郑煤集团告成煤矿 河南登封 452477
摘要：针对传统二维采矿设计方法的缺陷，研究了改变地下煤矿采矿设计方式的基于三维可视化模型的采矿设计新方法。根据矿山开拓系统三维模型和矿体模型在三维可视化环境下对新盘区进行设计，并建立划分后的盘区三维模型。根据实测工程模型布置采切设计巷道并绘制出中心线，通过巷道建模方法建立600－40－I盘区采切工程模型。以600－40－I盘区采切模型和矿体模型为基础，根据爆破参数完成盘区的切割槽和矿房扇形中深孔设计，建立爆破模型计算爆破量。结果表明三维可视化的采矿设计能快速地确定巷道工程的位置，缩短了设计周期，提高了设计的准确度。
关键词：数字矿山；三维可视化；采矿设计；爆破设计
1前言
采矿设计是地下煤矿设计工作的重要内容，当前普遍采用 CAD 等计算机辅助绘图软件进行设计。但这种传统的二维设计方法因缺少 1 维信息而产生一些缺陷，这些缺陷成为矿山企业信息化、智能化开采的障碍。随着计算机技术的飞速发展，矿山开始采用三维可视化软件进行可视化的采矿工程设计。国内外很多数字矿山软件都提供了三维可视化的地下矿山采矿设计功能。可视化采矿设计是在三维可视化环境中，通过人机交互的方式借助三维模型进行采矿设计。三维模型能够直观真实地表示矿山各种对象的形态、位置和属性等信息，也可以通过查询计算得到工程量、矿石品位、矿石量等矿山生产各个环节的相关信息。可视化采矿设计能综合考虑矿山的三维地质模型及矿床赋存条件等因素，利用三维模型的可视化技术模拟出虚拟的矿山工作环境，从而快速准确地确定各种巷道工程的空间位置，缩短设计周期，提高设计的准确度，减少开拓、采准工程量，对矿山企业实现数字化和智能化也具有非常重要的意义。
在三维可视化采矿设计中要完成的主要工作是进行矿块或者盘区划分、建立采切工程模型（包括采准巷道、出矿进路、漏斗和切割槽等工程模型）、进行爆破设计、计算采矿工程量和爆破量等。
2矿山采矿方法原理分析
对于地下矿山采矿方法的划分，是依据回采时地压管理方法的差别来进行的，以此可将其分为三类方法，即崩落采矿方法、充填采矿方法、空场采矿方法，下面对三类采矿方法的特点进行具体介绍。
崩落采矿方法：崩落采矿法以一步骤回采，用崩落围岩来实际地压管理方式进行，也就是用自然或强制方法促进矿石崩落对采空区进行充填，以便对地压实施调控，崩落采矿方法以此为特点。使用崩落采矿法要具备一定的条件，即地面适合进行崩落，矿床自然性缺乏，围岩也可缺乏稳定性等条件。
充填采矿方法：充填采矿方法通过两步实施回采，在回采工作进行过程中，需对采空区填充相应材料。其方法原理为借用充填体对地压进行调控，有效应对地表沉陷、围岩崩落等问题，保障回采活动顺利开展。使用充填采矿法时可在施工现场选择矿石，可用充填体替代矿柱。
空场采矿方法：空场采矿方法分为两步骤进行回采即将矿块分为矿房、矿柱两部分，对其分别进行回采，矿柱也可不采。对矿房实施回采时采空区的稳固性要依赖矿石、围岩、矿柱等结构稳定性。回采完矿房后，在回采矿柱及对采空区进行处理时要制定相应的计划，开采金属非煤矿时可采用此方法，但要注意围岩和矿体的稳定性。
3采矿方法设计原则、要素和方案设计方法
采矿方法设计原则：采矿方法设计原则主要由安全性、科学性、高效性、低成本等原则，下面对此进行分别分析。安全性原则。施工单位要为施工人员创造安全生产条件，避免破坏井下和地表的设施，做好灾害预防工作，防止出现水灾、火灾等事故，保证施工人员的生命财产安全。科学性原则。开采矿产资源时要坚持科学性原则，避免进行过度开采，开采稀缺矿床时，要选择最优化的开采方法。对矿床进行分期开采时，要做好相应的保护措施，避免矿岩条件遭到破坏，提高资源利用效率。高效性原则。选择采矿方法时，要选择生产效率高的采矿方法，避免做过多的无效工作，做好开采管理工作，集中力量进行开采工作，注重矿产资源的开采效率。低成本原则。在选择采矿方法时，要对矿石回采和加工成本进行测算，做好成本管理工作，将开采成本控制在合理范围内，获取更多经济利益。
采矿方法设计要素：采准工程设计要素，可将采准巷道分为多种，包括电耙道、穿棉运输巷道、采场充填井等。切割工程设计要素，对回采工作面、补偿空间进行施工，主要通过掘进方法实施，比如拉底巷道、切割天井等。回采顺序设计要素，可依据地压要求选择回采顺序，回采顺序有后退、梯次、前进等。凿岩爆破设计要素，凿岩爆破方法常用于金属非煤矿，凿孔方法有深孔、浅孔。炮孔布置方法有垂直孔、扇形孔等。地压管理设计要素，主要包括矿房、采切工程管理，在对地压管理方法上，可通过崩落顶板、布置支护结构、调整回采顺序等方法进行管理。
方案设计方法：设计采矿施工方案方法主要包括创造性和选择性等方法。运用创造性设计方法时要对当前的采矿方法进行科学分析并深入探索，发现当前采矿方法中存在的不足，并提出有效措施进行改善或者变革，坚持因矿创法原则，此方法应用于较难进行施工的矿体采矿方案的设计。使用选择性设计方法时要充分考虑现场施工地质环境，结合施工单位现有的施工条件进行选择，此类设计方法适用于易进行施工的矿体方案设计。
