地下矿山开采系统三维数字优化设计

郭明明　李洁慧

(1.长沙有色冶金设计研究院有限公司；2.湖南有色金属研究院)



地下矿山开采系统三维数字优化设计

郭明明1李洁慧2

(1.长沙有色冶金设计研究院有限公司；2.湖南有色金属研究院)

三维数字设计以其高效、准确和直观等优点日渐成为矿山设计的发展趋势。在系统介绍矿山三维数字设计方法和流程的基础上，以广东某大型复杂银金矿为例，基于矿山三维数字设计方法，建立了矿山三维地质模型，进行了矿山开采系统三维设计并对开拓运输方案进行了优选。研究表明，三维数字优化设计技术对于提高矿山设计质量及效率有一定的参考价值。

地下矿山开采系统三维设计方法地质模型开拓运输系统

目前，国内矿山设计普遍采用AutoCAD二维设计方法，该方法存在图纸繁多、工作量大、误差大、效率低等不足，难以直观表达矿山复杂的三维地质特征和井巷工程分布特征。矿山的空间结构关系完全依靠设计者主观想象，设计方案一旦有误，极有可能造成巨大的经济损失[1]。随着计算机技术的不断发展，Surpac、Datamine、Micromine、3DMine、DiMine等矿业工程软件已较成熟，在矿山三维可视化及矿山设计方面得到了广泛应用[2-9]，为矿山三维数字设计奠定了坚实基础。矿山三维数字设计可清晰地立体展示矿山地表、构造、矿体赋存特征、开拓运输系统、井巷工程、通风系统、回采工艺过程等信息，并辅助进行采矿设计方案的优化选择，有助于提高矿山设计效率及准确性。本研究以广东某大型复杂银金矿为例进行矿山开采系统的三维优化设计。

1　矿山三维数字设计方法和流程

矿山三维数字设计的基础是根据建立的矿山数据库进行矿山基础模型创建(主要包括地表模型、矿体模型、构造模型和块体模型等)。目前，建模方法主要有2类：①通过成熟的三维建模软件(Surpac、3DMine、3DMax等)制作虚拟场景所需的各种模型；②通过三维扫描仪建模(如采空区模型)，建模方法常用的有Delaunay三角形连接法、剖面线法、中线+巷道断面法和巷道实测法等[10]。矿山三维数字设计的主要内容是在基础模型的基础上建立开拓运输系统、井巷工程、通风工程、采矿方法、采空区、设备等模型，在此基础上，运用三维建模软件的快速统计功能进行相应的技术经济指标对比分析，选择最优的设计方案。矿山三维数字设计流程如图1所示。

图1　矿山三维数字设计流程

2　实例分析

2.1工程概况

广东某大型复杂银金矿为新建矿山，由相邻的长坑金银矿和富湾银矿构成，设计开采方式为地下开采，生产能力为6 000 t/d(1 980 kt/a)。矿区紧邻西江，根据广东省“大江大河500 m内禁采”的规定，西江以西500 m范围内的矿体禁止开采。矿体赋存于构造破碎带中(含水层)，为缓倾斜—倾斜、薄—中厚矿体，矿体走向较长，形态变化较大，矿石品位较高。采矿方法推荐为盘区机械化进路充填法，采用凿岩台车浅孔凿岩和铲运机出矿。银矿体倾角为10°～30°，矿体形态变化较大，因此银矿体中段高度为30 m，矿体划分为-20，-50，-80，-110，-140，-170，-200，-230，-260 m中段。金矿体为倾斜—急倾斜矿体，矿体产状变化相对不大，设计考虑2个中段组合为一个中段开采，设计范围内的矿体划分为10，-50，-110，-170，-230 m中段。矿山环保和安全要求高，开采技术难度大。

2.2基础模型创建

(1)地表模型。将一系列具有高程的散点和已赋高程的等高线(地形等值线)通过Surpac软件自动连接三角网直接生成地表模型。

(2)矿体模型。采用剖面线法生成矿体模型。首先根据矿山已有的二维矿体的各勘探线剖面图，由Surpac软件通过坐标转换为一系列三维剖面图；然后相邻勘探线之间按照矿体的趋势连接三角网，在矿体两段，进行封闭，形成矿体实体模型(图2)。

