北洺河铁矿三维可视化采矿设计流程再造与生产计划编制优化研究.pdf

中图分类号 U D C T D 8 5 3 6 2 2 硕士学位论文 学校代码 Q 三兰 密级公五 北洛河铁矿三维可视化采矿设计流程再造与生产计 划编制优化研究 A S t u d yo nR e e n g i n e e r i n go fM i n i n gD e s i g nP r o c e s sa n d O p t i m i z a t i o no f P r o d u c t i o nP l a n n i n gi nB e i m i n g h eI r o n M i n ew i t h3 DV i s u a l i z a t i o n T e c h n o l o g y 作者姓名 学科专业 研究方向 学院 系、所 指导教师 冯武 矿业工程 采矿工程 资源与安全工程学院 王李管教授 论文答辩日期丝 兰 Z答辩委员会主 中南大学 二零一四年五月 万方数据 学位论文原创性声明 1 I I III I I I II II I I I I I I I I II II Y 2 6 8 7 5 0 3 本人郑重声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研 究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致 谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得中南大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均己在论文中作了明确 的说明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 作者签名 理盍。日期上生生年上月丛日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解中南大学有关保留、使用学 位论文的规定即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版；本人允许本学位论文被查阅和借阅；学校可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 复印、缩印或其它手段保存和汇编本学位论文。 保密论文待解密后适应本声明。 作者签名；墨丛 日期丛年￡月丛日 导师签名星三堑石邑导师签名必五 日期’≥竺 生年鱼月兰生日 万方数据 北沼河铁矿三维可视化采矿设计流程再造与生产计划编制 优化研究 摘要矿山生产效率的高低，一定程度上取决于矿山的现代化程度， 矿山数字化又是矿山现代化的基础，在三维空间中进行可视化采矿设 计和生产计划编制已经成为发展的必然趋势。三维矿业软件在我国矿 业应用已经将近二十年，基本是围绕矿山工程建模、矿体建模与储量 估算展开，对三维环境下进行采矿设计与生产计划优化仍然处于起步 阶段，鲜有成功应用案例。 基于此，本文以北沼河铁矿为例，在矿山三维模型与资源模型数 据仓库的基础上，对无底柱分段崩落法可视化、参数化设计流程再造 以及基于模拟开采技术的生产计划编制的应用进行研究。主要研究内 容包括以下几个方面 1 阐述了三维可视化的采矿设计和生产计划编制涉及的实体构 模狄洛尼三角剖分算法，地质体切割算法，地质体投影图算法以及生 产任务排序、生产路径查找算法等关键技术。 2 禾1 J 用D I M I N E 平台建立了北沼河铁矿三维钻孔和坑探数据库， 建立了矿山数字地表模型 D Ⅳ 与井巷工程模型。基于非标准空 间网格化建模技术，构成了三维可视化矿体模型，并分别建立了矽卡 岩模型、闪长岩模型、灰岩模型、断层模型等。利用地质统计学方法 建立了反映矿床地质信息的品位块段模型。 3 实现了无底柱分段崩落法在三维环境下的采准、回采设计流 程再造。在采准设计中，实现了中心线快速绘制、命名及坡度调整， 智能化进行坐标点标注及精确计算、校核和指标计算，标准化成图等， 完成了北沼河铁矿．1 5 5 、．1 7 0 分段采准设计设计并应用于指导生产施 工。回采设计中，实现了自动炮孔设计和装药设计，指标的精确计算， 设计图件的标准化和规范化输出等，完成了北沼河铁矿多个采场的回 采设计。 4 通过利用模拟开采技术、数据库技术等实现矿山三维可视化 高效计划编制。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 I l I 万方数据 结合，通过计算、分析、调整、再计算的过程，完成了北沼河铁矿 2 0 1 3 年三年滚动计划的编制，并应用于生产组织和管理。 全文共有图9 6 幅，表1 6 个，参考文献7 5 篇。 关键词三维可视化；无底柱分段崩落法；采矿设计；生产计划；数 字矿山 分类号T D 8 5 3 Ⅳ 万方数据 A S t u d yo n O p t i m i z a t i o n R e e n g i n e e r i n go fM i n i n gD e s i g nP r o c e s sa n d o fP r o d u c t i o nP l a n n i n gi nB e i m i n g h eI r o nM i n e w i t h3 DV i s u a l i z a t i o nT e c h n o l o g y A b s t r a c t M i n i n gp r o d u c t i o ne f f i c i e n c yi sd e p e n d i n go nt h em o d e m i z a t i o n d e g r e e ．A st h em i n ed i g i t a l i z a t i o ni st h eb a s i sf o rt h em o d e mm i n i n g ， v i s u a lm i n i n gd e s i g na n dp r o d u c t i o np l a n n i n gi nt h et h r e e - d i m e n s i o n a l s p a c eh a sb e c o m et h ei n e v i t a b l et r e n do fd e v e l o p m e n t ．