摘要：針對大寶山露天多金屬礦山礦脈復雜、采空區(qū)分布多和配礦要求高等特點，宏大爆破有限公司以大寶山項目部為試點單位，進行了適用于礦山施工企業(yè)的數(shù)字化礦山建設(shè)。以無人機航測、DIMINE軟件和卡車調(diào)度系統(tǒng)為技術(shù)支撐，從露天礦山數(shù)據(jù)獲取、加工處理和數(shù)據(jù)應用等方面構(gòu)建了數(shù)字化礦山建設(shè)框架。

　　構(gòu)建流程如下：首先采用無人機航測技術(shù)獲取了礦區(qū)范圍內(nèi)詳細地形地貌信息和三維模型，清楚地了解了礦山生產(chǎn)現(xiàn)狀與危險源分布情況;然后利用DIMINE軟件進行生產(chǎn)計劃制定、日常技術(shù)交底、工程量結(jié)算和爆破自動化設(shè)計等數(shù)字化工作，實現(xiàn)了礦山三維化生產(chǎn)規(guī)劃設(shè)計，保證了資源開采利用的科學性，降低了礦石貧化與損失;同時利用卡車調(diào)度系統(tǒng)，進行分采分運與實時調(diào)度管理，確保了配礦指令的有效執(zhí)行。實踐表明：相比傳統(tǒng)礦山施工企業(yè)，宏大爆破有限公司的數(shù)字化礦山試點工作從開采規(guī)劃設(shè)計、施工調(diào)度和現(xiàn)場監(jiān)管等方面實現(xiàn)了礦山一體化設(shè)計與集成化服務，顯著提升了露天礦山采剝精細化施工及管理水平。

　　關(guān)鍵詞：礦山施工企業(yè);數(shù)字化礦山;無人機航測技術(shù);DIMINE軟件;卡車調(diào)度系統(tǒng);精細化施工

　　傳統(tǒng)露天礦山的資源開采及施工管理工作是以CAD二維圖形為基礎(chǔ)，進行礦山的中長期和短期規(guī)劃，需要大量的管理人員進行現(xiàn)場監(jiān)管。然而，礦山數(shù)據(jù)量非常大，而二維圖可視化程度低、數(shù)據(jù)更新速度慢、安全隱患多，且信息的有效傳達存在一定的缺陷，不利于露天礦山的高效動態(tài)管控。隨著數(shù)字化礦山的發(fā)展，這一難題正逐漸被解決。數(shù)據(jù)是礦山開采與風險管控的基礎(chǔ)，露天礦山的數(shù)字化建設(shè)主要包括礦山信息的獲取、存儲及有效處理，并將其應用于金屬礦山和煤炭礦山的全生命周期中[1-4]。

　　利用數(shù)字化手段得到的礦山數(shù)據(jù)含有三維坐標，定位準確性高且管控方便，有助于實現(xiàn)礦山生產(chǎn)管理的便捷性和安全性。通過礦山數(shù)據(jù)的坐標對應關(guān)系，構(gòu)建信息間的相互聯(lián)系，可達到礦山建設(shè)的數(shù)字化、三維可視化，進而優(yōu)化安全生產(chǎn)管理，實現(xiàn)資源的高效可持續(xù)開采。

　　數(shù)字化礦山平臺實現(xiàn)了虛擬化操作[5]，將數(shù)據(jù)高效處理后，再與實際開采相匹配，可達到虛擬與現(xiàn)場的有效結(jié)合。由此可知，數(shù)字化技術(shù)的快速發(fā)展及其在金屬礦山領(lǐng)域的推廣應用，徹底改變了礦山企業(yè)的生產(chǎn)管理模式，顯著提高了生產(chǎn)效率[6]，對于礦山資源管控與生產(chǎn)優(yōu)化意義重大。礦業(yè)公司是數(shù)字化礦山建設(shè)的主體單位，許多礦業(yè)公司通過投入大量的人力物力構(gòu)建數(shù)字化平臺，顯著提高了礦山生產(chǎn)與管理的整體水平[7-9]。

