1、真三維構(gòu)模軟件在露天煤礦設(shè)計(jì)中的應(yīng)用孫鑫 李慧智 （中煤國(guó)際工程集團(tuán)沈陽(yáng)設(shè)計(jì)研究院 遼寧 沈陽(yáng) 110015）摘要：本文利用真三維構(gòu)模軟件以HS露天煤礦為例,采用界面構(gòu)模法構(gòu)建了HS露天煤礦礦床三維模型，并利用地質(zhì)部門提供的勘探線剖面及資源量對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證。本文還以首采區(qū)采掘場(chǎng)為例，論述了采掘場(chǎng)設(shè)計(jì)的過(guò)程，并據(jù)此計(jì)算了各個(gè)工程位置的煤巖量，為采礦設(shè)計(jì)人員編制礦山開采進(jìn)度計(jì)劃及開采工藝和設(shè)備的選擇提供了重要的依據(jù)，大大提高了采礦設(shè)計(jì)人員的工作效率。關(guān)鍵詞：真三維建模軟件；界面構(gòu)模法；礦床三維模型；煤巖量計(jì)算Application of the Real 3D software in open-

2、pit mine designSUN Xin LI Hui-zhi(Sino-Coal International Engineering Group Shenyang Design and Research Institute, Shenyang 110015,China)Abstract: Taking advantage of the Real 3D software in using of HS open-pit mine for example in this article. Adopting interface configuration mode to build 3D mod

3、el of HS open-pit mine, and using the sections from geological department validating the model. As a sample, the article describes the Pit Design method, and creates the Reserve DB method. Depend on this, the article describes how to calculate the coal and waste quantities in every sequence mining p

4、osition. This provides an important basis for the mining engineers to develop the mining schedule, mining technology, equipment selection and improving the efficiency of mining design staff greatly.KeyWords: Real 3D software; Interface configuration method; 3D geological model; Calculating quantity

5、of coal and waste引言進(jìn)入21世紀(jì)，我國(guó)煤炭工業(yè)快速發(fā)展，一些企業(yè)跨地區(qū)、跨行業(yè)進(jìn)行產(chǎn)業(yè)聯(lián)合，形成了一批在國(guó)內(nèi)領(lǐng)先、在國(guó)際上具有一定競(jìng)爭(zhēng)力的大集團(tuán)。我國(guó)煤炭產(chǎn)量急劇上升，得到了全世界的關(guān)注。在采礦發(fā)達(dá)國(guó)家，幾乎所有大中型礦業(yè)公司都擁有用于礦床開采評(píng)估、設(shè)計(jì)、計(jì)劃和生產(chǎn)管理的計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)、計(jì)劃、生產(chǎn)管理等工作的計(jì)算機(jī)化。目前礦山企業(yè)處在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中，及時(shí)做出生產(chǎn)成本低、產(chǎn)品質(zhì)量好和高速高效的開采計(jì)劃，優(yōu)化開采作業(yè)，顯得特別重要。我院引進(jìn)了由西方國(guó)家普遍采用并符合JORC標(biāo)準(zhǔn)的三維建模軟件，其專為層狀礦體而設(shè)計(jì)，具有高速高效的建模技術(shù)，提供了全面的采礦設(shè)計(jì)功能，實(shí)

6、現(xiàn)了露天礦開采設(shè)計(jì)、計(jì)劃和管理工作的數(shù)字化、信息化。1 礦床三維地質(zhì)模型的建立及驗(yàn)證1.1 HS礦區(qū)簡(jiǎn)介HS礦區(qū)地處天山中段以北的山間谷地，東西較開闊，地勢(shì)北高南低，西高東低。勘探區(qū)構(gòu)造簡(jiǎn)單，主體特征為一南傾的單斜構(gòu)造，地層走向約95°，傾角一般在13°25°，走向上傾角變化不大。勘探區(qū)內(nèi)含可采煤層9層，即6號(hào)、7號(hào)、8號(hào)、9號(hào)、11號(hào)、12-1號(hào)、12-2號(hào)、13-1號(hào)、13-2號(hào)煤層。煤層厚度從1.00m51.45m，可采煤層平均總厚度68.19m。1.2 鉆孔信息三維顯示及數(shù)據(jù)校核HS礦區(qū)地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)中共錄入鉆孔212個(gè)信息，包括鉆孔坐標(biāo)、測(cè)斜和終孔深度信息、