I th a sb e e nn e a r l y t w e n t yy e a r si nt h ea p p l i c a t i o no f3 Dm i n i n gs o f t w a r ei nC h i n a sm i n i n g i n d u s t r y , b u tt h eb a s i ci sf o c u s i n go ne n g i n e e r i n gm o d e l i n g ，o r eb o d y m o d e l i n ga n dr e s e r v ee s t i m a t i o n ，t h ed e s i g na n dp r o d u c t i o np l a n n i n g o p t i m i z a t i o ni n3 De n v i r o n m e n ti ss t i l li ni t si n f a n c y , a n dt h e r eh a sn o n e s u c c e s s f u la p p l i c a t i o nc a s e ． B a s e do nt h i ss i t u a t i o n ，w et a k eB e i m i n g h eI r o nM i n ea se x a m p l e ， w eb u i l dt h e3 Dm o d e la n dr e s o u r c em o d e l ，t h e nw ed e f m et h ed e s i g n p r o c e s so f n o n p i l l a rs u b l e v e lc a v i n gm e t h o dv i s u a l l ya n dp a r a m e t r i c l y , a t l a s t ，w es t u d yt h e a p p l i c a t i o n o f p r o d u c t i o np l a n n i n g s i m u l a t i o n t e c h n o l o g y ．T h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t si n c l u d et h ef o l l o w i n ga s p e c t s 1 W ep r e s e n tt h ek e yt e c h n o l o g yr e l a t e st ov i s u a l i z a t i o nm i n i n g d e s i g n a n d p r o d u c t i o np l a n n i n g ，s u c h a s D e l a u n a yt r i a n g u l a t i o n a l g o r i t h m ，c u t t i n ga l g o r i t h mg e o l o g i c a lb o d y , g e o l o g i c a lb o d yp r o j e c t i o n a l g o r i t h ma n dt h ep r o d u c t i o nt a s ks c h e d u l i n g ，p r o d u c t i o np a t hf i n d i n g a l g o r i t h me t c ．． 2 W eb u i l dt h e3 Dd r i l l i n gd a t a b a s eo fB e i m i n g h eI r o nM i n eu s i n g D I M I N E ，a n dw eb u i l dD T Mm o d e la n dr o a d w a ye n g i n e e r i n g ．W i t I l m o d e l i n gt e c h n o l o g yb a s e do nn o ns t a n d a r ds p a c e 鲥d ，w eb u i l da3 D v i s u a l i z a t i o no r eb o d ym o d e l ，r o c kd i o r i t em o d e l ，l i m e s t o n em o d e l ，f a u l t m o d e la n ds k a r n ．F i n a l l y , w eu s i n gg e o s t a t i s t i c sm e t h o dt ob u i l dt h e g r a d eb l o c km o d e lo ft h i sd e p o s i t ． 3 W er e e n g i n e e rm i n i n gd e s i g np r o c e s so fn o np i l l a rs u b l e v e l c a v i n gm e t h o di n 3 De n v i r o n m e n t ．I np r e p a r a t o r yw o r kd e s i g n i n g ， r e a l i z a t i o no ft h ec e n t r el i n ef a s tr e n d e r i n g ，n a m i n ga n dt h ea d j u s t m e n to f t h es l o p e ，i n t e l l i g e n tc o o r d i n a t ed i m e n s i o n i n ga n da c c u r a t ec a l c u l a t i o n ， N 万方数据 c h e c ka n dc a l c u l a t et h es t a n d a r dm a p p i n g ，i sr e a l i z e d ．T h e nw ed e s i g nt h e m e t h o do fl e v e l - 17 0a n d 一155t og u i d et h ep r o d u c t i o na n dc o n s t r u c t i o n ． I nd e s i g nf o re x t r a c t i o n ，w er e a l i z et h ea u t o m a t i ch o l ed e s i g na n dc h a r g e d e s i g n ，a c c u r a t e c a l c u l a t i o no f i n d i c a t o r s ，d r a w i n gd e s i g n a n d s t a n d a r d i z a t i o no fo u t p u t ，t h e nw ec o m p l e t et h em u l t is t o p ed e s i g ni n B e i m i n g h eI r o nM i n e ． 