露天矿山采剥施工的数字化精细管理实践

doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2019.04.621

露天矿山采剥施工的数字化精细管理实践

张兵兵^,¹, 喻鸿², 张中雷³, 李战军¹, 崔晓荣^,¹

1. 宏大爆破有限公司，广东广州 510623

2. 广东省大宝山矿业有限公司，广东韶关 512000

3. 大昌建设集团有限公司，浙江舟山 316021

Digital and Fine Management Practice of Open-pit Mining and Stripping Construction

ZHANG Bingbing^,¹, YU Hong², ZHANG Zhonglei³, LI Zhanjun¹, CUI Xiaorong^,¹

1. Hongda Blasting Co. ，Ltd. ，Guangzhou 510623，Guangdong，China

2. Guangdong Province Dabaoshan Mining Co. ，Ltd. ，Shaoguan 512000，Guangdong，China

3. Darch Construction Group Co. ，Ltd. ，Zhoushan 316021，Zhejiang，China

通讯作者: 崔晓荣（1980-），男，江苏东台人，博士，教授级高工，从事现代爆炸技术与企业信息化研究工作。smile66_cui@163.com

收稿日期: 2019-06-21 修回日期: 2019-07-18 网络出版日期: 2019-08-08

基金资助:

广东省科技计划产学研重点项目“广东省广东宏大爆破股份有限公司矿山民爆一体化院士工作站”. 2013B090400026

Received: 2019-06-21 Revised: 2019-07-18 Online: 2019-08-08

作者简介 About authors

张兵兵（1991-），男，安徽蚌埠人，工程师，从事露天采矿设计工作15252017425@163.com , E-mail：15252017425@163.com

摘要

针对大宝山露天多金属矿山矿脉复杂、采空区分布多和配矿要求高等特点，宏大爆破有限公司以大宝山项目部为试点单位，进行了适用于矿山施工企业的数字化矿山建设。以无人机航测、DIMINE软件和卡车调度系统为技术支撑，从露天矿山数据获取、加工处理和数据应用等方面构建了数字化矿山建设框架。构建流程如下：首先采用无人机航测技术获取了矿区范围内详细地形地貌信息和三维模型，清楚地了解了矿山生产现状与危险源分布情况；然后利用DIMINE软件进行生产计划制定、日常技术交底、工程量结算和爆破自动化设计等数字化工作，实现了矿山三维化生产规划设计，保证了资源开采利用的科学性，降低了矿石贫化与损失；同时利用卡车调度系统，进行分采分运与实时调度管理，确保了配矿指令的有效执行。实践表明：相比传统矿山施工企业，宏大爆破有限公司的数字化矿山试点工作从开采规划设计、施工调度和现场监管等方面实现了矿山一体化设计与集成化服务，显著提升了露天矿山采剥精细化施工及管理水平。

关键词： 矿山施工企业 ; 数字化矿山 ; 无人机航测技术 ; DIMINE软件 ; 卡车调度系统 ; 精细化施工

Abstract

Dabaoshan polymetallic mine has a complex environment and high requirements for ore blending.Underground mining was used early.In the later stage，in order to improve mining efficiency and reduce safety hazards，open-pit mining was used.However，this led to the legacy of more untreated mined areas,and bring a big challenge to production work.Hongda Blasting Co.，Ltd. takes the Dabaoshan Project Department as its pilot unit and fully considers its role as a mine construction enterprise in the construction of digital mines.From the perspective of practicability and investment costs，digital mines suitable for mining construction enterprises was conducted.Based on the application of various advanced mining software，adhered to the actual needs of mine construction，the UAV aerial survey，DIMINE software and truck dispatching system were used as technical support，from the data acquisition，processing and application of open-pit mine,a digital mine construction framework that could be applied in various construction management stages was constructed.Firstly，the detailed terrain and 3D models of topography were obtained by the UAV aerial survey technology.The production status and the distribution of hazard sources were clearly understood，and the macroscopic survey of open-pit mine was realized.Then DIMINE software was used in the whole life cycle of open-pit mine for production planning，daily technical submission，engineering quantity settlement and blasting automation design，which realized the three-dimensional production planning and design of mines，ensuring the scientific exploitation of resources and reduced the depletion and loss of ore.At the same time，the truck dispatching system was used to carry out the mining and real-time dispatching management，which ensured the orderly mining construction and the effective execution of the mining instructions，so as to avoid the enforced idleness due to poor organization of work.The combination of UAV aerial survey，DIMINE software and truck dispatching system has realized the organic unification of mine status investigation，safety hazard identification，production planning and design，scientific mining，real-time supervision，etc.，ensuring safe production of the Dabaoshan open-pit mine.Practice showed that compared with traditional mine construction enterprises，Hongda’s digital mine pilot work has better realized mine integrated design and integration services in mining planning and design，construction and dispatching，and on-site supervision，which has significantly improved the refined construction the management level，it could provide a certain reference for the construction of digital mines in mining construction enterprises.