　　礦山施工型企業(yè)主要為礦山提供礦業(yè)服務，其在數(shù)字化礦山建設(shè)中也起著重要的促進作用，但目前相關(guān)研究較少。本文以宏大爆破有限公司在大寶山項目部所開展的數(shù)字化工作為例，分析礦山施工企業(yè)在數(shù)字化建設(shè)中的重要作用。

　　1露天礦山施工企業(yè)的角色演變

　　礦山施工企業(yè)的角色定位是為礦山提供礦業(yè)服務，其最初的管理模式較單一，一般只提供施工服務，如爆破或挖運服務等[10];后來出現(xiàn)了礦山施工總承包[11]，施工企業(yè)的礦業(yè)服務逐漸向礦業(yè)一體化集成服務方向發(fā)展，可提供爆破、挖運和管理等多方位的礦業(yè)服務。礦業(yè)一體化集成服務是礦山施工企業(yè)發(fā)展的重大變革，有助于提供更優(yōu)質(zhì)的礦業(yè)服務[12]。

　　盡管礦山施工企業(yè)的服務更加多元化，但均以盡早開采礦石資源為核心，在一定程度上忽視了生產(chǎn)計劃的有序推進和潛在的安全隱患，對礦山的高效可持續(xù)開采影響較大。隨著信息化科學技術(shù)的不斷進步，數(shù)字化礦山建設(shè)已成為礦業(yè)發(fā)展的必然趨勢[13]。

　　作為礦山施工企業(yè)，想要立足于現(xiàn)今的礦業(yè)大環(huán)境下，必須積極參與建設(shè)數(shù)字化礦山。礦山施工企業(yè)的礦業(yè)服務需要充分考慮實用性并控制投資成本，由傳統(tǒng)的粗獷式施工向精細化施工與管理方向發(fā)展，在礦山資源開采與生產(chǎn)管理方面不斷革新并完善工藝流程，提高企業(yè)的核心競爭力，實現(xiàn)技術(shù)與管理的雙向發(fā)展。同時，培養(yǎng)一批懂操作、懂現(xiàn)場的數(shù)字化礦山建設(shè)綜合性人才，為企業(yè)的長久發(fā)展注入新鮮血液和活力。

　　2數(shù)字化礦山建設(shè)整體架構(gòu)設(shè)計

　　為了提高礦山精細化施工及生產(chǎn)管理水平，宏大爆破有限公司以大寶山項目部為試點，進行了數(shù)字化礦山建設(shè)。大寶山露天礦為典型的多金屬礦山，礦脈賦存條件復雜，礦區(qū)占地面積大，富含銅、硫、鉛鋅等多種礦石，目前主采銅硫礦，建成了生產(chǎn)規(guī)模達330萬噸/年的銅硫選廠。大寶山多金屬礦為地采轉(zhuǎn)露采礦山，存在較多的采空區(qū)，安全隱患較大;同時礦區(qū)所在地區(qū)上半年基本為雨季，故生產(chǎn)任務主要安排在下半年，導致配礦任務繁重，剝離工作量較大。因此，需要進行生產(chǎn)計劃的優(yōu)化設(shè)計，提高安全監(jiān)管水平，確保配礦工作及精細化施工管理的有序進行。

　　宏大爆破有限公司根據(jù)大寶山項目建設(shè)需求和礦山特點，構(gòu)建了相應的數(shù)字化礦山框架，著重于解決礦石資源損失嚴重與安全監(jiān)管難度大的問題。首先通過無人機航測技術(shù)快速獲取礦山地形地貌數(shù)據(jù)，構(gòu)建露天礦三維數(shù)字環(huán)境，在此基礎(chǔ)上進行數(shù)據(jù)加工;然后采用DIMINE軟件制定生產(chǎn)計劃及分部工作，實現(xiàn)生產(chǎn)計劃的不斷優(yōu)化，進而指導礦山實際開采工作;最后利用卡車調(diào)度系統(tǒng)實現(xiàn)礦石資源的合理分配，以期達到實時調(diào)度、指揮現(xiàn)場裝運及安全管控的目的。

