基于模拟开采技术的地下矿山三维可视化生产计划编制

蒋成荣，彭平安，王李管

(1.攀枝花学院资源与环境工程学院，四川 攀枝花 617000；2.中南大学资源与安全工程学院，湖南 长沙 410083)

基于模拟开采技术的地下矿山三维可视化生产计划编制

蒋成荣1，彭平安2，王李管2

(1.攀枝花学院资源与环境工程学院，四川 攀枝花 617000；2.中南大学资源与安全工程学院，湖南 长沙 410083)

生产计划编制是地下矿山最为关键、最为重要的核心决策任务。针对传统生产计划编制过程中暴露出来的周期长、多部门交叉衔接难度大等诸多难题，提出基于模拟开采技术的三维可视化生产计划编制方法，阐述了其相关原理和算法，并以北洺河铁矿为例，利用DIMINE平台，在建立三维实体模型和生产路径的基础上，以实际开采模型和井巷工程模型为编排对象，根据输入的主要生产指标和当前生产现状为约束条件，在三维空间中通过模拟开采技术与人机交互相结合，完成了北洺河铁矿2014～2016年三年滚动计划的编制，并应用于生产组织和管理。研究结果表明，该方法能够显著提高地下矿山生产计划编制工作效率，为矿山高效计划编制提供了新的途径。

生产计划；三维可视化；数字矿山；模拟开采

彭平安(1989—)，男，江西宜春人，博士研究生，主要研究方向为数字矿山。Email：ping_an@outlook.com。

生产计划编制工作是矿山生产经营管理中的一项重要内容，是对企业的生产经营进行超前谋划、制定生产经营方案的重要依据[1]。科学合理的生产计划编制，是实现企业稳产、高产，实现企业的长远规划和和可持续发展的重要保障，对提高企业的经济效益也起着举足轻重的作用。传统的计划编制在长期的生产经营活动中发挥了重要的作用，但随着科技的进步和企业的快速发展，也暴露出来许多弊端，如编制周期长、多部门交叉衔接难度大等诸多难题[2-3]。为了改变这一现状，近些年来，伴随着数字矿山在我国的兴起，越来越多矿山在寻求利用计算机实现矿山三维可视化计划编制[4-6]。

本文以北洺河铁矿为研究对象，在完成地质模型、工程模型和采矿设计的基础上，对三维可视化高效计划编制这一难题进行了研究，并基于模拟开采技术、利用DIMINE三维矿业软件完成了北洺河铁矿2014～2016年三年滚动计划的编制。为地下矿山高效计划编制提供了一种新途径。

1 工程概况

该矿床埋藏于北洺河河床下，矿体埋深266～679m，地质储量7909万t，Tfe品位49.79%，矿石中金属矿物以磁铁矿、黄铁矿为主，伴有少量赤铁矿、褐铁矿、硫、钴等，矿床产于燕山期闪长岩与奥陶纪石灰岩接触带，为接触交代型磁铁矿床，地质条件与水文地质条件复杂[7]。

矿山采用无底柱分段崩落采矿法开采，分段高度15m，进路间距18m，崩矿步距1.7m；用斗容4.0m3电动铲运机出矿，出矿能力600t/班左右。

井下生产作业主要包括采准、支护、中孔、采矿等工序，主要生产工序组织参数见表1所示。

表1 井下主要生产工序组织参数表

2 基于模拟开采技术的生产计划编制原理与算法

生产计划编制是地下矿山最为关键、最为重要的核心决策任务，决策任务是否科学合理，对矿产资源的综合利用、企业的经济效益和是否能够持续均衡生产有着重大影响，直接关系到矿山企业在激烈的市场竞争中的前途和命运[8]。

传统的计划编制首先确定年/月计划的精矿产量，通过选比求得原矿处理量，遵循反推法则分别计算出采矿、中孔、掘进作业量，根据全矿的生产组织和设备运行情况，把全年的生产任务按月合理分配到每个施工单位，接着在横道图中进行衔接摆布，检测计划编排的衔接关系和合理性。如果不合理就在横道图中进行重新摆布，往往需要进行多次调整，才能得出一份比较合理的生产计划；并需要根据网络计划图完成上图等工作。由此，传统生产计划编制的弊端可见一斑。

利用三维矿业软件进行计划编制，以实际开采模型和井巷工程模型为编排对象，在建立掘进、中深孔、采矿三维实体模型和生产路径的基础上，根据用户输入主要生产指标和当前生产现状为约束条件，系统自动编排，在三维空间中模拟生产者的空间运动关系；采用人机交互模式对作业场地间衔接顺序进行编排，建立起生产者空间运动拓扑关系网。对重点工程的安排，采用优先级进行调整，最后交由计算机进行计算、分析、调整、再计算，直到得出一个可行的最佳方案。计划结果可通过三维动画、甘特图以及报表等展示[9]。