Keywords： mining construction enterprise ; digital mine ; UAV aerial survey technology ; DIMINE software ; truck dispatching system ; fine construction

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本文引用格式

张兵兵, 喻鸿, 张中雷, 李战军, 崔晓荣. 露天矿山采剥施工的数字化精细管理实践[J]. 黄金科学技术, 2019, 27(4): 621-628 doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2019.04.621

ZHANG Bingbing, YU Hong, ZHANG Zhonglei, LI Zhanjun, CUI Xiaorong. Digital and Fine Management Practice of Open-pit Mining and Stripping Construction[J]. Gold Science and Technology, 2019, 27(4): 621-628 doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2019.04.621

传统露天矿山的资源开采及施工管理工作是以CAD二维图形为基础，进行矿山的中长期和短期规划，需要大量的管理人员进行现场监管。然而，矿山数据量非常大，而二维图可视化程度低、数据更新速度慢、安全隐患多，且信息的有效传达存在一定的缺陷，不利于露天矿山的高效动态管控。随着数字化矿山的发展，这一难题正逐渐被解决。数据是矿山开采与风险管控的基础，露天矿山的数字化建设主要包括矿山信息的获取、存储及有效处理，并将其应用于金属矿山和煤炭矿山的全生命周期中^[1,2,3,4]。利用数字化手段得到的矿山数据含有三维坐标，定位准确性高且管控方便，有助于实现矿山生产管理的便捷性和安全性。通过矿山数据的坐标对应关系，构建信息间的相互联系，可达到矿山建设的数字化、三维可视化，进而优化安全生产管理，实现资源的高效可持续开采。数字化矿山平台实现了虚拟化操作^[5]，将数据高效处理后，再与实际开采相匹配，可达到虚拟与现场的有效结合。由此可知，数字化技术的快速发展及其在金属矿山领域的推广应用，彻底改变了矿山企业的生产管理模式，显著提高了生产效率^[6]，对于矿山资源管控与生产优化意义重大。

矿业公司是数字化矿山建设的主体单位，许多矿业公司通过投入大量的人力物力构建数字化平台，显著提高了矿山生产与管理的整体水平^[7,8,9]。矿山施工型企业主要为矿山提供矿业服务，其在数字化矿山建设中也起着重要的促进作用，但目前相关研究较少。本文以宏大爆破有限公司在大宝山项目部所开展的数字化工作为例，分析矿山施工企业在数字化建设中的重要作用。

1 露天矿山施工企业的角色演变

矿山施工企业的角色定位是为矿山提供矿业服务，其最初的管理模式较单一，一般只提供施工服务，如爆破或挖运服务等^[10]；后来出现了矿山施工总承包^[11]，施工企业的矿业服务逐渐向矿业一体化集成服务方向发展，可提供爆破、挖运和管理等多方位的矿业服务。矿业一体化集成服务是矿山施工企业发展的重大变革，有助于提供更优质的矿业服务^[12]。尽管矿山施工企业的服务更加多元化，但均以尽早开采矿石资源为核心，在一定程度上忽视了生产计划的有序推进和潜在的安全隐患，对矿山的高效可持续开采影响较大。

随着信息化科学技术的不断进步，数字化矿山建设已成为矿业发展的必然趋势^[13]。作为矿山施工企业，想要立足于现今的矿业大环境下，必须积极参与建设数字化矿山。矿山施工企业的矿业服务需要充分考虑实用性并控制投资成本，由传统的粗犷式施工向精细化施工与管理方向发展，在矿山资源开采与生产管理方面不断革新并完善工艺流程，提高企业的核心竞争力，实现技术与管理的双向发展。同时，培养一批懂操作、懂现场的数字化矿山建设综合性人才，为企业的长久发展注入新鲜血液和活力。

2 数字化矿山建设整体架构设计

为了提高矿山精细化施工及生产管理水平，宏大爆破有限公司以大宝山项目部为试点，进行了数字化矿山建设。大宝山露天矿为典型的多金属矿山，矿脉赋存条件复杂，矿区占地面积大，富含铜、硫、铅锌等多种矿石，目前主采铜硫矿，建成了生产规模达330万吨/年的铜硫选厂。大宝山多金属矿为地采转露采矿山，存在较多的采空区，安全隐患较大；同时矿区所在地区上半年基本为雨季，故生产任务主要安排在下半年，导致配矿任务繁重，剥离工作量较大。因此，需要进行生产计划的优化设计，提高安全监管水平，确保配矿工作及精细化施工管理的有序进行。

