矿山开采过程中的三维动态建模与监测研究

矿山开采过程中的三维动态建模与监测研究

田建华周锋

宁夏回族自治区矿产地质调查院(自治区矿产地质研究所)  宁夏回族自治区银川市  750021

摘要：煤矿的信息化建设已经从数字矿山建设逐渐转向了智慧矿山，现在普遍认为是智慧矿山初级阶段。矿山开采的科学化、精细化管理已成为行业发展的必然趋势。其中，三维动态建模与监测技术在确保开采安全、提高资源利用率、降低环境影响等方面发挥着至关重要的作用。因此建立矿山采场精确的三维动态模型对矿山的高效、安全、智能化管理具有至关重要的作用。

关键词：矿山开采；三维动态建模；监测研究

一、矿山开采的现状与挑战

1.1 矿山开采技术的变革

自工业革命以来，矿山开采技术经历了从手工到机械化，再到自动化和智能化的转变。20世纪的露天开采技术提高了效率，而现代信息技术如GPS、遥感和无人机使得矿山三维动态建模和实时监测成为可能。这些进步加速了开采速度，改善了作业安全和环境保护。矿山开采技术的演进改变了我们管理和理解矿产资源的方式。

1.2 当前开采问题

矿山开采面临资源过度开采、储量下降和地质环境破坏等问题。全球每年因不合理开采浪费大量矿产资源。传统的开采监控不足可能导致地面沉降等安全事故。因此，建立有效的三维动态建模与监测系统对于矿山安全和可持续发展至关重要。

1.3 传统监测方法的局限

在露采矿山资源储量估算中的，传统估算方法通常是以二维平面图和剖面图来估算资源储量，这种方式存在着表达信息不充分﹑缺乏直观感等特点。随着地质统计学﹑数学﹑计算机图形学和网络技术的发展，在科学计算可视化的基础上，露采矿山资源储量估算逐渐向着综合集成化数字化，可视化的方向发展。矿体三维可视化建模已成为数字化的一个重要方面，并成为当前地学信息技术领域最富有活力的研究方向之一。

二、三维动态建模的理论与方法

2.1 三维建模的基本概念

矿山开采中，三维动态建模基于空间几何、地理信息及矿山工程学原理构建精确数字模型，反映地质结构、开采状态及环境影响。通过无人机航拍和激光雷达扫描收集数据，生成厘米级精度的矿山表面三维模型，提升矿山规划和管理科学性。结合GIS和BIM技术，构建包含地下开采巷道、采空区及矿石储量等信息的矿山全貌模型，帮助工程师实时了解开采进度，预测开采路径，发现处理安全隐患。

2.2 矿山三维建模的步骤与技术

矿山三维建模包括数据采集、模型构建和验证。利用无人机、遥感卫星及地面测绘设备收集数据，整合处理生成三维数字模型，反映矿山动态变化。对比模型与实际矿山差异，优化模型精度。澳大利亚某铁矿山项目利用无人机测绘和地质钻探数据构建模型，规划开采路径，模拟开采活动对地表沉降影响，支持安全决策。

2.3 建模软件与工具的介绍

目前，国际上占有主导地位的三维数字化矿业软件主要有英国的Datamine， 加拿大的Cemcom、美国的 Minsight以及澳大利亚的Surpac和 Micromine、 国产三维数字化矿业软件3DMine。这些软件工具提供地质建模、规划、数据可视化与分析等功能，提升建模精度和效率。软件工具与传感器数据集成，实现实时监控，应对挑战。

三、动态监测技术的应用

3.1 矿山动态监测与安全

随着开采加深，地质风险增加，传统监测手段的局限性可能导致安全隐患。采用先进的传感器技术进行实时监控，能有效预警潜在问题，降低事故率，实现更安全、高效的开采。

3.2 传感器技术的监测作用

传感器技术实时收集地质和环境数据，帮助评估和预测开采影响。通过三维建模，数据可视化，管理人员能迅速识别风险，预防事故。实际案例证明，这种技术能显著提高安全性和生产效率。

3.3 数据采集与处理系统的价值

数据采集与处理系统通过高精度传感器收集地质、环境和工程参数，实时监控矿山状态。先进的数据分析和可视化技术帮助识别潜在问题，提供决策支持，优化开采策略，预防灾害，提高生产效率和安全性。实际应用显示，该系统具有巨大潜力和价值。

