矿井三维协同设计系统-矿山系统工程研究所

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矿井三维协同设计系统

壹

引言

从20 世纪90 年代开始，我国煤矿设计行业逐渐甩掉图板，进入二维CAD 绘图阶段。但经过二十多年的发展，大多数煤矿设计院的设计方式和设计理念仍停留在二维CAD 绘图阶段，大都是根据设计人员的经验或类比结果，用AutoCAD 之类的绘图软件进行绘图，而后通过人工统计计算工程量与材料量，再通过Office 软件编辑设计文档，设计工作无法协同，设计结果也不能自动可视化，更不能进行分析模拟和仿真，很难检验其正确性和科学性，设计效率低，设计结果不能满足智慧矿山建设的需要。

煤矿设计院采用的基础资料大都是一些无属性的二维图纸和一些简单的台账数据，这些信息既不精确，也不直观，而且不能及时根据生产过程进行修整和改进，易造成设计与生产的脱节。

贰

智慧矿山设计必备基础-矿井三维协同设计系统

智慧矿山是建立在矿山数字化基础上能够完成矿山企业所有信息的精准适时采集、网络化传输、规范化集成、可视化展现、自动化操作和智能化服务的数字化智慧体。

协同设计系统是在对众多设计单位的设计流程、工作习惯和管理手段等方面进行深入了解、概括提炼的基础上，结合独到的软件设计理念，开发完成的管理软件。

要建设智慧矿山，首先要从设计智慧矿山开始，而矿井三维协同设计系统必将是未来智慧矿山设计的软件基础。三维协同设计系统的建立，不仅可以提高智慧矿山设计效率，改变煤矿设计院的工作方式，彻底解决煤矿设计院的设计成果与生产部分脱节的问题，更能够使我国的新建煤矿从源头上解决智慧矿山实施困难的问题，对于促进智慧矿山的建设具有重大意义。

矿井设计的发展趋势是利用三维设计平台，基于完整的三维地理信息系统，实现各专业的快速协同和全数字化设计，自动生成设计文档、二维施工图、三维效果图，自动进行成本估算和系统评价，自动生成仿真系统，自动提供决策结果，实现煤矿设计的规范化、自动化和智能化。矿井三维协同设计系统必将替代目前的二维CAD 设计方式，成为下一代矿井设计的必备工具。

叁

矿井三维协同设计系统开发现状

目前建筑、石化、冶金、水电等行业三维协同设计系统已大范围投入使用，且效果良好。煤炭行业矿井项目实现三维协同设计的技术复杂程度与难度要远高于上述行业，且由二维设计直接跨入三维协同设计，需要解决的技术难题还有很多。目前国内几大煤炭设计院虽达成三维协同设计是未来矿井设计发展方向的共识，但在近年来煤炭产能过剩、煤企大量亏损的现实背景下，煤炭设计院为减少支出鲜有真正投入时间与费用研发此类系统的，更没有成熟的商业软件投入使用。

肆

煤炭行业三维协同设计系统开发应用的特点

根据目前煤炭设计行业运作的现状，三维协同设计系统开发应用的特点主要表现在5 方面：

（1）煤矿设计涉及的专业众多。从井下到地面，除采矿等主要生产项目外，还有辅助生产、行政公共建筑等，各个专业的研究对象、研究方式迥异，主要涉及大尺寸高精度地理地质信息、非标准的工程与各类特种结构、复杂机电设备系统等问题。各专业之间数据共享和数据交换频繁，且分别使用着基于不同软件平台的专业设计软件，如建筑专业的天正系统、结构专业的PKPM 系统与通用有限元分析软件、矿井的通风系统解算软件、电气的博超系统等等，即使都以AutoCAD 软件为平台也存在着版本相差过大的问题，同时存在着不同软件整合过程中的大量版权问题。目前尚无一款软件能够同时满足多专业三维设计的需要，因此需要通过系统开发和系统集成来解决以上问题。

（2）煤矿设计工程的地质勘察等基础资料的获取，在项目的全生命周期内具有由粗到细、不断拓展、循序渐进，渐进明晰的突出特点，所有的有效工作基本上都是基于地质矿床模型和地面地理信息模型的分析与利用，但是咨询设计甚至建设与生产工作又不能在基础资料完全收集完整后才开始，实际上整个过程就是一个不断反馈、深化、优化的循环过程，随着地质矿床模型和地面地理信息模型的不断更改，咨询设计成果需要不断地修改反复，每次更改技术人员都要投入大量的工作熟悉资料、协调资料、分析整理等。开展三维协同设计就必须解决各专业之间不同版次设计成果的发布与引用机制，解决不断地设计更改和三维之间的自动更新等问题。