宏大爆破有限公司根据大宝山项目建设需求和矿山特点，构建了相应的数字化矿山框架（图1），着重于解决矿石资源损失严重与安全监管难度大的问题。首先通过无人机航测技术快速获取矿山地形地貌数据，构建露天矿三维数字环境，在此基础上进行数据加工；然后采用DIMINE软件制定生产计划及分部工作，实现生产计划的不断优化，进而指导矿山实际开采工作；最后利用卡车调度系统实现矿石资源的合理分配，以期达到实时调度、指挥现场装运及安全管控的目的。

图1

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图1 数字化矿山建设框架

Fig.1 Construction framework of digital mining

3 大宝山项目部数字化矿山建设实践

3.1 露天矿山三维环境的生成

露天矿山三维环境的生成是数字化建设的基础，故需快速准确地获取并及时更新矿山三维地形地貌信息，从而提高生产效率和安全监管水平。大宝山露天矿山占地面积大，传统的RTK、全站仪等难以快速测量矿山地形地貌信息，导致生产现状更新较慢，一定程度上制约了生产的高效执行。无人机航测技术可以较好地解决这一难题，其具有简单易行、三维可视化效果好及精度高等优势，可在较短时间内获取到矿山全貌，包括开采台阶现状、排土场信息、堆料场、道路布局和矿区复绿情况等信息，能够应用于露天矿山全生命周期中^[14,15]。大宝山露天矿山三维环境的生成是通过无人机航测外业作业和数据内业处理共同完成的。

（1）无人机航测的外业作业。目前，大宝山露天矿最高台阶高为1 013 m，最低台阶面高为637 m，高差较大。考虑到高程落差的影响，兼顾无人机像控点空间布置需满足3 km²布置5个点的要求，现场共布置了12个十字形的像控点，采用RTK对像控点坐标连续测量10次，取平均值用于后期精度校核。为了有效测量采场、排土场、堆料场、周围建构筑物及矿山复绿范围，共布置了3个架次的飞行计划，局部航线需要重叠以保证航测精度，测航路线如图2所示。无人机外业检查完毕后，进入航测飞行阶段，使用地面站软件实时监控飞行状态，确保航测作业按飞行计划正常进行。航测结束后，及时回收3个架次的航测数据，包括POS数据、基站数据和航拍照片等。

图2

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图2 航测路线

Fig.2 Aerial survey route

（2）航测数据的内业加工处理。将回收的航测数据按照无人机处理软件的要求，采用PPS软件进行一键式解算，再将解算后的数据和航测的高像素照片等信息按照格式要求输入到Pix4D软件中，则可快速生成航测成果图，包括正射影像、三维数字表面模型和二维地形图，如图3所示。为了验证航测的实际误差，将特定的航测模型的坐标点与实际位置进行比对，发现误差在合理范围之内，满足1∶1000比例尺的要求。生成的三维模型较好地反映了矿山的开采现状及复绿情况，能够有效指导生产计划的科学化制定及安全施工。

图3

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图3 航测成果图

Fig.3 Aerial survey achievements

3.2 采剥施工的数字化设计

将无人机生成的二维地形图作为DIMINE软件操作的基础，可快速生成矿山开采现状的三维模型^[16]，三维可视化效果好；在进行道路规划设计、矿石开采规划设计、配矿规划和爆破设计等方面优势明显，可较好地应用于露天矿山全生命周期中。针对大宝山项目的情况，主要应用在矿山采剥施工的3个方面。

（1）生产计划制定。相比于传统的二维地形图，DIMINE软件能够帮助技术人员对管理人员进行技术交底，当管理人员向现场调度人员安排生产计划时，更易区分和安排生产任务的主次，以及重难点区域的开采规划等［图4（a）］，进而根据生产能力及运距合理安排车铲比，从而显著提高生产效率，减少窝工现象。利用DIMINE软件的道路设计规划功能，快速计算得到设计道路区域的填方和挖方工程量［图4（b）］，清晰显示道路的总体工程量，然后将道路区域划分为难施工和易施工区域，进而安排机组实施道路修筑工作，并根据生产需要确定是否进行分段作业。同时，将DIMINE软件应用在矿石工程量结算时，方量误差在合理范围内，相比CASS软件的三角网算法，DIMINE软件极大地降低了计算量，减少了测量技术人员的劳动强度，使工作效率明显提升。