5 W er e a l i z et h ee f f i c i e n tp l a n n i n gi n3 De n v i r o n m e n tu s i n g s i m u l a t i o nm i n i n gt e c h n o l o g ya n dd a t a b a s et e c h n o l o g y ．O nt h eb a s i so f t h e3 De n t i t ym o d e la n dt h ep r o d u c t i o np a t h ，w et a k et h ea c t u a lm i n i n g m o d e la n dr o a d w a ye n g i n e e r i n gm o d e lf o rt h ea r r a n g e m e n to b j e c t s ． T a k i n gt h em a i np r o d u c t i o ni n d e xi n p u ta n dc u r r e n tp r o d u c t i o ns t a t u sa s t h ec o n s t r a i n tc o n d i t i o n s ，W ec a r ls i m u l a t et h em i n i n gt e c h n o l o g y i n t e r a c t i v e l yi n3 Ds p a c e ，t h e nw ec a nc a l c u l a t e ，a n a l y s i s ，a d j u s t m e n t ． E v e n t u a l l yw ec o m p l e t et h et h r e ey e a rr o l l i n gp l a ni n2 0 13 ，a n da p p l yi t i np r o d u c t i o no r g a n i z a t i o na n dm a n a g e m e n t ． T h e r ea r e9 6f i g u r e s ，16t a b l e sa n d7 5r e f e r e n c e si nt h i sp a p e r ． K e y w o r d s 3 Dv i s u a l i z a t i o n ；n o np i l l a rs u b l e v e lc a v i n g ；m i n i n gd e s i g n ； p r o d u c t i o np l a n ；d i g i t a lm i n e C l a s s i f i c a t i o n T D 8 5 3 V I 万方数据 目录 学位论文原创性声明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．I 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．I I I 目录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．V I I l 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1 研究背景⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．2 研究目的与意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 ．2 ．1 三维可视化采矿设计研究的目的与意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．2 ．2 计划编制优化研究的目的与意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．2 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 1 ．2 ．1 三维可视化采矿设计研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 ．2 ．2 生产计划编制与优化研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 ．3 研究内容与本文技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 1 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 2 基础理论与方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．1 空间实体构模方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 2 ．1 ．1 概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．1 ．2 狄洛尼三角剖分算法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 2 ．2 地下采矿设计三维可视化关键技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 2 ．2 ．1 地质体切割技术和方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 2 2 ．2 ．2 地质体投影图自动生成方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 3 2 - 3 生产计划编制优化关键技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 2 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 6 3 矿山三维模型与资源模型数据仓库建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 7 3 ．