可视化三维露天矿模拟开采技术研究

时间：2024-08-31

高军利

国家能源集团准能公司哈尔乌素露天煤矿安监站内蒙古鄂尔多斯010030

引言

可视化三维露天矿模拟开采技术能够充分优化露天矿施工单位的生产与开采流程，降低施工单位的作业成本并提升其经济收益。基于此，对于可视化三维露天矿模拟开采技术的研究有着重要意义。

一、建立开采模型

(一)分层矿床模型。计算机技术应用于露天矿开采工程，能够有效帮助采矿工程师编制生产及开采方案；其主要应用为：借助地质模型与地形模型的构建，使用计算机技术对露天矿台阶的发展与形成过程进行模拟，依照开采、运输及排土作业流程的时空关系设置并优化相应的工作方案。为充分探究露天矿的模拟开采问题，应在设立完毕的露天矿床模型的基础上进一步构建可以精确反映露天矿开采过程的露天矿开采模型，该模型需要完全展现露天矿开采工程的发展情况。在对露天矿进行开采的进程中，通常将露天矿的采场划分为具备相应高度的倾斜或水平分层，并统称为台阶。露天矿开采的显著特点表现为台阶开采，露天矿的开采过程会涉及复杂多变的各类矿山，而通过露天矿台阶的具体位置能够相对准确地展现各类矿山的约束关系以及工程进展情况。基于此，需要在露天矿的地质模型上借助计算机技术设计并建立了以露天矿台阶为基础的分层式开采模型。分层式露天矿开采模型是将设计开采的各个台阶都作为独立单元，每个单元都涵盖了众多尺寸相同但高度不一的平面和网块节点，不同单元中的网块节点的高度会依照开采进程出现相应的变化，但各单元的网块平面具有相同的尺寸且尺寸恒定不变。将开采模型内的各分层依照高程次序以及平面坐标相加就形成了整体的露天矿开采模型。这是二维固定、变动的开采模型。

(二)三维分层模型。可视化三维开采模型主要的设计目的是将露天矿采场的实际情况充分描述。在设计和建立相应模型时充分结合露天矿的实际地质条件，台阶的布置以及生产工艺等各方面因素。借助CAD软件对图形进行处理并构建可视化三维立体开采模型。分层式三维立体开采模型将整个露天矿的采场依照相关设计分割成若干单元，并在各单元内部设置特征点作为传递露天矿信息的传播载体；同时各单元的高程也表明露天矿台阶的高程。在对露天矿的实际项目状况进行综合考虑后，依照下列方法建立开采模型。在建立露天矿开采模型前将台阶划分方案、矿床、地质模型以及露天矿地形模型调入，借助三维条件下的人机交互技术科学合理地对台阶进行划分。露天矿的台阶主要借助底盘和顶面模型进行描述，而开采模型的底盘与顶盘的信息是借助设置在露天矿台阶底面的信息载体进行存储的。因此，露天矿台阶模型的全部空间平台组合成了三维分层开采模型。

二、可视化三维露天矿模拟开采技术

(一)模拟开采。可视化三维露天矿模拟开采是指依照构建的开采模型对露天矿的开采、运输以及排土作业流程和发展情况进行模拟。同时观察露天矿的岩煤量的变动状况并显示工程进展情况。例如对露天矿开采工程当中排土场的构建，矿石、岩石的运输，露天矿台阶的形成进行模拟并计算各类工程的作业量[1]。可视化三维露天矿模拟开采技术通过在项目采场的分层三维模型上对露天矿台阶的底线与坡顶进行筛选，规划相应的计划线；依照露天矿的线框三维模型对规划出的计划线进行赋值，输入相应的高程数值并根据相应的开采参数扩展规划的计划线；借助规划的计划线对影响该露天矿区内的各个台阶的底线及顶线进行截取，进而形成露天矿整体的线框三维计划模型；依照制定的线框三维计划模型建立区域内的矿区实体开采模型，并将岩、煤等地质模型通过实体的模式引入上述实体模型，借助露天矿的岩、煤实体地质模型开展相应的布尔运算得出露天矿各分层的岩、煤的实体模型。通过对实体地质模型相应数值的分析得出开采工程的总工程量并制定相应的工程表。

(二)模拟运输。通过对露天矿采场的线框三维模型的计算明确各分层坡道的具体参数，计划修建的台阶数量以及各分层台阶的中心线。将计划线设置为各分层单元的斜坡台阶的中心线并将斜坡台阶底线与计划中心线的交点设定为各分层坡道的起点，依照各分层坡道的长度计算出坡道终点；借助各分层坡道的具体参数与斜坡台阶底线进行坡道中心线的计算，得出坡道三维中心线；依照坡道三维中心线计算出整体露天矿各分层坡道的线框三维模型，借助各分层坡道的线框三维模型与计划中心线剪裁区域内的坡斜坡台阶得到斜坡台阶的底线与顶线。通过坡道线框三维模型与计划线计算得出相应的计划线框三维模型。施工单位的设计人员需要细致地检查计划线框三维模型，当明确该模型并无疏漏且能充分满足设计需求后，运转相应的计算模块[2]。依照计划线框三维模型设置区域内的计划实体模型。并引入岩、煤的实体地质模型，再次根据岩、煤实体地质模型开展布尔运算得到本次岩、煤运输过程的工程量并制成相应的表格。

(三)模拟计算。计算排土空间以及明确排土场位置是整体露天矿开采工程的关键。借助可视化三维露天矿模拟开采技术在露天矿线框三维模型的基础上明确二维排土台阶的底线与顶线位置，依照二维排土台阶底线与顶线的数值明确其影响区域。对二维排土台阶顶线与底线进行排列组合，同时裁剪露天矿的线框三维模型并进行计算能够确定计划排土台阶的大致区域。借助影响区域内的坡道台阶的底线与顶线进行赋高程运算得出排土场的计划线框三维模型。与此同时，借助二维排土台阶的底线与顶线以及其影响区域设置露天矿排土场的实体地质模型，通过计算露天矿排土场实体地质模型的体积能够得出露天矿排土场的排土空间进而完成对排土空间的计算及排土场位置的确定工作。