2.3开拓运输系统三维数字优化设计

井巷工程模型主要利用Surpac软件，采用剖面线法和中线+巷道断面法生成。由于矿体(特别是银矿体)形态变化较大，考虑到中段无轨运输机动灵活，可很好地适应矿体形态的变化，设计中段采用无轨运输，矿、废石均选用30 t井下卡车运输。根据矿区地形地貌、矿体赋存特征和采矿工业场地的位置，设计考虑如下3种开拓方案。

图2　三维地质模型

2.3.1开拓方案2.3.1.1斜坡道(2条)方案(方案Ⅰ)

斜坡道设置2条，分别为1#、2#斜坡道。1#、2#斜坡道均布置于矿床东翼，采用折返式布置，开口标高均为+20 m，基建时掘至-110 m中段，均与各中段连通，坡度均按12%考虑。此外，2条斜坡道每隔300～400 m均设置一个错车道或躲避硐室。1#斜坡道用于人员、材料和设备下放及井下卡车空车下行，同时兼作进风井，要求设置人行道，采用直墙三心拱断面，直线段净宽5.0 m，直墙高2.5 m。2#斜坡道用于矿、废石的运输通道，同时兼作进风井，不考虑设置人行道，采用直墙三心拱断面，直线段净宽4.5 m，直墙高2.6 m。中段的矿石通过采场溜井下部的振动放矿机装入井下卡车后，再由30 t井下卡车通过中段运输巷道、斜坡道和地表公路运至地表矿石堆场或选厂矿仓。中段的废石由30 t井下卡车通过中段运输巷道、斜坡道和地表公路运至废石场。方案Ⅰ的开拓运输工程实体模型如图3所示。

2.3.1.2斜坡道+胶带斜井方案(方案Ⅱ)

斜坡道的位置、断面、功能、连通中段、坡度与方案Ⅰ的1#斜坡道一致，但基建时需掘至-260 m标高。胶带斜井为明斜井，负责金、银矿石和废石的提升任务，矿、废石分时段提升。斜坡道倾角14°，井口标高50 m，井底标高-245 m，带宽1.2 m，带速3.15 m/s，内设检修道，采用直墙三心拱断面，直线段净宽4.5 m，直墙高1.9 m，底部设一个集中装矿点，集矿皮带标高-240 m。各中段的矿、废石首先由30 t井下卡车卸至矿、废石集中溜井；然后通过溜井下的集矿皮带将物料卸入斜井皮带，斜井皮带分时段将矿、废石运出地表，运出地表后的废石通过一条地表废石皮带运往废石堆场，矿石通过一条地表矿石皮带运往选厂，矿石皮带下方再接一条地表可逆皮带，将金、银矿分别卸入相应的矿仓。中段运输方案与方案Ⅰ一致。方案Ⅱ的开拓运输工程实体模型如图4所示。

图3　开拓运输工程实体模型(方案Ⅰ)

图4　开拓运输工程实体模型(方案Ⅱ)

2.3.1.3斜坡道+箕斗竖井方案(方案Ⅲ)

斜坡道的相关参数及功能与方案Ⅱ的斜坡道一致。箕斗竖井为明竖井，负责金、银矿石和废石的提升任务。井口标高+50 m，井下最低出矿中段-230 m，集中转运水平为-260 m，箕斗装矿水平为-290 m，井底标高-340 m，井筒直径6.0 m，内设置梯子间。井筒内设一套双箕斗(银矿)和一套单箕斗带平衡锤提升系统(金矿和废石)，均为钢丝绳罐道。其中，双箕斗提升系统采用2个5 m3底卸式箕斗以及JKM2.8×4型多绳摩擦式提升机，单箕斗带平衡锤提升系统采用5 m3底卸式箕斗和17.5 t多绳平衡锤，采用JKM2.8×4型多绳摩擦式提升机。在-260 m 水平设集中转运水平，胶带宽1.2 m，带速1.6 m/s，长1 100 m。井底设粉矿回收斜井一条，由-370 m水平掘至-290 m水平，倾角30°。各中段矿、废石首先由30 t井下卡车通过中段运输巷道运至矿、废石溜井卸载；然后通过振动放矿机放矿后通过-260 m中段转运皮带运至箕斗井附近并卸入箕斗装矿皮带，箕斗装矿皮带将矿、废石装入箕斗并最终提出地表；最后通过汽车转运至选厂矿仓和废石场。中段运输方案与方案Ⅰ一致。方案Ⅲ的开拓运输工程实体模型如图5所示。