　　3大寶山項目部數(shù)字化礦山建設(shè)實踐

　　3.1露天礦山三維環(huán)境的生成

　　露天礦山三維環(huán)境的生成是數(shù)字化建設(shè)的基礎(chǔ)，故需快速準確地獲取并及時更新礦山三維地形地貌信息，從而提高生產(chǎn)效率和安全監(jiān)管水平。大寶山露天礦山占地面積大，傳統(tǒng)的RTK、全站儀等難以快速測量礦山地形地貌信息，導致生產(chǎn)現(xiàn)狀更新較慢，一定程度上制約了生產(chǎn)的高效執(zhí)行。

　　無人機航測技術(shù)可以較好地解決這一難題，其具有簡單易行、三維可視化效果好及精度高等優(yōu)勢，可在較短時間內(nèi)獲取到礦山全貌，包括開采臺階現(xiàn)狀、排土場信息、堆料場、道路布局和礦區(qū)復綠情況等信息，能夠應用于露天礦山全生命周期中[14-15]。大寶山露天礦山三維環(huán)境的生成是通過無人機航測外業(yè)作業(yè)和數(shù)據(jù)內(nèi)業(yè)處理共同完成的。

　　(1)無人機航測的外業(yè)作業(yè)。

　　目前，大寶山露天礦最高臺階高為1013m，最低臺階面高為637m，高差較大。考慮到高程落差的影響，兼顧無人機像控點空間布置需滿足3km2布置5個點的要求，現(xiàn)場共布置了12個十字形的像控點，采用RTK對像控點坐標連續(xù)測量10次，取平均值用于后期精度校核。為了有效測量采場、排土場、堆料場、周圍建構(gòu)筑物及礦山復綠范圍，共布置了3個架次的飛行計劃，局部航線需要重疊以保證航測精度。無人機外業(yè)檢查完畢后，進入航測飛行階段，使用地面站軟件實時監(jiān)控飛行狀態(tài)，確保航測作業(yè)按飛行計劃正常進行。航測結(jié)束后，及時回收3個架次的航測數(shù)據(jù)，包括POS數(shù)據(jù)、基站數(shù)據(jù)和航拍照片等。

　　(2)航測數(shù)據(jù)的內(nèi)業(yè)加工處理。

　　將回收的航測數(shù)據(jù)按照無人機處理軟件的要求，采用PPS軟件進行一鍵式解算，再將解算后的數(shù)據(jù)和航測的高像素照片等信息按照格式要求輸入到Pix4D軟件中，則可快速生成航測成果圖，包括正射影像、三維數(shù)字表面模型和二維地形圖。為了驗證航測的實際誤差，將特定的航測模型的坐標點與實際位置進行比對，發(fā)現(xiàn)誤差在合理范圍之內(nèi)，滿足1∶1000比例尺的要求。生成的三維模型較好地反映了礦山的開采現(xiàn)狀及復綠情況，能夠有效指導生產(chǎn)計劃的科學化制定及安全施工。

　　3.2采剝施工的數(shù)字化設(shè)計

　　將無人機生成的二維地形圖作為DIMINE軟件操作的基礎(chǔ)，可快速生成礦山開采現(xiàn)狀的三維模型[16]，三維可視化效果好;在進行道路規(guī)劃設(shè)計、礦石開采規(guī)劃設(shè)計、配礦規(guī)劃和爆破設(shè)計等方面優(yōu)勢明顯，可較好地應用于露天礦山全生命周期中。針對大寶山項目的情況，主要應用在礦山采剝施工的3個方面。

