随着三维矿山软件的出现，露天矿山开采规划与管理工作有了较大的改进[1,2]。现有的三维矿山软件，如3Dmine[3]和DIMINE软件[4]等，基本上是基于CAD二维图进行的，符合矿山施工人员的使用习惯，软件可操作性强，对于优化生产计划十分有利。三维矿山软件可有效建立矿山的数字模型[5]，通过建立强大的数据库，将各种矿山数据有效存储起来，方便及时调用与处理，可操作性强，很大程度上实现了虚拟化操作。三维矿山软件应用于露天矿山全生命周期中，进行矿山开采设计、道路施工设计、爆破设计[6]、工程量结算[7]和生产计划制定[8,9]等，极大地降低了人员的劳动强度，提高了工作效率，且施工精细化水平得以提升，凸显了设计对实际生产工作的指导意义[10]。因此，利用三维矿业软件进行采矿方法设计已成为矿业领域的一个重要发展方向。
开拓系统是矿山正常安全生产的重要保障，主要体现在首采工作面和矿山道路设计等方面。合理的开拓系统设计是石料供需平衡调度的核心，同时也是多规格石高强度开采的技术保障，但是传统的采矿方法设计是在平面状态下以二维平面图与剖面图来表达设计意图[11]，因此基于CAD绘制的开拓系统平面图存在较多的不足，包括：（1）可视化程度低，难以有效进行技术交底；（2）开拓系统设计的可靠性难以保证，检查较为困难；（3）更新速度慢，面对复杂的生产现状，系统的执行程度不高，伴随工程进展不同时期将会出现需料强度变化，当前的开拓系统是否能够承载任务要求，开拓系统的可靠性需要加以讨论。大、小鱼山石料工程属于多规格石高强度开采工程，其开拓系统采用传统二维设计软件设计时，工作量大，制图过程繁琐，信息更新困难，设计结果影响施工人员对复杂问题的准确判断[12]。基于此，本文利用3Dmine数字矿山软件，设计大、小鱼山三维开拓系统，并将其应用于现场施工，以期保障多规格石的供需平衡调配，提高矿山生产管理的效率。
1 工程概况
舟山绿色石化基地位于浙江省舟山市岱山县大、小鱼山岛围垦区，是国家石油化工“十三五”规划重点项目之一，是（浙江）自由贸易试验区建设的重点和核心。舟山绿色石化基地建设前期的施工任务主要是在大鱼山岛东西两侧实施开山、围填海工程，为舟山绿色石化基地建设提供必需的建设用地，围垦后形成深水岸线，长约4 000 m，陆域面积约为41 km2，拟建成我国岛屿型、现代化、生态型的炼化一体化石化基地。
露天矿山开采爆破工程是舟山绿色石化基地建设工程的重要组成部分，为石化基地陆域形成及围堤工程提供石料供应，同时也为石化基地提供建设用地，在整个项目中处于龙头地位。一期开山爆破工程总工程量为3 400×104 m3，总工期为20个月，由大、小鱼山岛内10个相对独立的开山区域组成，开采石料主要用于南防波堤工程、一期陆域形成、西北防波堤工程、大桥接线成陆工程和北部成陆工程等；二期开山爆破工程主要位于一期开山爆破工程的东侧，土石方爆破开采方量约为4 800×104 m3，开采工期为19.5个月，开采区域由大鱼山岛1#山体至7#山体和小鱼山岛五、六区组成，主要用于鱼山大桥接线工程、二期东侧堤工程和陆域形成地基加固工程等。一期工程每月需完成开采方量170×104 m³，日完成开采方量6×104 m³；二期工程每月需完成开采方量246×104 m³，日完成开采方量8×104 m³。相比普通土石方工程，本工程施工现场人员设备多，协调难度大，工作强度更高。此外，本工程基本属性为多规格石的高强度爆破开采，采场占地面积大，以台阶的形式进行穿孔、爆破和铲运，使得工作面数目较多，道路设计复杂多变，服务的机械设备也较多。为了确保该特大型多规格石高强度开采矿山工程的施工效率和施工质量，避免施工过程中各区山体内部及相互之间在时间、空间上的相互干扰，更好地匹配后续促淤围垦工程及场地回填工程用料需求，统一协调大型露天采场的生产布局，从而保证各区山体多规格石开采施工的协调推进，实现多规格石的高强度、安全高效开采，本文利用数字矿山软件进行露天矿山开拓系统的三维规划设计与监管体系构建。
2 开拓系统三维规划设计的目标
三维矿山软件有助于保证工程施工的有序衔接，确保开拓系统的三维规划设计较为合理。由于本工程为多规格石高强度开采，通过规划设计保证开采的有序进行及石料的供需问题具有重大意义。基于工程重难点，认为开拓系统三维规划设计的预期目标应体现在以下4个方面：
（1）石料供需平衡的规划设计：动态掌握回填、需料区域的工程整体进展和施工动态，用于分析石料需求计划、开采强度和石料规格等方面的要求。
（2）石料供需平衡的快速计量：利用三维矿山软件面积计算功能进行开采区移山造地和回填区填海造地进度的管理，利用三维矿山软件体积计算功能进行不同开采区域剩余山体的计量与分析，适时优化调整供料计划，确保供料强度、人工造地进度要求，保证开采石料的加权平均运距最短。