图5　开拓运输工程实体模型(方案Ⅲ)

2.3.2开拓系统方案优选

分别从可比井巷工程量(利用Surpac软件统计)、可比总投资、运营成本、费用现值等方面对方案Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ进行了技术经济对比分析，结果见表1。由表1可知：方案Ⅰ在可比基建工程量、可比总投资、可比基建投资、费用现值等方面均优于其余2个方案，同时，方案Ⅰ的矿、废石无需转运，系统简单灵活，管理相对方便，故推荐方案Ⅰ，即斜坡道(2条)方案为最优方案。

2.4通风系统三维数字设计

根据矿体赋存条件并结合推荐的开拓运输系统，设计该大型银金矿的通风系统采用侧翼对角抽出式。考虑到矿山生产规模较大，2条斜坡道无法满足进风要求，故需新掘专用进(回)风井。设计在矿区南翼新掘一条南进风竖井(φ4.0m)，矿区北翼新掘一条北进风斜井(采用三心拱断面，直线段净宽4.5m，直墙高1.9m)以及在矿区东翼新掘一条东回风竖井(φ6.5m)。该大型银金矿通风系统的实体模型如图6所示。设计新鲜风流首先由北进风斜井、南进风竖井和2条斜坡道进入；然后由进风石门、沿(穿)脉巷道、采区斜坡道、分段巷道等进入作业面，洗刷工作面后，污风经通风天井、上中段穿(沿)脉巷道、回风石门，最终由东回风竖井抽出地表。

表1　开拓系统方案技术经济分析

图6　通风系统实体模型

3　结　语

以广东某大型银金矿为例，采用矿山三维数字设计方法，建立了该矿山的三维地质模型，在此基础上进行了矿山开采系统的三维设计并对开拓运输方案进行了优选，对于提高矿山开采系统的三维数字化设计水平有一定的借鉴价值。

[1]代张音.虚拟现实技术在矿山设计中的应用探讨[J].铜业工程，2010(2)：23-25．

[2]杨彪，罗周全，熊立新，等.基于三维建模和VRML的矿山网络虚拟现实技术研究与应用[J].矿冶工程，2014，34(5)：19-22．

[3]王李管，何昌盛，贾敏涛.三维地质体实体建模技术及其在工程中的应用[J].金属矿山，2006(2)：58-62．

[4]房智恒，王李管，何昌盛.基于DIMINE软件的采矿方法真三维设计研究与实现[J].金属矿山，2009(5)：129-132．

[5]杨彪，罗周全，陆广，等.露天矿山三维设计方法应用研究[J].工程设计学报，2011，18(1)：48-51．

[6]吴涛，刘炳锋，林吉飞，等.三维设计方法在地下矿山开拓设计中的应用[J].工矿自动化，2015，41(1)：119-123．

[7]任红岗，敖显军，魏铮.地下有轨运输矿山三维设计综合应用[J].有色金属：矿山部分，2013，65(6)：86-91．

[8]范文涛，鲁辉武，徐东.SURPAC在新城金矿采矿设计中的开发与应用[J].现代矿业，2015(2)：162-164．

[9]敖显军，王海军.3DMine矿业软件在国外某矿山施工图设计中的应用[J].矿冶，2013，22(2)：37-39．

[10]郭明明.地下矿山开采工程虚拟现实仿真与应用研究[D].长沙：中南大学，2009．

Three-dimensional Digital Optimization Design of Mining System of Underground Mine

Guo Mingming1Li Jiehui2

(1.Changsha Engineering and Research Institute Ltd. of Nonferrous Metallurgy;2.Hunan Research Institute for Nonferrous Metals)

Three-dimensional digital design is gradually becoming the trend of mine design with its characteristics of efficient,accurate and intuitive.Based on systematically analyzing the three-dimensional digital design method and process of mine,taking a large complex silver gold mine in Guagndong province as the research example,the three-dimensional geological model of the mine is established,the three-dimensional design mining system is conducted and the developing transport system schemes are conducted optimization selection by adopting the mine three-dimensional digital design method.The research results show that the three-dimensional digital design method has some reference for improving the quality and efficiency of mine design.

Underground mine, Mining system, Three-dimensional design method, Geological model,Developing transport system

2016-05-19)

郭明明(1985—)，男，工程师，硕士，410019 湖南省长沙市雨花区木莲东路299号。