1 三维钻孔数据库的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 3 ．1 ．1 钻探数据库原始数据的收集⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 7 3 ．1 ．2 钻探数据导入和数据库生成⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 8 3 ．2 三维坑探数据库的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 3 ．2 ．1 坑探数据库原始数据收集⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。2 0 3 ．2 ．3 坑探数据库的生成和应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 3 1 3 三维实体模型建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 l 3 ．3 ．1 矿体模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 3 ．3 ．2 围岩模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 2 V T T 万方数据 3 ．3 ．3 地面工程模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 4 3 ．3 ．4 井巷工程模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 5 3 ．4 块段模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 3 ．4 ．1 创建空块段模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 3 ．4 ．2 块段模型估值⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。2 7 3 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 4 无底柱分段崩落法可视化采准、回采设计流程再造⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 1 4 ．1 采矿方法及结构参数选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 4 ．1 ．1 采矿方法的选取原则⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 1 4 ．1 ．2 无底柱采矿方法的定义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 1 4 ．1 ．3 结构参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 2 4 ．2 三维可视化采准设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 4 ．2 ．1 采准设计工作流程研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 2 4 。2 ．1 资料准备⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。3 3 4 ．2 ．2 设计及工程出图的研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 4 4 ．2 ．3 经济技术指标的高效精确计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。4 3 4 ．2 ．4 设计说明书⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 4 4 ．2 ．5 经济效益估算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。4 5 4 ．2 ．6 施工图册⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 5 4 ．3 三维可视化回采设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 4 ．3 ．1 回采设计工作流程的研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 5 4 ．3 ．2 资料准备⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 6 4 ．3 ．3 设{ 十⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 7 4 ．3 ．4 矿量计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 5 4 ．3 ．5 一次性输出技术经济指标⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 6 4 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 6 5 基于模拟开采技术的三维可视化计划编制与优化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 7 5 ．1 计划的编制原则⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 7 5 ．2 三维高效计划编制研究的主要内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 7 5 ．3 三维高效生产计划编制数据准备⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 8 5 ．3 ．1 现场调查及开采对象⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 8 5 ．3 ．