7、煤層結(jié)構(gòu)信息和煤質(zhì)信息。地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)建立起來(lái)以后，利用真三維軟件的圖形顯示系統(tǒng)，可在三維空間真實(shí)再現(xiàn)地質(zhì)數(shù)據(jù)，可以顯示想要看到的各種信息，如鉆孔的軌跡線、各煤層厚度、煤層編號(hào)和孔類型等。由于鉆孔分布范圍廣，作為例子，本文只截取部分鉆孔信息以顯示三維建模時(shí)的三維鉆孔數(shù)據(jù)，如圖1所示。圖1 部分鉆孔三維顯示示意圖根據(jù)軟件提供的功能，在鉆孔數(shù)據(jù)錄入后可對(duì)其正確性及空間位置關(guān)系進(jìn)行邏輯性校驗(yàn)，以判斷建模所錄入的數(shù)據(jù)是否不失真地再現(xiàn)了地質(zhì)部門提供的原始數(shù)據(jù)，并對(duì)原始數(shù)據(jù)的正確性和可用性進(jìn)行校對(duì)。1.3 真三維地質(zhì)模型構(gòu)模原理真三維構(gòu)模軟件采用界面構(gòu)模法建立礦床模型，實(shí)質(zhì)是用若干個(gè)微多邊形面拼接起來(lái)形成一個(gè)

8、多邊形網(wǎng)格來(lái)模擬礦床的各種地質(zhì)界面和開挖工程界面。對(duì)煤層礦床而言，本軟件采用界面模型的構(gòu)模方法主要有兩種：規(guī)則格網(wǎng)構(gòu)模法（Grid）和三角網(wǎng)構(gòu)模法（Tin），并實(shí)現(xiàn)了其相互的轉(zhuǎn)化。（1） 規(guī)則格網(wǎng)構(gòu)模法(Grid)Grid建模法是將構(gòu)模區(qū)域按一定的方向劃分成若干個(gè)等距二維矩形網(wǎng)格，再根據(jù)已知的樣本點(diǎn)數(shù)據(jù)，采用一定的估值方法估算出各網(wǎng)格頂點(diǎn)的指標(biāo)以描述礦床的一種方法。規(guī)則格網(wǎng)模型的計(jì)算機(jī)算法實(shí)現(xiàn)比較容易，如圖2所示。圖2 Grid網(wǎng)格模型示意圖（2） 三角網(wǎng)構(gòu)模法（Tin）三角網(wǎng)構(gòu)模法就是對(duì)礦床的地質(zhì)界面上的已知點(diǎn)形成三角網(wǎng)面，用多個(gè)三角網(wǎng)面描述礦體形態(tài)及賦存狀態(tài)，從而構(gòu)成礦床模型。利用真三維構(gòu)

9、模軟件生成的三角網(wǎng)模型如圖3所示。圖3 Tin模型示意圖1.4 礦體模型的建立本軟件提供了快速、高效的建模方法，在原始數(shù)據(jù)錄入并校核后，可以在幾分鐘內(nèi)對(duì)各個(gè)煤層的底板、頂板、層間剝離、煤層厚度的Grid文件一次性生成。HS礦區(qū)含有可采煤層9層，其建立的過(guò)程如下：（1） 生成structure模型 根據(jù)錄入的鉆孔和煤層數(shù)據(jù)進(jìn)行估值生成煤層的網(wǎng)格文件，此時(shí)可采煤層6號(hào)、7號(hào)、8號(hào)、9號(hào)、11號(hào)、12-1號(hào)、12-2號(hào)、13-1號(hào)、13-2號(hào)煤層的底板、煤層厚度、層間剝離的Grid文件都已經(jīng)生成，并保存在structure.grd文件夾中。由于13-2號(hào)煤為全區(qū)發(fā)育的煤層，以下將以13-2號(hào)煤層為例