生产计划执行过程的基本思想可以阐述为：生产计划的编制是以周期为单位，系统执行过程中，以初始时间为起点，取出第一个生产周期，确定该周期内的生产者，并初始化生产者的位置。在进行下一步之前需要判定生产者当前从事活动所依赖的活动在该处当时是否已经完成，如未完成，则该生产者暂时处于空闲状态，等待活动完成；若已完成，则可进行下一步，计算所需生产时间，并沿推进方向计算推进长度。推进长度可分为两种情形，一是长度超过实体末端，即该周期内完成该实体任务后还有富余，这种情形下，该实体生产完成，并将结果写入数据表中，同时需要查找候选施工场地，计算该周期的剩余时间，以剩余时间为基础，再次计算推进长度，若未查找到候选施工场地，则生产者暂时处于空闲状态。推进长度的第二种情形是未超过实体末端，此时需要对实体进行分割处理，表示这一周期内生产的任务完成情况，同时将结果写入数据表中，再次计算下一周期，进入循环，直至计划时间全部完成，退出。整体算法流程如图1所示。所提算法已在DIMINE软件中得到实现。

3 工程应用

DIMINE三维数字采矿系统已广泛应用于我国有色金属矿山的地质建模、储量估算、测量验收、采矿设计工作中[10]，然而在生产计划编制方面的应用仍鲜见有报道。DIMINE生产计划编制系统的基本功能构架如图2所示。

图1 生产计划执行算法

图2 生产计划编制系统基本功能构架

3.1 数据准备

生产计划数据模型是三维可视化计划编制的基础，将井下开采对象和井巷工程在三维空间中进行模型的建立，使开采对象更具体形象，更有利计划的编制。

计划编制的数据要求如下：①根据发生在生产路径上的各类生产活动的特点，将生产活动划分为主体任务与派生任务。主体任务是指直接产生三维空间的生产活动，派生任务发生在主体任务产生的三维空间中，不直接产生三维空间，却与生产路径线或横断面存在某种数学关系，如支护、中深孔等；②每个实体和路径必须有一一对应的实体名称；③路径线的方向尽量与生产推进方向一致；④生产路径相交处必须有交点存在；5)为了保证矿量的准确性和唯一性，为整个矿体建立一个统一的块段模型，可根据不同条件需要设定不同的次分级数，以便达到不同用途的精度要求。

根据北洺河铁矿的生产实际，建立了井巷工程模型，中孔模型以及采矿模型，并分别采用线文件和体文件进行管理。对每个实体和路径进行了一一对应命名，建立计划工程时将实体名称及其他属性字段进行组合，完成场地名定义。

生产路径主要指生产队伍或设备的运动轨迹及推进方向，利用井巷工程设计中心线、实测巷道中心线、采场中心线，以及其他能够正确反映工程实体及其生产方向的线。三维实体主要指的是生产活动的开采对象。巷道工程由设计中心线加固定断面生成或者由实测数据直接生成；中潜孔和采矿三维实体描述中潜孔和爆破作业对象。

此外，将大量计划编制所需要的原始资料和信息，全部存储在块段模型和实体模型中，省去了传统生产计划编制时繁琐的数据反复查找和统计工作。

3.2 生产活动衔接处理

生产任务之间的先后顺序要遵循一定的逻辑和运动关系，一项活动要开始施工，上一道工序的任务必须完成，同样只有在它本身任务完成的情况下，它的后序活动方可开展。

后继、后序关系的标定在三维空间中按照施工先后顺序进行，或者在生产场地属性表中设置。如：某掘进队掘完1-2进路巷道后接着施工1-3进路，则该巷道的后继场地是1-3进路；再比如只有在某一进路掘进完成的情况下，方可打锚杆，同样只有锚杆打完后方可喷浆，则锚杆的前驱是掘进，后序是喷浆。

生产任务的后继、后序衔接关系既可由用户指定，也可由系统自动分配。系统分配后继、后序任务时，首先在用户指定的搜索范围内搜索任务场地，然后按照优先级、距离等条件排序，选出一个最合适的作为生产者的下一个任务。用户可在“生产活动汇总表”中为每一种生产活动单独指定搜索方案，也可在执行计划时设置统一的搜索方案。

同时为了确保重点工程能够按时间顺利完成，可把工程按类别和重要性进行了系统的分类，对那些重点工程的优先级设置的级别较高，让计算机在运算过程中优先考虑安排。

3.3 三维运动拓扑网建立方法

在建立三维拓扑关系网之前，首先要对生产路径线方向进行调整，保证路径线的方向尽量与生产推进方向一致。

生产计划三维运动拓扑网的建立，一方面可以通过系统自动建立；也可以通过标定后继、后续关系，人机交互进行建立。在人机交互建立运动拓扑关系网时，可以有效利用数据表格与空间数据的相互衔接，快速进行相应定位。

3.4 计划的执行

建立生产者空间运动拓扑关系网后，设置计算的相关参数，包含块段模型、计算品位字段、比重字段等，最后执行计划，计算机会在空间范围内通过最大查找距离和最大查找个数及优先级找到合理的施工场地。