四、三维动态建模与监测的整合

4.1 协同建模与监测机制

建模和监测能精确描绘矿山几何形态和物理状态，实时预测和控制开采风险。通过数据融合和分析，能从大量监测数据中提取有价值信息，实现高效安全开采。技术进步如物联网和人工智能将进一步增强这种协同机制，提供更科学的决策支持。

4.2 实时数据分析与决策支持

实时数据分析整合建模与监测数据，预测安全风险，优化开采策略。大数据分析和预测模型帮助识别地质灾害预警，减少资源浪费和安全风险。数据驱动的决策支持系统在提升矿山安全性和经济效益方面具有巨大潜力。

4.3 模型更新与精度控制

模型更新与精度控制确保三维动态建模准确反映实际开采状态。及时更新消除潜在误差，确保模型与实际同步。数据清洗、校正机制和自适应算法提升模型精度，防止数据噪声和传感器漂移影响。模型更新与精度控制对提升开采决策准确性和安全性至关重要。

五、案例研究与实践效果

5.1 高精度矿山建模与监测

澳大利亚某大型露天矿山运用先进建模软件、无人机和激光扫描数据，构建厘米级精度的矿山模型，实时追踪开采进度，精确计算资源量，有效避免过度开采和浪费。同时，部署的监测系统通过位移和应力传感器实时监控矿山稳定性，成功预警并避免了重大事故。

5.2 技术应用中的挑战与解决方案

矿山开采面临数据处理、实时监测等问题。现代矿山采用三维动态建模与监测技术，通过GPS和无人机数据实现实时监控和预测分析，减少资源浪费和安全隐患。为解决数据处理挑战，开发智能数据分析模型和机器学习算法，自动识别异常，预警潜在风险。同时，通过多源数据融合和模型动态更新，提高决策支持的准确性。

5.3 效果评估与优化策略

矿山效果评估侧重于建模精度和监测效率。通过实时数据分析和模型预测对比，优化开采计划，减少预测误差。监测系统改进包括传感器异常处理和数据质量提高。此外，考虑环境影响，评估开采活动对生态环境的影响，调整作业方式，实现经济效益与环境保护的平衡，推动矿山的可持续发展。

六、未来发展趋势与研究方向

6.1 技术创新展望

三维动态建模是实现数字矿山建设的前提和核心基础，为矿业开发带来了新的机遇和动力，科技快速进步推动矿山建模与监测技术革新。未来将发展更智能、精准的工具和系统。大数据和云计算能实时分析监测数据，提升决策效率和安全性。人工智能可预测地质影响，减少风险。VR和AR将提供直观的三维可视化体验，物联网设备则能实时更新模型，提高管理效率。

6.2 环境与安全考虑深化

环境与安全在矿山开采中至关重要。通过三维动态建模和监测技术，可更深入考虑环境影响，实现绿色开采和安全作业。高精度建模能预测地面沉降，提前制定防治措施，传感器网络能预警安全风险，确保作业安全。

6.3 矿山可持续开采挑战

随着社会对可持续发展的关注度日益提高，矿山开采面临着如何在保证资源供应的同时，实现环境的可持续利用和社区和谐共存的挑战。未来研究将着重探索循环经济模式，如废弃物资源化利用，减少开采对环境的扰动。同时，需要建立完善的矿山生态修复技术和体系，以实现矿山关闭后的土地再利用和生态恢复。

参考文献

[1]苏鹰滨.矿山开采监测系统建设与应用研究[J].经纬天地，2024，(02):66-68+81.

[2]刘一，马灿璇，湛龙，等.基于无人机技术的露天矿山越界开采监测与评估方法[J].中国矿业，2024，33(01):105-113.

[3]刘晓雪，陈东磊，黄旭红，等.遥感技术在矿山开采状况监测中的应用——以山西省为例[J].华北地质，2023，46(03):82-88.DOI:10.19948/j.12-1471/P.2023.03.11.

[4]焦学军，王金娜，宋会传.基于实景三维的露天矿山开采动态监管方法研究[J].地理空间信息，2022，20(02):60-63.