10、進(jìn)行研究，其他可采煤層類似。其中13-2煤層底板模型如圖4所示。圖4 13-2煤層底板模型將13-2煤層的儲(chǔ)量邊界線導(dǎo)入軟件中，依次對(duì)生成的13-2號(hào)煤的底板、層間剝離和煤層厚度網(wǎng)格文件按照儲(chǔ)量邊界線的范圍進(jìn)行裁剪，將儲(chǔ)量邊界線以外的區(qū)域裁減掉，這樣13-2煤層的形態(tài)便清晰可見，如圖5所示。用已生成的煤層底板、層間剝離和煤層厚度的網(wǎng)格模型生成各煤層的頂板，這樣structure中的煤層模型便建立完成，此時(shí)生成的礦床模型只是概念模型，并沒有考慮層間的空間關(guān)系、孔深、風(fēng)氧化和地形界面等因素。圖5 裁剪后的13-2煤層底板模型（2） 生成model模型利用structure中生成的煤層網(wǎng)格文件，考慮

11、各種相互關(guān)聯(lián)因素，對(duì)各煤層進(jìn)行調(diào)整并生成實(shí)際的煤層模型，模型具有顯示空間三維的功能，使人們?nèi)暯堑卣J(rèn)識(shí)礦體的形狀、特征及地質(zhì)體間的相互關(guān)系。（3） 模型檢驗(yàn)圖6 勘探線剖面圖（上）和模型剖面（下）對(duì)比圖對(duì)所建立的礦體模型能夠從任意方向及剖面對(duì)礦體進(jìn)行觀察，采用地質(zhì)部門提供的勘探線剖面圖，對(duì)生成的煤層模型進(jìn)行檢驗(yàn)，如圖6所示。由于對(duì)煤層邊界處理時(shí)，煤層的南部邊界以f5斷層為界，因此模型剖面中只顯示f5斷層北部的煤層。通過(guò)對(duì)模型地層剖面與HS露天煤礦勘探線剖面圖相比較，可以看出模型中地層情況與12勘探線剖面圖中地層是基本一致的，包括地形、煤層的露頭、煤層厚度和煤層傾角等基本與實(shí)際相符合。（4）生成

12、merged模型將model.grd中所有網(wǎng)格文件以地表界面模型為參照進(jìn)行合并，由于每一次合并都覆蓋在同一區(qū)域的X和Y坐標(biāo)網(wǎng)格上，將所有煤層的頂?shù)装寰喜⒅恋乇?，保證合并后的礦床模型內(nèi)部沒有空值，才能進(jìn)行儲(chǔ)量計(jì)算和采礦設(shè)計(jì)，合并后的煤層模型如圖7所示。圖7 合并后13-2煤層底板模型三維顯示圖合并是軟件提供的一種簡(jiǎn)易生成各煤層復(fù)合底板的方法，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)也可以不進(jìn)行Merged操作，而采用人工生成復(fù)合底板的方式，計(jì)算時(shí)只對(duì)Model.grd進(jìn)行操作即可。2 首采區(qū)采掘場(chǎng)設(shè)計(jì)首采區(qū)位于HS露天礦開采境界內(nèi)的位置如圖8所示。圖8 HS露天礦首采區(qū)示意圖2.1 首采區(qū)臺(tái)階劃分圖9 臺(tái)階網(wǎng)格模型三維顯

