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《礦業科學學報》2017年第5期

摘要：礦山工程三維技術能夠實現礦產開發、采礦設計、采礦工程、生產組織等的三維動態展示，是數字礦山的關鍵性技術。以實例的方式介紹了三維技術在礦山工程建設、礦產資源動態管理中的應用，總結出適合現代化礦山應用的新型礦山工程技術。

關鍵詞：礦業工程；三維技術；數字礦山；工程技術

“數字礦山”是以礦山系統為原型，以地理坐標為參考系，以礦山科學技術、信息科學、人工智能和計算機科學為理論基礎，以礦山測量和網絡技術為支撐，建立起的一系列不同層次的系統模型、物質模型、力學模型、數學模型、信息模型和計算機模型等的兼并集成，可用多媒體和模擬仿真虛擬技術進行多維的表達［1］。目前，該系統在我國已經有了初步的應用，但局限于企業系統引入的完整性、計算機水平與資金投入等因素的制約，在應用上缺乏深度和廣度，不能為礦產資源評估、礦山規劃、設計優化等決策提供全面有效的信息數據。

1數字礦山的系統構成

數字礦山分為7個層次:(1)基礎數據層。為實測數據，或設計數據，是各層的基礎數據。(2)模型層。該層將基礎數據加工為直觀、形象的表述形式，并為設計與優化提供依據。(3)模擬與優化層。如采選工藝流程模擬、技術經濟指標參數優化、設計與計劃方案優化等。(4)設計層。該層把各環節優化過的數據轉化為可執行方案或直接進行方案設計提供手段。(5)執行與控制層。如自動調度系統、質量指標參數自動監測與遠程控制操作等。(6)管理層。包括MIS與辦公自動化。(7)決策支持層。依據各層級的信息數據加工成果，就重大的設計、施工、投資等方案進行分析與預測，為決策者提供決策支持［2］。

2五礦礦業數字化礦山建設情況

2008年五礦礦業公司啟動數字礦山建設，購置了三維礦業軟件，以北洺河鐵礦為試點，以已有的測量數據、鉆孔數據、一次圈定、二次圈定數據、地質素描數據等為依據，建立地質三維模型、礦體三維模型、礦山工程三維模型、地表建構筑物三維模型。由于礦山生產活動動態快速變化，常規測量設備與手段效率低、精度低、采集數據量極其有限，并且數據本身的誤差較大不能達到建模要求，加之采空區、放礦溜井、塌陷區等人員設備無法到達，無法準確完成數據采集，造成工程設計方案不能準確地為采礦做指導，設計因此經常需要修改，造成大量的工程浪費。采空區、放礦溜井、塌陷區等重點監控區域無法準確建立三維模型，無法真正實現空間管理，實現資源優化配置與安全管理，更不能科學編制生產計劃，無法做到采場出礦質量精細化管理。為此，2014年五礦礦業公司引進并開發三維掃描技術，對礦山采礦工程、采空區、塌陷區進行三維掃描，這些問題才更好的得到了解決，該公司的數字礦山系統也從第二層上升到第三層建設，三維掃描測量成果的應用如圖1所示，目前，利用三維激光掃描技術，該公司開展了地形圖掃描、采掘工程放量驗收、采場邊坡變形測量、采空區實測、充填體變形監測、井巷巷道實測、主溜井破壞度實測等。目前，建有礦山礦體三維模型、地質構造三維模型、采空區三維模型、井巷工程三維模型、地表建構筑物三維模型、地表塌陷區三維模型、地面工業場區等三維模型，真實反映其相互間三維空間管理。以數字化礦山模型的應用實例為依據，展示其在資源儲量動態管理、工程質量控制、采礦設計、采空區管理、主溜井修復方案等方面的研究與應用，論述數字化礦山成果的重要性以及發展方向。

3礦山數字化建設的研究與應用

3．1礦山三級礦量及資源量動態管理

根據一次圈定二次圈定的地質勘探資料、實際勘測數據建立地質勘查數據庫、三維礦產資源模型、礦業工程實測模型，可以清晰準確的展示任意中段任意盤區的三級礦量保有情況，采掘現狀，為下一步科學的進行施工組織決策提供參考依據。