4地下矿山采矿方法设计思维方法
采矿设计思维方法有多种，下面具体探究经济技术、地质环境、分别与合并、逆势与顺势、机械化轻重、间隔与连续、监测和经验试验、单一与组合等思维方法。
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经济技术思维方式：选择采矿方法时要综合考虑施工单位的财政力量、施工机械设备水平、施工技术状况以及管理组织能力等因素。要对地表陷落情况进行明确，要了解施工过程所需要的技术，要做好施工材料、设备等的准备工作，并要提高施工管理效率。
地质环境思维：在设计采矿方法时施工人员要充分利用现有资源对矿床地质环境进行全面勘察，要确定围岩、矿山等的力学特点，从倾角、厚度等方面对矿体产状进行查看，从多种角度进行设计。
分别与合并设计思维：遇到平行、相邻、极薄等矿脉情况，会出现分别与合并开采的差别，这时就要用到分别与合并设计思维，面对极薄矿脉开采活动情况时，需要使用分别设计思维对其进行设计。
逆势与顺势设计思维方法：对矿房顶板进行设计时有逆势与顺势两种方法。一要使用填充材料对采空区进行填充，避免矿岩出现冒落情况，这属于逆势设计思维方法，常用的就是充填采矿方法。二是根据矿岩稳定性差的特性，在矿石崩落情况下对采空区进行填充，能够对地压进行有效调控，这属于顺势设计思维方法，常用的有崩落采矿方法。三要根据矿岩稳固的特性，对矿房进行回采时要对采矿，要对采空区进行维护，维护时要根据矿岩稳定性特征以及矿柱的支撑作用进行施工，这种做法属于综合性思维的设计方法，也就是先采用顺势思维，再采用逆势思维进行设计，空场采矿方法属于这种思维设计方法。
机械化轻重设计思维方法：开采设备有轻型和重型机械设备，都在相应的条件下进行使用。一是遇到大型采矿工程时，要用到重型机械设备。二是面对薄矿体要选择轻型设备，面对厚矿体要选择重型机械。三是采矿施工人员在矿房内作业环境中实施回采施工环节时，要选择轻型机械，在矿房外作业环境中则要选择重型机械，等。
间隔与连续设计思维方法：实施采矿工作时为对地压进行有效控制，需要施工人员在支护、爆破施工环节做出相应措施。一是面对光面爆破环境时，可用间隔或者连续方法实施装药。二是可采取间隔和密集方法在木支护棚架环境中实施支护环节。三是可用连续和间隔方法对矿房内的矿柱进行设置。四是施工人员运用连续开采施工技术进行采矿等。
监测和经验试验设计思维方法：施工人员在设计采矿方法时，获取技术参数的渠道也有多种，如工程类比、试验室试验等。一是通过监测地压活动的情况，参考矿岩应力压区及承载区，对矿房回采顺序、巷道进行设计。二是选择安全跨度数值和暴露面积的最大值，并对顶柱厚度进行明确，通常采取经验设计思维方法和实验室试验方法进行设计。
单一与组合设计思维方法：施工人员在实施矿岩稳定性较高的工程时，通常会选择单一采矿设计方案，面对矿岩稳定性较差的工程时，施工人员会准备多种采矿方法，设计出相应的组合方案，并对于施工方法、施工顺序等环节进行改进，常用的空场与崩落采矿联合开采方法、充填法与空场联合采矿方法等属于此种设计思维方式。
5三维可视化建模
5.1表面模型建模
矿山三维模型通常采用表面模型来表示，目前数字矿山软件中通常采用不规则三角网作为表面模型的数据结构。表面模型利用矿山的各种类型的点和线数据按照一定的规则来建立，地表等表面模型通常采用 Delaunay 三角化的方法建立，而诸如矿体等封闭的矿山三维模型则采用基于轮廓线的贴面重建算法实现，该算法在 2 个平行轮廓线之间按照一定的优化目标形成不规则三角网模型。
5.2井巷三维建模
设计巷道三维模型的建立采用巷道中心线和巷道断面线的方法完成［。其原理是在巷道中心线的不同位置通过坐标变换计算得到空间的巷道断面三维多段线，然后通过生成三角网的方法建立巷道三维模型。断面线根据断面形状和尺寸参数计算得到，经过空间坐标转换，在巷道底板中心线的每一个点的位置放置一个垂直于底板中心线的断面三维多段线，然后利用表面重建算法在断面线之间形成表面，建立巷道三维模型。
6结束语
采矿施工人员要熟知多种采矿法的基本原理，了解关于采矿法的多种设计思维方法并能够对其进行灵活运用，提高施工人员本身的创造性，施工人员要积极培养自身的创新能力，不断对采矿方法进行探究并对其进行改进或变革，要设计出有创新点的施工方案，探索新的设计思路，面对采掘难度、复杂性较高的矿体时要坚持安全、科学、高效、经济等原则，选择最优化的采矿方法，促进采矿活动顺利进行。
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作者简介：
崔正庭（1988----），男，河南登封人，助理工程师，2010年毕业于华北科技学院，现从事煤矿开拓掘进技术管理工作。
论文作者:崔正庭
论文发表刊物:《基层建设》2017年第28期
论文发表时间:2018/1/2
标签：方法论文; 矿房论文; 巷道论文; 模型论文; 崩落论文; 矿山论文; 矿体论文; 《基层建设》2017年第28期论文;