2 生产计划数据模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 8 5 ．4 生产路径及三维模型导入及参数表设定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 4 5 ．4 ．1 计划工程建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 4 V Ⅲ 万方数据 5 ．4 ．2 数据录入⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 5 5 ．5 生产计划编制方法研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 6 5 ．5 ．1 生产活动衔接处理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 6 5 ．5 ．2 三维运动拓扑网建立方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 7 5 ．5 ．3 计划的执行⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 7 5 ．5 ．4 计划的修改⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 8 5 ．5 ．5 计划编制结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 9 5 ．6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 2 6 结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 3 6 ．1 全文主要结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 3 6 ．2 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 3 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。7 5 攻读学位期间主要的研究成果目录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 9 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 1 I X 万方数据 硕士学位论文 绪论 1 绪论 1 ．1 研究背景 进入新世纪以来，我国倡导全面建成小康社会，走科技含量高、经济效益好、 资源消耗低、环境污染少、人力资源优势充分发挥的新型工业化道路，传统矿业 技术革新适应新形势的发展显得尤其重要。 目前在国内外采矿业中，先进、高效的生产装备大量推广和应用，使企业具 有了“强健的体魄”，但要充分发挥技术装备的效率，就必须使企业具有“智慧的 头脑”，即应用高效的管理矿山资源和技术装备的数字矿山系统，提升企业信息 化管理水平。目前传统的二维设计理念及方法已经不能够满足矿山实际生产的需 要，因此有必要加快对矿山进行数字化和信息化建设，用先进的科技手段进行矿 山的地、测、采和生产计划编制革新，为矿山的现代化建设提供强有力的技术支 撑。 当今科技发展日新月异，特别是计算机技术、传感器技术和三维仿真技术的 发展使矿山的数字化、智能化、信息化具备了基本的条件和工具。矿山生产效率 的高低，一定程度上取决于矿山的现代化程度，矿山数字化又是矿山现代化的基 础，在三维空间中进行可视化设计已经成为发展的必然趋势。 北沼河铁矿隶属于中国五矿邯邢矿业有限公司，是“九五”期间国家批准建设 的唯一一座大型黑色地下冶金矿山[ 1 一，矿床埋藏于北沼河河床下，矿体埋深 2 6 6 - - - 6 7 9 m ，地质储量7 9 0 9 万吨，T F e 品位4 9 ．7 9 ％。北沼河铁矿为资源型企业， 资源是企业发展的基础。由于资源的有限性和不可再生性特点，如何快速评价和 低成本占有资源，如何科学、合理、高效利用资源始终是企业生存和持续发展面 临的重要课题。 围绕这些问题，我国大量学者及工程技术入员一直在不断探索和尝试。近二 十年来，国外以资源管理为核心的矿业软件的大量引进和推广应用，推动了我国 矿山信息化观念的改变和技术进步，同时，国内众多高等院校、科研院所和矿业 企业间的通力合作，产生了一批具有自主知识产权的、功能完善的数字矿山软件 开发和应用平台，使我国矿业企业的信息化管理水平得到了前所未有的发展【3 1 。 地质钻孔数据管理、矿床三维模拟、地表及工程建模、地质储量估算等矿山 对象的可视化是实现矿山向数字化迈进的第一步，完成这些工作需要消耗大量的 时间，然而，不容忽视的是，我国各矿山目前对国内外三维矿业软件的应用多停 留在一阶段，对于矿山数据仓库实现可视化之后的应用，尤其是在地下矿山采矿 设计与生产计划编制当中的应用研究却鲜见有相关研究。 万方数据 硕士学位论文绪论 因此，本文主要围绕三维可视化环境下的地下矿山采矿设计及生产计划编制 优化涉及的关键技术问题，对其理论与算法进行详细阐述；基于D I M I N E 平台， 研究地下采矿方法三维设计流程再造和基于模拟开采的生产计划编制，实现智能 化、参数化采准、回采设计，实现矿山高效动态的计划编制，以改变传统的技术 管理模式，提高矿山的设计精度、工作效率，适应企业的发展及为企业创造更高 的经济效益。 1 ．2 研究目的与意义 1 ．2 ．1 三维可视化采矿设计研究的目的与意义 1 、三维设计的直观、准确、合理性。 传统的采矿设计是在二维环境下进行的，设计人员需要通过对二维平剖面资 料进行解读，将获取的信息在头脑中还原成一种三维立体的空间关系。但是由于 设计人员的技术水平和经验的限制，加上地质条件和矿体形态往往比较复杂，很 难凭借二维资料掌握抽象的地质构造和矿体形态。在这种设计模式下进行设计， 可能会造成工程布置不合理，产生开拓、采准工程浪费的现象；而在三维环境中 进行设计就可规避此类问题，三维环境下进行设计不仅可直观看到矿体的实际形 态，理清空间对应关系，更有助于设计人员准确对工程的合理性进行判断，并准 确快速进行设计。 2 、设计工作高效性 传统的采准设计在矿山设计中是一个较大的系统工程，由于在二维中设计需 要大量的手工绘制和计算，工作量非常大。研究目的在于简化设计和计算过程， 提高了工作效率，使设计周期缩短为原来的1 ／6 。 3 、复杂工作的简化化 例如传统设计方式中坐标点的编号、标注和坐标计算繁琐而复杂，而这些工 作并非高技术含量工作，将这些工作完全交由计算机完成则可以很准确、快捷完 成。 