　　(1)生產(chǎn)計劃制定。相比于傳統(tǒng)的二維地形圖，DIMINE軟件能夠幫助技術(shù)人員對管理人員進行技術(shù)交底，當管理人員向現(xiàn)場調(diào)度人員安排生產(chǎn)計劃時，更易區(qū)分和安排生產(chǎn)任務的主次，以及重難點區(qū)域的開采規(guī)劃等，進而根據(jù)生產(chǎn)能力及運距合理安排車鏟比，從而顯著提高生產(chǎn)效率，減少窩工現(xiàn)象。

　　利用DIMINE軟件的道路設(shè)計規(guī)劃功能，快速計算得到設(shè)計道路區(qū)域的填方和挖方工程量，清晰顯示道路的總體工程量，然后將道路區(qū)域劃分為難施工和易施工區(qū)域，進而安排機組實施道路修筑工作，并根據(jù)生產(chǎn)需要確定是否進行分段作業(yè)。同時，將DIMINE軟件應用在礦石工程量結(jié)算時，方量誤差在合理范圍內(nèi)，相比CASS軟件的三角網(wǎng)算法，DIMINE軟件極大地降低了計算量，減少了測量技術(shù)人員的勞動強度，使工作效率明顯提升。

　　(2)采空區(qū)強制爆破數(shù)字化處理。在爆破設(shè)計方面，傳統(tǒng)的人工制定法耗時長、勞動強度高且效率較低，利用DIMINE軟件中的露天礦山爆破功能，能夠提高爆破設(shè)計效率和質(zhì)量[17]。以大寶山露天礦661采空區(qū)爆破為例，首先利用鉆孔式三維激光掃描儀獲取空區(qū)的點云數(shù)據(jù)，然后將其輸入到DIMINE軟件中，生成了空區(qū)的實體模型，再進行爆破設(shè)計。

　　將炮孔測量數(shù)據(jù)直接導入爆破設(shè)計模塊中，根據(jù)實際需要，在空區(qū)的投影范圍內(nèi)進行自動化布孔，布孔類型有正常孔、切割孔和加密孔，孔網(wǎng)參數(shù)為4.0m×4.5m。然后進行裝藥量、填塞長度、裝藥結(jié)構(gòu)、起爆時間和起爆順序等優(yōu)化，最終自動生成爆破設(shè)計方案，并應用于現(xiàn)場。空區(qū)處理后，形成了一個明顯的礦坑，采用RTK人工測點對照發(fā)現(xiàn)空區(qū)得到了較好的處理，再采用廢石充填，有效消除了空區(qū)的安全隱患。

　　(3)精細化施工設(shè)計。

　　根據(jù)礦山勘察資料確定了礦脈的分布情況，在DIMINE軟件中圈定計劃施工的爆破區(qū)域，快速計算框選區(qū)域的工程量。采用巖脈剔除爆破技術(shù)、大塊采礦法等可實現(xiàn)礦巖的有效分離，對于降低礦石的損失與貧化，以及精細化施工十分有利，可顯著地改善礦石損失嚴重及礦巖混合情況復雜的現(xiàn)象[18]。此外，由于現(xiàn)場情況較為復雜，管理人員往往難以及時全面檢查平臺標準化建設(shè)工作，此時可在軟件中進行平臺標準化檢查工作，通過檢查模型的不平整地帶，制定平臺標準化方案。

　　3.3卡車調(diào)度系統(tǒng)的應用

　　為了有效監(jiān)管礦山的生產(chǎn)運營情況，引進了卡車調(diào)度系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于計算機及數(shù)據(jù)庫技術(shù)，可實現(xiàn)礦山的實時調(diào)度指揮，可在很大程度上降低現(xiàn)場管理人員的勞動強度[19]。將無人機航測得到的礦山二維地形圖經(jīng)過精度校驗后作為底圖，在分爆分采區(qū)域采用RTK人工放點確定礦巖分界線后，向作業(yè)車輛下達配礦裝運指令，由挖機和卡車進行分采分運，將銅硫礦石運往645堆場，鉛鋅礦運往指定堆場，土渣運往較近的排土場傾倒。