（3）石料供需平衡的调度管理：掌握不同石料开采区域的石料供需平衡偏差情况，及时下达调度指令纠偏。若供料大于需料，现场临时堆放石料过多，将压制爆破开采工作面，导致区域难以按时爆破开挖至设计标高，无法提供建设用地；若需料大于供料，石料供给不足，不利于设计陆域的形成，导致围垦造地上的建设施工推迟。
（4）安全高效开采的技术保障：超大规模、高强度多规格石开采调度指挥的原则是供料区域的工程地质情况有利于保证爆破质量、降低爆破成本，同时确保供料区域与用料区域的需求强度相匹配且运距较短，实现多规格石的定制化、订单化生产。
3 露天矿山开拓系统三维规划设计内容
图1
图1
露天矿山开拓系统三维规划设计流程图
Fig.1
Flow chart of 3D planning and design of open-pit mining development system
建立数字矿山表面模型时，首先对CAD地形地貌图进行信息提取，保留数字矿山表面模型关注的主要信息（如山体等高线等），如图2所示；然后将优化后的CAD图导入3DMine软件，对点和线进行优化编辑，这里主要用到的是【工具】菜单。在x-y视图下，进行【闭合线内生成DTM面】操作，生成整个矿山的表面模型。
图2
3.1 矿山道路线路设计与边坡生成
在原有露天矿山CAD二维地形图的基础上，快速生成三维模型，根据矿山的实际地形条件和生产需求，确定设计道路的位置。在3DMine软件中打开表面模型文件，画出道路中线，确定道路坡度为8%，将道路中线进行中线扩展，生成矿山道路边界线，再使用裁剪工具将原始表面模型与道路进行裁剪生成道路边坡。
矿山道路线路设计尽量满足矿山整体布局要求，使运输道路与生产作业面相协调，尽量缩短道路长度，减少道路施工工程量，节约运距。道路坡度保持在8%左右，确保行车安全。考虑到工程量大，车辆行驶频繁，设计了宽度为20 m的道路，如图3所示。在道路的边坡边界线，生成边坡的DTM面，可清晰显示设计道路的实际面貌。另外发现有部分设计道路不可见，表明该区域属于挖方区域，而其余可见道路区域则属于需要填方的区域。因此，采用数字矿山软件对矿山开拓系统进行三维设计对于道路规划与现场施工十分有利。
图3
3.2 开拓系统工程量计算与动画模拟分析
图4
图4
小鱼山岛矿山道路开拓系统的动画模拟
Fig.4
Animation simulation of mine road development system in the Xiaoyushan Island
3.3 矿山道路施工图设计
矿山开拓系统设计完成后，进行矿山道路施工图出图，主要是出道路平面布置图和系列剖面图。通过调入地表模型和道路设计的边坡及边界，设置预期的道路相关参数，即可生成设计道路的剖面图，快速计算道路施工的工程量，自动剖面线位置图如图5所示。最终生成的道路挖方、填方路段的报告，对于指导道路施工顺序、区分道路施工难易程度和结算工程款等方面，具有重要的指导作用。
图5
4 矿山开拓系统施工与监管
4.1 基于微缩3D模型的矿山开拓系统施工监管
4.2 矿山开拓系统施工监管
基于露天矿山的数字表面模型，可对露天矿山三维开拓系统的道路路线、道路坡度和两侧边坡等进行设计，并可方便快捷地计算挖填方工程量、模拟分析开拓系统效果和绘制施工图等，使开拓方案的设计、对比分析和施工监管一体化，全过程的技术资料直观、可视，避免了不同管理环节数据冲突问题的出现。
基于上述管理平台和数据，可以实现精细化的工程管理。施工前施工负责人对作业组成员进行认真技术交底，对涉及的设备及作业地点进行详细说明，并对作业项目做了分工。整个施工过程中严格执行安全工作规程，保证现场施工作业有序开展。施工管理重在现场组织和施工过程的控制。把每一次施工、每一道工序、每一个环节都按责任和岗位分工落实到个人，才能确保施工过程万无一失，取得良好的施工效果，保证施工质量和速度。
5 结论
（1）利用三维数字矿山软件，将传统的二维露天矿山地形地貌图导入三维数字矿山软件进行露天矿山开拓系统的三维可视化设计，建立开拓系统模型，直观展示了整个矿山的运输道路形态，提高决策者对露天矿山开拓系统空间分布形态的认识。
（2）基于露天矿山的数字表面模型，对露天矿山三维开拓系统的道路路线、道路坡度和两侧边坡等进行设计，可方便快捷地计算挖填方工程量、绘制施工图并模拟分析开拓系统效果等，使开拓方案的设计、对比分析和施工监管等环节实现一体化、直观化、可视化。
（3）采用三维数字矿山软件进行可视化道路规划，有助于露天矿山整体采场布局、石方调配工作，优化工作面设置，更好地服务于日常生产调度和管理，提前发现并解决问题，指导安全生产工作，极大地提高了工作效率，提升了工程项目的精细化管理水平。
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