金属矿山设计理论方法与技术研究

张新红 华宁 郑清启

（新疆维吾尔自治区安全科学技术研究院 乌鲁木齐 830000）

我国的矿山设计经历了以下几个主要发展阶段：20世纪50年代，学习苏联的三段设计；六七十年代，实行中央、地方、设计部门相结合的设计阶段；70年代末开始设计与科研相结合的设计阶段；90年代末逐渐发展的现代设计阶段。

现代设计方法以其程式性、创造性、系统性、优化性、综合性等特点，在各行各业得到广泛的应用。矿山设计是利用科学原理、技术知识和想像力，在确定最高经济效益和效率的前提下，拟订系统、工艺方法的决策过程。

1 矿山设计方法研究

矿山设计方法学旨在进行设计理论、设计方法及优化研究，主要内容包括设计的进程、步骤、规律及系统化的逻辑分析,并将成熟的设计模式、解法等编成规范和资料供设计人员参考。矿山现代设计方法所涉及的具体学科内容主要有：地质统计学、可靠性理论、模糊数学、灰色理论、有限单元法、离散单元法、边界单元法、分形与混沌、小波分析等。目前矿山设计方法研究的重点方向有：建模及仿真技术、体视化技术、人工智能、CAD及GIS技术、数学计算方法。

2 地下矿山设计系统的研究

地下矿山开采设计工作主要包括提升系统、运输系统、通风系统、排水系统、通讯系统、动力系统、破碎系统、采矿方法以及生产设计等。地下矿山设计技术包括：综合调度技术，综合配矿技术，现代支护技术、安全技术及控制爆破技术，多级机站与集中通风的联合通风技术，地下矿山的现代通讯技术、无人采矿技术、一次成井技术、回采参数优化，岩爆机理及控制研究、井巷破坏理论及支护技术研究。

基于矿床模型的现代设计软件系统的开发及应用是当前研究的热点问题。例如房智恒、吴涛、牛明远分析了采矿方法真三维设计在数字矿山建设过程中的意义，借助于DIMINE矿山软件实现了矿山采矿方法真三维设计。

目前，不少单位正在研究以体视化和虚拟现实技术为核心的矿山设计软件系统。例如刘亚静阐述了如何以3D图形渲染技术和地理信息系统技术为依托，完成自然实体、人工实体和三维地质数据的精确地表达，将矿区工业广场以及地层、巷道、工作面的空间位置关系直观地展现出来。矿山的体模型理论及体视化技术还有待于进一步的研究。结合块段模型和几何模型优点，创建基于动态数据库的矿床模型是矿山设计软件的一个发展方向，由于矿床赋存状态及地质条件的复杂性，矿山设计长期处于半理论半经验设计阶段，很难适应现代社会发展的要求。针对矿山物联网生产设备协同管控规模大、时序约束严格、局部控制等特点，结合矿山物联网生产设备协同管控系统架构，建立了矿山物联网生产设备多级协同管控模型，实现矿山物联网数据的分布式协同处理与设备协同管控，减少人为干预，提高生产效率是重点研究方向。

3 露天金属矿山设计工艺研究

露天矿开采设计主要工作是开采境界圈定、开拓运输系统、采剥工艺、设备选型、废石场选择、废石排弃、防排水、进度计划编制等。露天矿的现代设计思路包括：分区开采与分期建设、露天境界优化、爆破技术的应用、混装炸药技术、陡帮开采工艺、振动放矿转载铁路汽车联合开拓运输、间断连续运输、矿山设备大型化、露天矿自动调度系统、露天边坡的安全监控技术、科学的技术经济评价。露天矿设计中研究的新问题包括：露天矿分期建设中台阶坡面角与平台宽度的确定，水文地质对台阶稳定性影响；爆破震动对台阶安全影响；台阶及坡面的风险分析、经济分析与安全操作的结合研究；露天矿安全监控技术等。

4 结语

矿山设计系统是一个有机的整体，必须研究与之相适应的整体优化理论与方法，整体优化设计理论与方法的实现仍要以计算机为工具，建立以计算机软件为支撑的设计系统是今后的发展方向。