4 、指标表的准确快速生成 在三维环境中，采矿技术人员关心的各项指标如面积、体积、矿量、品位等 可以准确快速地全部自动输出。 1 ．2 ．2 计划编制优化研究的目的与意义 l 、工作的高效性 生产计划的编制对矿山企业的重要性不言而喻，科学合理的采掘计划编制， 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，传统 的计划编制存在着诸如编制周期长、多部门交叉衔接难度大等诸多难题，针对这 2 万方数据 硕士学位论文绪论 些问题，研究三维环境下的采掘计划编制技术就显得极其必要。 2 、计划编制调整的便捷性 在生产计划编制时可以“追加”实现数据的追加和更新，使计划模型可以保持 最新状态；可以在编制完成的基础上，通过输入完成量将计划的初始状态定位为 当前状态，这样就不用再重复定义拓扑关系网就可以进行新计划的编排；长期和 短期计划结合模式来编排计划可以更有效合理制定出矿山生产发展规划。 3 、计划编制结果丰富性、直观性 三维高效生产计划编制完毕后，有多种形象、直观的结果表达形式，如动画、 甘特图、图表等。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。 1 ．2 国内外研究现状 1 ．2 ．1 三维可视化采矿设计研究现状 从上世纪9 0 年代开始，国外出现了以三维矿床模型为代表的商业矿用软件， 涉及到地质资料处理、矿床建模、开采设计等各个方面。其中部分软件如D a t a m i n e 、 V u l c a n 己经实现了真三维集成图形环境【4 - 8 l ，标志真三维环境下的开采设计进入 实用和商业推广阶段。 自1 9 9 9 年首届“国际数字地球”大会上提出“数字矿山” D i g i t a lM i n e 概 念以来，数字矿山科学研究与技术攻关己悄然兴起【9 - 1 1 1 。国内外许多学者在三维 可视化和地质体建模及其应用方面作了很多的研究工作，三维环境下的数字采矿 己成为研究的焦点和热点。根据己有文献的研究方向和内容可分为以下3 类 1 以A u t o C A D 为二次开发平台，利用A u t o C A D 提供的O b j e c t A R ．X 开发 包设计开发采矿设计系统，建立矿体和井巷的三维实体模型【1 2 - 1 4 】。 2 采用V C 和O p e n G L 、V T K 等可视化开发工具包相结合的开发环境， 搭建三维可视化数字采矿平台，具备巷道造型、图形绘制、矿体显示、显示计划 采掘井巷工程量等功能f l s - 1 9 ] 。 3 采用国内外商业软件进行三维实体建模和采矿设计。主要的研究方向 为矿床的三维建模[ 2 0 。2 6 ] ，将矿床三维模型用于采切工程设计和爆破设计[ 2 7 】以及 在开采技术方案研究中的应用等。 自上世纪8 0 年代中期以来，我国在采矿C A D 方面做了大量的研发工作， 取得了一定的成绩，但由于1 9 9 4 年税制改革以及其它各方面的原因【2 8 1 ，使得我 国有成千上万座矿山出现亏损，矿山不愿再为提高信息化技术而努力，使采矿 C A D 的研究出现了停滞不前的局面。直到2 1 世纪初期，经济的发展、科学技术 万方数据 硕士学位论文 绪论 的进步，人们重新认识到信息化技术对提高采矿效率有着巨大的推动作用。由于 信息化技术的飞速发展，三维可视化下的采矿设计出现在人们的面前，由于它的 复杂性，加上我国没有人才和知识的积累，使得许多单位和个人对此望而却步。 纵观我国在三维可视化采矿设计的研究史，存在以下问题 1 国内常用的采矿设计一般是基于C A D 软件的设计，当前C A D 软件大 多是对均匀材质的实体和相对规则的三维实体进行建模，对于矿体这样复杂、多 样的实体，根本无法表达和操作。 2 在信息化应用过程中，过分强调三维可视化采矿设计的目标状态，缺 少着眼未来、分步实施的战略思想，缺乏三维可视化下采矿设计的研究工作。。 3 进行采矿设计的三维可视化平台的选择和满足采矿设计需求的三维建 模理论需要进一步研究。当前可视化平台或基于可供二次开发的二维平台 如 A u t o C A D ，为特定矿山研发，或采用V C 和V r I K 或O p e n G L 开发环境搭建， 处于原型仿真阶段；三维建模理论研究较多，多面向地质应用，较少考虑采矿设 计需求。 4 个别设计单位引进国外采矿软件，进行三维建模和采矿设计，但由于 国外矿山管理体制的不同，加上国外矿业软件的通用性差、费用高、语言障碍等 原因，应用和推广存在一定的难度。 三维可视化环境下的开采设计为采矿生产活动提供了新的思路与方法，随着 数字化矿山技术的高速发展，利用先进的计算机技术进行真三维采矿方法设计已 经成为必然的趋势。 1 ．2 ．2 生产计划编制与优化研究现状 自从2 0 世纪6 0 年代初，人们开始按两种不同的逻辑模式对矿山生产计划计 算机编制系统进行研究工作一是运用优化方法确定矿山生产计划；二是运用模 拟方法确定矿山生产计划。而如今，人们又试图引入人工智能方法，在综合考虑 优化方法和模拟法的基础上来研究矿山生产计划的优化编制问题【2 9 1 。 在2 0 世纪8 0 年代初，人们一般采用传统的运筹学数学规划方法如整数规划 法、线性规划法、非线性规划法、动态规划法和目标规划法等进行生产计划编制。 在这段时期，南非的某些金矿应用线性规划法和模拟技术制定了矿井年度计划和 长期规划；在美国新墨西哥州矿产局和赞比亚的恩昌加铜矿公司曾应用动态规划 法编制了矿井生产作业计划；而俄罗斯的杰兹卡兹甘有色冶金院应用模拟技术法 编制了盘区．房柱式采矿法下的矿井生产计划【3 0 1 。 到了8 0 年代中期，随着计算机科学和运筹学的进一步发展，采用计算机编 制矿山生产计划的研究得到了许多国外矿业软件公司的重视[ 3 H ，交互式技术开 始受到研究人员的青睐，人机对话的算法发展也非常迅速。国外一些著名的矿业 4 万方数据 硕士学位论文 绪论 软件公司相继应用这一技术开发了一些矿井集成软件系统如G e m c o m 公司的 S m p a c 软件[ 3 2 , 3 3 ] ，M a p t e k 公司的V u l c a n 软件等。 在采用交互式技术编制矿井生产计划时，综合应用结构化模型的交互式模型 也逐渐成为人们研究的热门课题。葡萄牙的M U G E 和德国的F U W I L K E 等入， 在这方面做了许多研究工作；欧共体也正在实施一项采用模拟技术进行矿井开采 可行性研究的计划，开发了O P M I N E 模拟软件包，该软件采用交互式模型确定 开采顺序，用模拟模型完成了其余的编制计划内容[ 3 4 ’3 5 】 而到了8