图4

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图4 生产规划设计

Fig.4 Production planning and design

（2）采空区强制爆破数字化处理。在爆破设计方面，传统的人工制定法耗时长、劳动强度高且效率较低，利用DIMINE软件中的露天矿山爆破功能，能够提高爆破设计效率和质量^[17]。以大宝山露天矿661采空区爆破为例，首先利用钻孔式三维激光扫描仪获取空区的点云数据，然后将其输入到DIMINE软件中，生成了空区的实体模型，再进行爆破设计。将炮孔测量数据直接导入爆破设计模块中，根据实际需要，在空区的投影范围内进行自动化布孔，布孔类型有正常孔、切割孔和加密孔，孔网参数为4.0 m×4.5 m。然后进行装药量、填塞长度、装药结构、起爆时间和起爆顺序等优化，如图5所示，最终自动生成爆破设计方案，并应用于现场。空区处理后，形成了一个明显的矿坑，采用RTK人工测点对照发现空区得到了较好的处理，再采用废石充填，有效消除了空区的安全隐患。

图5

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图5 空区爆破设计

Fig.5 Blasting design of goaf

（3）精细化施工设计。根据矿山勘察资料确定了矿脉的分布情况，在DIMINE软件中圈定计划施工的爆破区域，快速计算框选区域的工程量。采用岩脉剔除爆破技术、大块采矿法等可实现矿岩的有效分离，对于降低矿石的损失与贫化，以及精细化施工十分有利，可显著地改善矿石损失严重及矿岩混合情况复杂的现象^[18]。此外，由于现场情况较为复杂，管理人员往往难以及时全面检查平台标准化建设工作，此时可在软件中进行平台标准化检查工作，通过检查模型的不平整地带，制定平台标准化方案。

3.3 卡车调度系统的应用

为了有效监管矿山的生产运营情况，引进了卡车调度系统。该系统基于计算机及数据库技术，可实现矿山的实时调度指挥，可在很大程度上降低现场管理人员的劳动强度^[19]。将无人机航测得到的矿山二维地形图经过精度校验后作为底图，在分爆分采区域采用RTK人工放点确定矿岩分界线后，向作业车辆下达配矿装运指令，由挖机和卡车进行分采分运，将铜硫矿石运往645堆场，铅锌矿运往指定堆场，土渣运往较近的排土场倾倒。

根据矿山运输道路的分布情况和卡车运输情况不断优化运输路线，得到最优路线^[20]。若卡车偏离路线，则会报警，提醒司机按照既定线路运输，实现统筹化管理，如图6所示。对卡车装运的矿岩及土渣称重后，将工程量实时反馈到指挥系统中^[21]，实现了实时计量，对于工程量结算及安排车辆配置十分有利。引入卡车调度系统后，矿山生产工作实现了综合化管控，降低了现场管理人员往复指挥的频率和劳动强度，通过一键式发送指令及生产调度中心的及时沟通，显著提高了现场精细化管理水平和安全监管能力，生产计划得以快速有序完成。

图6

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图6 实时调度指挥

Fig.6 Real-time dispatch command

4 大宝山项目部数字矿山建设的应用前景及结论

4.1 应用前景

（1）无人机航测技术与DIMINE软件联合应用于大宝山露天矿山全生命周期中，从而实现地形地貌勘察与及时更新、中长期及短期计划制定、爆破设计一体化、生产指挥调度和专家远程诊断等工作。联合无人机航测技术与卡车调度系统，进行矿山生产调度系统的构建，实现了数据的及时更新、危险源管控、精细化施工及生产实时计量，大范围与小范围的联合监管，有助于实现矿山的综合管控。

（2）实现无人机航测技术、DIMINE软件与卡车调度系统数据的兼容，将庞大的数据量进行分类统筹管理，实时管控矿山生产的各个环节，减少安全隐患，从而确保矿山生产规划设计及实施的有序进行。

4.2 结论

（1）宏大爆破有限公司作为矿山施工企业，以大宝山项目为试点，从采剥施工的数字化设计、卡车调度系统的统筹精细化监管等方面，构建了实用性好且投资成本较低的数字化矿山建设框架。

（2）采用无人机航测技术构建了大宝山露天矿的真实三维模型，清楚地了解了矿山的开采现状与危险源分布情况；在此基础上，利用DIMINE软件进行了生产计划制定、工程量结算和爆破自动化设计，有助于实现科学化开采，显著提高了工作效率；最后利用卡车调度系统实时指挥生产管理工作，有效指导分采分运和安全监管工作，确保配矿指令的高效执行。多种矿山软件相互配合，实现了矿山虚拟化操作与实际生产管理的有效统一，显著提升了精细化施工及管理水平。

（3）宏大爆破有限公司的数字化建设从实用性和技术管理2个方面出发，投资成本相对较低，革新了现有的施工管理模式，能够提供更优质的矿山服务，同时对其他矿山施工企业建设数字化矿山具有一定的参考价值。

参考文献

原文顺序

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文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

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古德生，周科平 .

现代金属矿业的发展主题

［J］.金属矿山，2012，41（7）：1-8.