　　根據(jù)礦山運輸?shù)缆返姆植记闆r和卡車運輸情況不斷優(yōu)化運輸路線，得到最優(yōu)路線[20]。若卡車偏離路線，則會報警，提醒司機按照既定線路運輸，實現(xiàn)統(tǒng)籌化管理。對卡車裝運的礦巖及土渣稱重后，將工程量實時反饋到指揮系統(tǒng)中[21]，實現(xiàn)了實時計量，對于工程量結(jié)算及安排車輛配置十分有利。引入卡車調(diào)度系統(tǒng)后，礦山生產(chǎn)工作實現(xiàn)了綜合化管控，降低了現(xiàn)場管理人員往復指揮的頻率和勞動強度，通過一鍵式發(fā)送指令及生產(chǎn)調(diào)度中心的及時溝通，顯著提高了現(xiàn)場精細化管理水平和安全監(jiān)管能力，生產(chǎn)計劃得以快速有序完成。

　　4大寶山項目部數(shù)字礦山建設(shè)的應用前景及結(jié)論

　　4.1應用前景

　　(1)無人機航測技術(shù)與DIMINE軟件聯(lián)合應用于大寶山露天礦山全生命周期中，從而實現(xiàn)地形地貌勘察與及時更新、中長期及短期計劃制定、爆破設(shè)計一體化、生產(chǎn)指揮調(diào)度和專家遠程診斷等工作。聯(lián)合無人機航測技術(shù)與卡車調(diào)度系統(tǒng)，進行礦山生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)的構(gòu)建，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的及時更新、危險源管控、精細化施工及生產(chǎn)實時計量，大范圍與小范圍的聯(lián)合監(jiān)管，有助于實現(xiàn)礦山的綜合管控。

　　(2)實現(xiàn)無人機航測技術(shù)、DIMINE軟件與卡車調(diào)度系統(tǒng)數(shù)據(jù)的兼容，將龐大的數(shù)據(jù)量進行分類統(tǒng)籌管理，實時管控礦山生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)，減少安全隱患，從而確保礦山生產(chǎn)規(guī)劃設(shè)計及實施的有序進行。

　　4.2結(jié)論

　　(1)宏大爆破有限公司作為礦山施工企業(yè)，以大寶山項目為試點，從采剝施工的數(shù)字化設(shè)計、卡車調(diào)度系統(tǒng)的統(tǒng)籌精細化監(jiān)管等方面，構(gòu)建了實用性好且投資成本較低的數(shù)字化礦山建設(shè)框架。

　　(2)采用無人機航測技術(shù)構(gòu)建了大寶山露天礦的真實三維模型，清楚地了解了礦山的開采現(xiàn)狀與危險源分布情況;在此基礎(chǔ)上，利用DIMINE軟件進行了生產(chǎn)計劃制定、工程量結(jié)算和爆破自動化設(shè)計，有助于實現(xiàn)科學化開采，顯著提高了工作效率;最后利用卡車調(diào)度系統(tǒng)實時指揮生產(chǎn)管理工作，有效指導分采分運和安全監(jiān)管工作，確保配礦指令的高效執(zhí)行。多種礦山軟件相互配合，實現(xiàn)了礦山虛擬化操作與實際生產(chǎn)管理的有效統(tǒng)一，顯著提升了精細化施工及管理水平。

　　(3)宏大爆破有限公司的數(shù)字化建設(shè)從實用性和技術(shù)管理2個方面出發(fā)，投資成本相對較低，革新了現(xiàn)有的施工管理模式，能夠提供更優(yōu)質(zhì)的礦山服務，同時對其他礦山施工企業(yè)建設(shè)數(shù)字化礦山具有一定的參考價值。

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