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三维数字化技术在矿山工程设计中的应用

2021-07-23李彦荣

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本文列举了国内某矿山的例子,介绍了三维数字化技术在矿山工程设计中的应用,并将其与二维建模软件的效果进行了对比,结果表明了三维数字化矿山工程设计可以大幅提高矿山设计的速度和效率,有助于实现矿山的可视化和信息化。
前言

       随着新时代物联网技术和计算机技术的快速渗透,现如今所谓的“数字化矿山”逐渐成为较为主流的新时代矿山技术,通过借助现代计算机技术、物联网技术对矿山设计和开发进行科学的预测和规划较为常见。数字化矿山设计无疑是我国当代矿山发展的必然趋势,利用三维数字化技术进行矿山设计,构建全方位的矿山三维实体模型,是建设数字化矿山的基础,是最基本的可视化平台。

一、三维数字化技术在矿山工程设计过程中的优势

       采用计算机辅助软件进行矿山三维数字化设计,具有清晰地展示矿场地表构造特征的优势,在开拓运输系统、设计通风系统和回采工艺等过程中都可以提供充分的设计特征,相关项目已经在国内外的矿山企业和各类研究院得到了广泛的应用。相对传统的二维设计软件,三维软件能够实现设计直观化、形象化的矿山工程设计,而二维图纸的信息表达往往不够充分,清晰地理解工程意图往往需要依赖专业技术人员。除此之外,三维数字化技术应用在矿山工程设计中,有利于直观的发现工程错误,并进行提前修正,从而避免传统的二维设计对于数据传递的制约,效率较为低下。通常来说,设计人员只能依靠想象来进行矿室结构的空间关系设计,然而由于经验不足,很容易导致设计出现问题。

       例如,对于传统的泵站施工图,利用二维设计软件往往需要绘制水平投影、多位置剖面图,当然尽管这样也不能够充分的表达设计信息。特别是对于某些矿上结构较为复杂的硐室,对于水平投影的叠加关系往往会复合在一起,难以分辨真正的设计要素。而如果采用三维数字化技术来实现矿山工程的设计,那么就可以基于三维的实体模型来形象地反映设计的对象。在设计完成之后,很容易实现对于任意方向的剖视图截取,从而便于对信息的提取和图像的指导。例如,如果在设计中增加吊梁,二维图纸的剖面图就无法准确的检查梁位置。而三维数字化技术就可以进行360°的全方位观察,从而避免类似于一端悬空之类的问题。此类问题在二维图纸检查的过程中很难被发现,而在现场施工的时候才发现就比较晚,经常需要经现场施工后才发现。目前,三维数字化技术在矿山工程的应用主要侧重于地质方面,对于矿产资源储量的计算较为擅长,而对于采矿设备和采矿流程的设计尚停留在较为基础的阶段。要想全面实现矿山设计的数字化和信息化,那么就要提高对于基础数据、工程数据的获取能力。这些就对工程师在设计阶段提出了更高的要求。

二、在矿山设计工程中应用三维数字化技术的具体策略

       (一)明确矿山结构与基本构成

       为了阐述三维数字化技术在矿山工程设计的应用,本文举了某矿山井下充填泵站硐室的三维设计的例子,从而探讨矿山工程中引入三维数字化的设计的方法。本文中的矿山企业采用了充填采矿法进行开采。考虑到矿区的范围较大,充填料输送的距离很远,因此设计方案使用两级的泵站进行接力输送。井下充填泵站硐室在设计方案中处于1000米左右中段的一侧巷道内,首先要明确矿山结构和基本构成,在本案例中,硐室结构有两个水平,分别是搅拌装置,和充填泵硐室。其次,也要明确出口段设置,本例中预先设置了3个出口。当然,要依据矿山的总体设计结构、充填工艺来明确硐室位置。要做到这一点,就要依据硐室控制点的三维坐标来确定硐室的控制点、中心线位置,从而为后续的三维数字化设计工作的顺利进行奠定较为坚实的基础。

       (二)明确全息模型与具体参数

       进行三维数字化矿山工程设计的第二大要点就是要明确全息模型的关键参数,这根据设计项目的不同而存在不同的设计步骤。在本案例分析中,设计前依据硐室内设备的具体要求,对充填硐室的物理参数进行明确。例如,在这一过程中,要充分考虑各项设备的尺寸大小、离墙间距等实际要求,最大化利用硐室内部的空间,从而进行具体的设计计算与空间建模分析,进而进行具体的尺寸参数确定。当然,在实际操作的过程中还需要考虑硐室中心线对于硐室内各项参数的影响,根据设定好的各项物理参数来确定最终的三维硐室全息模型,从而达到对于矿室内部构造的最优布置。

       (三)保障联络通道的合理性

       在硐室三维模型的设计完成之后,还要基于对实际情况的综合分析来保障联络通道的合理性,要提高设计硐室联络巷道的重视程度。因为联络巷道不仅是工作人员工作过程中出入硐室的重要路径,同时也是物资进入硐室的重要通道。考虑到实际设计过程中,联络巷道的断面和硐室的参数存在细微的差别,因此,可以设计过度段来确保断面设计的合理性。当然,在现场施工时也要重视过渡段的合理性,确保各类大型的设备可以顺利进入。例如,在硐室中应当布置至少一条可以通过大件的通道,并与其他巷道和硐室完全连接。

       (四)依据设备安装需求进行设计校验

       在通过三维数字化技术对设备预埋进行设计后,要考虑依据设备安装的需求进行校验。在设计好硐室关键参数、相应的联络巷道后,需要对硐室内的设备安装点、预埋进行设计和校验工作。在设计的过程中,要充分参考设备的基础位置,并考虑其设备的具体工作方式来完成相应的设计工作。在这一步骤的设计过程中,要根据设备相应的安装要求来布置设备基础结构,并在硐室的指定位置进行预埋的结构设计。在完成上述的硐室内各项设备的一系列设计之后,设计方应该基于设备在硐室三维坐标的具体位置来把设备的三维模型合理的导入到硐室这个大模型中,从而完成最后的三维全息设计。只有完成硐室内部的相关设施设计,才可以依照坐标位置把相关设备的三维模型进行导入,就形成了一次完整、快速高效的三维数字化技术的矿山工程设计应用。在三维模型设计过程中一定要注意这个顺序,否则就会对影响整个设计的准确度。

三、总结

       通过在矿山工程设计的过程中引入三维数字化技术,可以在设计的前期提高设计效率,能够更加合理的完成矿山工程设计。本文列举了某矿山充填硐室的设计过程,通过对设计过程的分析,可以发现把三维数字化技术与矿山工程设计进行结合,不仅能够提高矿山工程设计的合理性、先进性,还能够发现一些传统设计方法无法发现的设计缺陷,从而节省后期建设成本,大幅提高设计效率和建设速度,从而促进我国矿山工程设计领域的稳步发展。
责任编辑:程玥
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