13、示圖對(duì)HS露天煤礦首采區(qū)進(jìn)行臺(tái)階劃分，首先需要建立各臺(tái)階的網(wǎng)格模型，每個(gè)臺(tái)階網(wǎng)格模型的命名與該臺(tái)階名一致，以13-2煤層底板做為深部境界向地表建立臺(tái)階，首采區(qū)深部臺(tái)階標(biāo)高設(shè)定為+2100m，臺(tái)階高度為15m，向上建立37個(gè)臺(tái)階便可到達(dá)地表標(biāo)高，建立的臺(tái)階網(wǎng)格模型如圖9所示，圖中只顯示出三個(gè)臺(tái)階，從上至下依次為BENC2640.grd、BENC2400.grd和BENC2100.grd。當(dāng)然對(duì)于本軟件，臺(tái)階劃分還有多種不同方式，可根據(jù)煤層頂?shù)装暹M(jìn)行傾斜劃分，也可以只劃分為一個(gè)臺(tái)階，這些需根據(jù)不同設(shè)計(jì)階段的需要酌情進(jìn)行選取。2.2 首采區(qū)采掘場(chǎng)邊幫的生成臺(tái)階網(wǎng)格模型建立后，選定已確定的首采區(qū)深部境

14、界，從深部BENC2100.grd向地表BENC2640.grd自動(dòng)生成所有臺(tái)階，每個(gè)臺(tái)階的坡頂線和坡底線都是一個(gè)閉合的封閉圈，生成的邊幫如圖10所示。圖10 首采區(qū)采場(chǎng)臺(tái)階及其構(gòu)成的邊幫三維顯示示意圖3 露天礦煤巖量的計(jì)算3.1采掘帶設(shè)計(jì)利用軟件按設(shè)計(jì)的推進(jìn)方向進(jìn)行采掘帶劃分，并按等距離繪制出各個(gè)推進(jìn)位置的坡頂與坡底線位置，采掘帶寬度可以任意設(shè)置，根據(jù)設(shè)計(jì)精度的需要，一般在首采區(qū)開采范圍內(nèi)，距離設(shè)定的相對(duì)較小，一般設(shè)定為40m120m。由于采礦工程是由地表向下逐臺(tái)階進(jìn)行的，因此采掘帶設(shè)計(jì)也必須按由上到下或由下到上的順序逐臺(tái)階進(jìn)行劃分，以滿足未來(lái)開采時(shí)的邏輯要求。軟件提供了上述兩種方法：（1）

15、 從地表境界向深部境界按一定的工作幫坡角逐臺(tái)階劃分采掘帶；（2） 從深部境界向地表境界按一定的工作幫坡角逐臺(tái)階劃分采掘帶。圖11 臺(tái)階坡頂采掘帶劃分顯示圖為了精確計(jì)算拉溝區(qū)的煤巖量關(guān)系，HS露天礦選用了第一種方法，首先在最上面一個(gè)臺(tái)階BENC2640的臺(tái)階坡頂線封閉圈內(nèi)由北向南劃分采掘帶，采掘帶間距100m，保證設(shè)計(jì)位置與臺(tái)階坡頂線封閉圈相交但不超出境界范圍，如圖11所示。首采區(qū)共有37個(gè)臺(tái)階，第一個(gè)臺(tái)階坡頂線的采掘帶劃分完后，根據(jù)設(shè)計(jì)的臺(tái)階參數(shù)，按臺(tái)階坡面角自動(dòng)生成本臺(tái)階的坡底線采掘帶，然后依次從上一個(gè)臺(tái)階的坡底線向下一個(gè)臺(tái)階的坡頂線自動(dòng)生成采掘帶，直到最后一個(gè)臺(tái)階即BENC2100坡底線的

16、采掘帶劃分完畢。3.2煤巖量計(jì)算 （1）區(qū)塊的生成在采掘帶劃分完成后，為了保證推進(jìn)時(shí)的產(chǎn)量精度，需對(duì)臺(tái)階進(jìn)行更小單元?jiǎng)澐郑瓷膳_(tái)階區(qū)塊。根據(jù)本礦的產(chǎn)量規(guī)模，確定區(qū)塊的寬度為100m，劃分后的區(qū)塊如圖12所示。從圖中可以看出，每個(gè)臺(tái)階的每一區(qū)塊均對(duì)應(yīng)一個(gè)唯一的塊編號(hào)，例如2/32，代表BENC2640的第2個(gè)條采掘帶第32塊。至此采掘場(chǎng)設(shè)計(jì)完成。經(jīng)過(guò)儲(chǔ)量建模后，即可對(duì)本采掘場(chǎng)的各個(gè)位置進(jìn)行煤巖量計(jì)算。圖12 BENC2640臺(tái)階算量區(qū)塊顯示圖（2）區(qū)塊結(jié)構(gòu)利用軟件創(chuàng)建剖面的功能，沿著設(shè)計(jì)推進(jìn)位置的方向生成一個(gè)剖面，將臺(tái)階、采掘帶和算量區(qū)塊反應(yīng)在剖面上，如圖13所示，每一個(gè)區(qū)塊代表一個(gè)小的采礦單