（3）任何一座煤矿由于资源赋存条件、地质资料的详细程度、地面地形、开拓开采方式、设备配置等不同，很难做到套用一个标准设计就能解决设计问题，也很难做到不随着地质资料的变化和不断补充而不优化更改。三维协同设计可以利用矿井各单位、单项工程的特征、参数、公式、积累的工程类比经验等相关知识解决快速建模、及时更改的问题，实现矿井各单位、单项工程的参数化、模板化设计，对提升设计效率非常重要。

（4）参与矿井设计的专业众多，内容复杂，井下与地面联系紧密，井田面积大（达上百平方公里），地面设施分布在几个场地上，随着开采的延伸，需要增加不少设施，所以整个设计分期集成与协调难度较大。各专业之间的匹配协调工作量很大，需要解决开采延伸和调整带来的大量后续影响分析、设计更改和及时更新工作。

（5）在建筑、石化、冶金、水电、汽车、机械等行业，西方国家早已建立了较完善的、基于数据库的二维、三维协同设计系统，并对国内这些行业三维协同设计系统开发与应用有一定的参考借鉴意义。

而在煤炭行业，目前国内基本上还处在各专业辅助设计软件应用阶段，二维协同设计也只是在个别企业的个别领域使用。西方发达国家开发的软件基本上是针对露天煤矿生产设计的，露天煤矿与井工煤矿在设计、生产、管理等方面都有着很大差别，他们的软件基本上只考虑了单一专业的局部应用，对相关专业的联动性考虑较少，所用平台内容少，不便于扩展，如没有考虑如何管理像山体、水体、建筑、道路、桥梁、管网和设备等地面对象，也没有考虑像巷道、硐室、煤岩层、矿体、断层、陷落柱、各种含水层和富水区、瓦斯赋存区以及采、掘、机、运、通等地下对象的属性内容，所以利用这些软件就不能有效地解决井工煤矿采矿设计、通风、防治水、供电、运输、支护和环境保护等专业的信息共享和专业联动问题，最终还是消除不了信息孤岛，信息不能重复利用，对相关专业提供不了真正的辅助分析、辅助设计和决策支持功能，不适用于井工煤矿的三维协同设计。

伍

矿井三维协同设计系统应包含主要功能

为提升矿井项目设计效率和质量，缩短设计周期，提高调整设计方案的速度和工程量计算的准确性，降低设计成本，并为矿井项目的后续建设施工、生产管理的数字化提供先决条件和基础保证，矿井三维协同设计系统应包含的功能：

（1）三维地理地质空间信息模型的构建

该功能为矿井三维协同设计系统的基础功能。大容量快速处理复杂地质构造的三维地理信息模型（包括三维地质模型、地表信息模型、工程属性），通过开发集成，实现地质数据的多种采集方式（钻孔数据、GIS 成果等），三维可视化校验，三维交互解析建模、快速渲染、动态更新，实现大规模场景的快速加载、绘制、渲染、漫游。利用采矿设计的地理信息系统平台的三维模型、属性库和空间分析功能，使得设计、计算、分析变得自动和智能。

（2）三维协同设计数据管理系统的构建

该功能旨在利用数据库技术将矿井三维协同设计系统内涉及的所有数据信息存储起来，以备其他功能模块的调用及处理。建立基于结构和非结构相结合的协同设计数据管理中心，用于包括绘图标准、组织和项目编码系统、设计构筑物（件）模板库，标准采掘工艺流程模板库、设备配套库、标准件模型库等的管理。

（3）协同规则和设计流程定制

主要功能包括设计项目创建、项目属性库创建、项目图档目录结构创建、项目共享资料引用管理创建、设计项目工程分解、设计项目计划编制、设计任务划分与角色设置、设计标准和设计软件配置等，生成设计项目协同规划与控制流程。

（4）矿井井巷系统构建

基于三维地质模型利用交互方式依次完成矿井井筒、主要巷道、采区巷道及相关硐室的构建，并快速生成平面图、断面（剖面）图和三维模型。

（5）采掘工作面配套设计

根据巷道与采掘面布置情况，在充分分析工作面顶、底板及围岩应力的基础上，确定采掘工作面设备配备。

（6）矿井提升运输设计系统

根据矿井生产能力等确定矿井提升运输设备，如立井提升设备及钢丝绳、带式输送机、无轨胶轮车、无极绳绞车、架空乘人器等。

（7）矿井通风、排水、压风、供配电等系统构建根据矿井巷道布置及其他相关资料，构建矿井通风、排水、压风、供配电等主要系统。

陆