执行完毕后，“生产任务属性表”中显示出各任务的前驱、后继、开始和结束时间、施工者以及完成总量。系统生成“周期单体汇总表”、“周期派生任务单体汇总表”及甘特图，用户可查看周期单体图形和模拟动画。

3.5 计划的修改

计划编制的一个最大的特点就是它具有时间性，在三维环境中进行计划编制，一项重要的工作就是进行前期的开采对象和工程建模，但随着勘探深度和施工进度的开展，可能对矿体的形态认识会有新的变化，这就需要对工程进行修改，当工程修改完毕以后，就会出现计划模型和现场不一样，针对这一情况，探索研究了计划数据的更新(将新的场地添加进原有的三维实体文件和生产路径文件中)，使得计划数据保持最新状态，保证了计划编排的合理性。工程追加或每次计划经用户调整之后，系统就会对新的计划进行重新计算，快速实现计划的更新和修改。

3.6 计划编制结果

计划编制完毕后，利用动画、甘特图、图表等形象、直观的表达结果。这样不但可以在三维空间中直观的对施工者的运动规律、施工部位的衔接关系进行分析，也可以通过图表进行分析，为准确、科学编制合理的计划提供可操作的一种高效模式。

本次工作完成了北洺河铁矿2014～2016年三年滚动计划的编制。

甘特图又叫横道图，通过活动列表和时间刻度形象地表示出项目的活动顺序与持续时间。它的横轴表示时间，纵轴表示活动(项目)，进度条表示在整个期间计划和实际的活动完成情况，直观地表明了任务计划在什么时候进行，及实际进展与计划要求的对比。

4 结论

1)生产计划编制是地下矿山最为关键、最为重要的核心决策任务。针对传统生产计划编制过程中存在的弊端，提出基于模拟开采技术的三维可视化生产计划编制方法，阐述了其相关原理和算法。

2)在三维可视化环境下编制生产计划能够清晰地反映矿山各要素在空间的分布情况，防止了经验主义带来的风险因素。

3)利用DIMINE完成了北洺河铁矿2014～2016年后三年滚动计划的编制，并应用于生产组织和管理。实践结果表明，该方法显著提高了地下矿山生产计划编制工作的效率，为矿山高效计划编制提供了新的途径。

[1] 童光煦，李英龙.矿山生产计划编制方法的发展概况[J].金属矿山，1994(12):11-16.

[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(9):930-933.

[3] 荆永滨.地下矿山生产计划三维可视化编制技术研究[D].长沙：中南大学，2007.

[4] 曾庆田，李德，汪德文，等.地下矿生产计划三维编制技术及动态管理[J].矿业研究与开发，2011(4):62-65.

[5] 侯定勇，李翠平，赵怡晴，等.基于AutoCAD的矿山生产计划优化系统设计与实现[J].采矿技术，2014(2):78-81.

[6] 明建，李国清，胡乃联.基于市场的地下金属矿山生产计划优化[J].北京科技大学学报，2013(9):1215-1220.

[7] 何荣兴.北洺河铁矿爆破参数优化研究[D].沈阳：东北大学，2008.

[8] 王瑞.矿山生产计划辅助决策支持系统的研究与应用[D].沈阳：东北大学，2008.

[9] Newman A M，Kuchta M.Using aggregation to optimize long-term production planning at an underground mine[J].European Journal of Operational Research，2007,176(2):1205-1218.

[10] 李德，王李管，毕林，等.我国数字采矿软件研究开发现状与发展[J].金属矿山，2010(12):107-112.

3D visualization production planning in underground mining based on simulating technology

JIANG Cheng-rong1，PENG Ping-an2，WANG Li-guan2

(1.School of Resources and Environment Engineering，Panzhihua University，Panzhihua 617000，China；2.School of Resources and Safety Engineering，Central South University，Changsha 410083，China)

Production planning is the most important and critical tasks for underground mines.As the traditional production planning has many problems like taking long time，multi-sectoral cross convergence difficulty and so on，we proposed a production planning method based on 3D simulating，described its relevant principles and algorithms.Taking Beiminghe Iron Mine as an example，we choose DIMINE as the platform.Based on the 3D entity model and production path，the actual mining model and roadway engineering model are our main objects，thus，according to the main production index input and current production status as the constraint conditions，combining 3D simulating with human-machine mutual，we completed the three years rolling plan of Beiminghe Iron Mine from 2014 to 2016，and it’s applied in production organization and management.The results show that the proposed method significantly improves the work efficiency of production planning，thatprovides a new way for efficient planning of underground mining.

mining plan；3D visualization；digital mine；mining simulation

2014-08-21

国家高技术研究发展计划(863计划)项目“地下金属矿开采智能调度与控制”资助(编号：2011AA060407)

蒋成荣(1963-)，男，副教授，主要从事采矿理论、工程爆破等方面的研究。E-mail：pzhpdjiang@sina.com；

TD 853.36

A

1004-4051(2015)08-0152-05