、20 t坑内卡车运渣的方式。

巷道支护方式主要为喷砼和喷锚网支护，其余还有单筋砼、双筋砼、锚索支护等。

2.2.4.2 平巷施工进度指标

根据工程分布特点，平巷的作业可分为独头掘进和多头掘进两种情形，独头状态下平巷掘进的正规作业循环如图5所示。

根据正规循环作业的编排，不考虑支护因素时，单工作面作业每天可以完成2个作业循环，多工作面作业每天可以完成3个或4个作业循环，当遇到需要进行临时支护加永久支护，每次支护需要约1天的时间。编制计划时按平均指标测算进度，选取进度指标为独头掘进巷道平均指标100 m/月，多头掘进巷道平均指标200 m/月。

2.2.4.3 竖井施工方法和进度指标

对于溜井、矿仓等竖向工程，采用先用反井钻机施工一个Φ1.5 m的小井，再自上而下人工刷大到设计规格，同步完成混凝土支护的施工方法。根据设计的溜井和矿仓结构决定矿仓及溜井挂衬板是同步进行或是最后集中进行。竖井施工进度为60 m/月。

图5 单工作面正规作业循环图表

2.3 计划编制

2.3.1 计划执行

计划执行主要是根据在各实体巷道和路径上指定的任务，以生产者推进为主线，以计划周期时间为约束，查找候选场地和计算场地内的生产周期。

由于矿山工程较多，故在计划编制的过程中，把图4所示的整体工程分成四部分运行，计算各工程的时间节点，再按照工程间的相互关系调整受其它工程限制工程的开工时间。溜破系统的三维布置及计算结果如图6和图7所示。

图6 溜破系统三维视图

图7 溜破系统施工甘特图

2.3.2 计划编制结果

根据三维软件计算结果，普朗铜矿基建采掘工程施工工期为28个月，关键线路有两条，为溜破系统的掘进与设备安装和3 736 m拉底及基建切割工程。

2.4 咽喉工程通过能力校验

根据工程总体安排，在3 720 m无轨运输水平、3 660 m有轨运输水平等部位成为运输集中的咽喉部位，其通过能力决定了通过该部位外运的渣石总量，在上述两个运输水平有间距不等的错车道，按照合理的行车密度测算了不同错车道间距下的最大通过能力，其测算数据见表1。

表1 按照行车密度测算的通过能力

上述测算为理论指标，在实际生产中受运输不平衡以及其它各种因素的干扰很难达到上述最大运输量，需要进行精心组织、合理安排。

根据编制的普朗铜矿基建采掘工程施工网络计划统计出来的各月份出渣量如图8所示。通过分析可以预测，各咽喉部位运输能力可以满足基建进度要求，其中3 660 m和3 720 m运输负荷在50%以上，需要采取必要的管理措施以调节施工的均衡性。

图8 采掘工程各月份出渣量

3 结论

1.以三维矿业软件为平台的地下矿采掘计划编制方法，最终真正实现以三维地质建模和地质块段模型为基础，以生产工作场地、生产者能力、采掘工艺技术为约束编制地下矿相对科学合理的采掘计划。

2.文章归纳出了三维环境下采掘计划编制的实现流程，介绍了采掘计划编制的关键技术和原理。

3.地下矿采掘计划编制的约束条件复杂并且相互制约较多，在三维环境下，使工程间的关系变得清晰明了，并且可以根据计划运行的结果实时对整个系统进行优化。

4.通过DIMINE三维矿业软件和选定的施工进度指标，编制的普朗铜矿基建采掘工程施工工期为28个月，关键线路有两条，为溜破系统的掘进与设备安装和3 736 m拉底及基建切割工程。

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［2］ 胡柳青，王李管，毕林.地下矿山生产计划3D可视化编制技术［J］.煤炭学报，2007，32(9):930－933.

［3］ 冯超东，曹亮.基于SURPAC的露天矿三维采掘进度计划编制系统［J］.金属矿山，2008，38(12):139－141.

［4］ 李建祥，唐立新，吴会江.采矿工业两级供应链中的协调生产计划建模［J］.东北大学学报(自然科学版)，2004，25(4):352－355.

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