17、元，例如11/20/23，代表第11個(gè)臺(tái)階第20個(gè)采掘帶第23塊形成的區(qū)塊，可以看到該區(qū)塊中包含11煤的部分煤量。由于儲(chǔ)量建模后軟件還會(huì)根據(jù)煤層頂?shù)装迕?、最終邊幫和臺(tái)階等，按照八叉樹理論進(jìn)行邊界處理，形成次級(jí)微臺(tái)階，因此，其計(jì)算精度可以滿足要求。本文僅作為示例顯示臺(tái)階、采掘帶和區(qū)塊之間的空間關(guān)系。11煤12-1煤圖13 區(qū)塊結(jié)構(gòu)示意圖3.3 煤巖量表的生成采掘場(chǎng)設(shè)計(jì)完成后，經(jīng)過(guò)儲(chǔ)量建模，即可生成煤巖量表，若不繼續(xù)采用軟件進(jìn)行進(jìn)度計(jì)劃編制，則本表便可用于進(jìn)度計(jì)劃編制的基礎(chǔ)，采礦設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)煤巖量表生成自然剝采比曲線，并對(duì)曲線進(jìn)行均衡，以編制可行的開采進(jìn)度計(jì)劃。根據(jù)Lithology和Inte

18、rval類型，可以同時(shí)計(jì)算小夾矸系數(shù)和含煤系數(shù)等參數(shù)，其儲(chǔ)量計(jì)算的基本公式為： （1）式中：計(jì)算塊段煤層的體積，m3；計(jì)算塊段煤層的含煤率，%；計(jì)算塊段煤層的平均視密度，t/m3。算量結(jié)果以.CSV文件自動(dòng)輸出，其結(jié)果如圖14所示。每個(gè)臺(tái)階上的每個(gè)區(qū)塊隸屬于哪一層煤的煤巖量都能清晰地顯示出來(lái)，為采礦設(shè)計(jì)人員編制開采進(jìn)度計(jì)劃及開采工藝和設(shè)備的選擇提供了依據(jù)。圖14 煤巖量計(jì)算結(jié)果4 結(jié)論（1）本文利用真三維軟件建立了HS露天煤礦礦床三維地質(zhì)模型，并利用建立的地質(zhì)模型，根據(jù)軟件提供的功能，優(yōu)化并圈定了露天礦開采境界，并對(duì)首采區(qū)進(jìn)行了臺(tái)階劃分，對(duì)首采區(qū)進(jìn)行了采掘場(chǎng)設(shè)計(jì)，并根據(jù)設(shè)計(jì)的采掘場(chǎng)生成了儲(chǔ)量模型，以此計(jì)算了各工程位置的煤巖量，為采礦設(shè)計(jì)人員編制開采進(jìn)度計(jì)劃及開采工藝和設(shè)備的選擇提供了依據(jù)。以上功能僅是本軟件的部分基本功能，若軟件模塊齊全，在采掘場(chǎng)設(shè)計(jì)完成后可以根據(jù)需要自動(dòng)編制開采進(jìn)度計(jì)劃。（2）當(dāng)露天礦各個(gè)幫的最終幫坡角不同時(shí)，本軟件實(shí)現(xiàn)起來(lái)相對(duì)復(fù)雜，在不同的幫坡上需單獨(dú)進(jìn)行人工處理，不