3．2工程施工質量檢測

由于傳統測量采用毛斷法方式采集數據，只利用中線量取巷道的高度、寬度、到控制點的距離的方式，不僅速度慢，且采集數量極其有限，所以無法全面地反映出工程實際施工的質量情況，不能滿足數字礦山的要求，利用三維激光掃描技術采集數據，建立巷道實測模型，利用其快速、便捷、大數據的特點，并通過三維礦業軟件建立巷道真實模型。

3．3采空區驗收、優化礦柱爆破設計

實際測量采空區現狀，繪制三維實體模型，并參照盤區礦塊的采準設計、回采設計，與模型進行合并，用類似于工程質量檢測的方法進行對比，為爆破設計提供可靠的信息數據，有效降低了爆破震動對采空區充填體的破壞，在保證充填體安全的前提下，盡可能多地回收礦產資源。

3．4采空區頂板地壓的安全風險評估

采空區的邊幫受地壓的影響存在垮落現象，如圖5、圖6所示，為了預防采空區邊幫、頂板塌落冒頂對上部工程以及作業人員、設備造成傷害，以區域實測成果為基礎數據，定期對采場的采空區變化情況以及采礦邊界內頂部工程(鑿巖巷道和充填耳洞)位置進行對比，對頂部工程的安全風險進行分析與評估。鑿巖巷道底板與塌冒區邊界距離為2．8～9．9m，最小距離僅為2．8m，采空區頂板冒落比較嚴重，并隨時存在再次塌冒的危險，人與設備在巷道內作業內，隨時處于危險狀態，鑿巖巷道應及時封閉并掛警示標志，禁止行人進入巷道內。

3．5地表塌陷區動態監測

采用崩落法采礦的礦山，地表將隨著采礦活動的進行而不斷的往下塌陷，人員與設備均不能夠靠近，常規測量設備無法完成全面準確的數據采集，無法建立塌陷區模型。而利用三維激光掃描技術可以定期進行無接觸的全面激光掃描，在安全區域快速獲取塌陷區完整數據，并通過三維軟件進行點云數據處理建立，不同測站數據的快速融合，如圖9所示，三維模型進入三維礦業軟件進行分析對比，獲得塌陷區動態變化情況，可以及時準確的獲取塌陷區變化的情況，并及時采取有效的措施，避免周邊人員、設備、建構筑物遭受損失。

3．6為主溜井治理方案提供依據

主溜井是礦山運礦的主要途徑，隨著服務年限的增加，主溜井會出現不同程度的損壞，由于主溜井構造和服務的特殊性，人員無法進入了解內部情況，設計人員無法了解現場實際情況，來完成主溜井修復方案設計。利用三維激光掃描技術，快速完成主溜井破壞區域數據采集，實現主溜井虛擬模型數字化。

4結論與建議

(1)采用三維掃描技術采集數據，大幅度提高了數字化礦山成果的準確度、精度和密度，使采準設計、回采設計和中深孔爆破設計更加精準，爆破效果更好，技術經濟指標有顯著提升。(2)較大程度地提高了礦山的安全管理水平，避免了人員進入到采空區、地表塌陷區等危險地點作業，掃描速度快，可以配合遙控電鏟、搖臂、遙控車進入到更深更遠的地方工作。

(3)提高工程設計精度，很大程度地改善了爆破對充填體的破壞度，降低了殘孔率、廢孔率、二次爆破，提高回采率、降低貧化率、損失率，取得一定的經濟效益。

(4)目前，五礦礦業公司正朝數字礦山系統第5個層次規劃，把此數字化礦山技術成果應用到安全六大系統中，全面開展地表地容地貌的數字化建設與礦體模型、礦山工程模型相融合，將成果展示在調度大屏上，利用人員定位系統將人員位置定位在此模型上，同樣實行人員分級，利用顏色分級，例如選廠設備檢修，在調度室就可以清晰地看到有幾人在維修，有無科長、段長、專家在，是否有其他的維修力量可以調配過來，減少維修時間。又如，如果井下某區域有塌方或者火災，堵住了安全通道或者有被困人員，就可以在大屏上指揮人員疏散或者組織救援等。

參考文獻

［1］劉立．現代礦山新趨勢:自動化和智能化［J］．礦山裝備，2011(7):34-37．

［2］孟耀偉，田勝利，王山東．數字礦山框架及演進過程研究［J］．現代礦業，2009(6):64-66.

作者：劉驥；劉楠祥 單位：五礦礦業控股有限公司