摘  要：在凍結(jié)井筒的鉆爆及支護(hù)施工過程中，為了防止炮眼布置及錨桿支護(hù)對(duì)凍結(jié)孔的破壞，利用BIM技術(shù)對(duì)采用凍結(jié)鑿井法的井筒及周邊環(huán)境對(duì)象進(jìn)行了數(shù)字化建模、可視化呈現(xiàn)及數(shù)據(jù)化表達(dá)，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)驗(yàn)證，輸出成果對(duì)于井筒的掘砌施工具有較好的指導(dǎo)作用，增強(qiáng)了井筒凍結(jié)效果的安全保障，間接提升了施工現(xiàn)場(chǎng)的安全性，對(duì)于同等條件下的井筒凍結(jié)法施工具備較好的參考意義。

　　關(guān)鍵詞：數(shù)字化設(shè)計(jì); BIM; 凍結(jié)鑿井法; 井筒凍結(jié)法; 井筒掘砌; 凍結(jié)孔;

　　中圖分類號(hào)：TD262        文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A        文章編號(hào)：

　　Application of Digital Design during Caving in Shaft Freezing Sinking

　　HE Li-hui, ZHENT Yong-bo, Zhang Li-yu

　　(Beijing Huayu Engineering Co., Ltd., China Coal Technology & Engineering Group, 100120, Beijing, China）

　　Abstract: During the drilling, blasting, and bolt support processes of the frozen shaft, in order to prevent damage to the frozen holes caused by blasthole arrangement and bolt support, BIM technology was utilized to create a digital model, visualize, and express in data form the shaft constructed using the freezing sinking method and its surrounding environment. Field construction operations have verified that the output results provide effective guidance for the excavation and lining of the shaft, enhancing the safety of the shaft freezing effect and indirectly improving the safety of the construction site. This offers a valuable reference for similar conditions in shaft construction using the freezing method.

　　Keywords: digital design; BIM; freezing sinking method; shaft freezing method; shaft excavation and lining; freezing hole

　　引言

　　井筒凍結(jié)法在我國煤礦的應(yīng)用較為廣泛，主要用于松軟地層、含水巖層和沖積層等復(fù)雜地層或特殊地質(zhì)條件下的井筒施工[1-2]，本方法是在地下工程建設(shè)中，用于通過含水層或不穩(wěn)定地層的一種特殊技術(shù)[3]，該技術(shù)通過人工制冷手段，將井筒周圍土層中的水分凍結(jié)，構(gòu)建出臨時(shí)性的凍結(jié)土壁，用于承受周圍土體壓力以及阻擋地下水的滲透，為井筒掘砌提供一個(gè)穩(wěn)固的作業(yè)環(huán)境[4-5]。在凍結(jié)井筒掘砌施工中，一般采用風(fēng)鎬或鉆爆法施工，在凍結(jié)孔偏斜較大情況下，若距離井壁邊緣較近，掘砌或爆破過程可能會(huì)破壞凍結(jié)孔及凍結(jié)區(qū)域，若使用錨桿支護(hù)情況下，錨桿的支護(hù)角度與支護(hù)長度也可能會(huì)對(duì)凍結(jié)孔造成影響，這些情形均會(huì)影響凍結(jié)效果，嚴(yán)重情況還可能導(dǎo)致井筒施工安全事故[6-7]。為了避免或降低這種安全隱患，輔助施工人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)決策，我們引入基于BIM技術(shù)的數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)。

　　作為一種通用性技術(shù)，BIM應(yīng)用最初是為解決設(shè)計(jì)過程的三維可視化與錯(cuò)漏碰缺問題[8]，歷經(jīng)多年發(fā)展，廣泛應(yīng)用于民建、水電、能源等行業(yè)，當(dāng)前應(yīng)用鏈正逐步向施工、運(yùn)維等階段過渡[9]。在煤炭行業(yè)，BIM技術(shù)與工程基建相結(jié)合的應(yīng)用案例也越來越多：中煤能源集團(tuán)研發(fā)的“基于BIM的凍結(jié)法施工安全管理系統(tǒng)”在彬長礦區(qū)胡家河煤礦進(jìn)行了示范應(yīng)用，廈門大學(xué)提出的集成BIM與IOT技術(shù)的凍結(jié)法施工實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)[10]，利用BIM的可視化特性完成了施工狀態(tài)和空間信息的動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)。

　　本文在綜合已有成果基礎(chǔ)之上，結(jié)合BIM自身優(yōu)勢(shì)特性，著力解決凍結(jié)井筒掘砌過程中的凍結(jié)孔安全防護(hù)問題，本項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用實(shí)踐將為相似條件下的井筒施工中凍結(jié)孔的防護(hù)拓展一種新的思路，具備一定的啟發(fā)價(jià)值。

　　1 工程背景

　　本技術(shù)的應(yīng)用示范點(diǎn)為陜西投資集團(tuán)趙石畔礦業(yè)，趙石畔井田位于陜西省榆橫礦區(qū)南區(qū)，行政區(qū)劃隸屬陜西省橫山區(qū)城關(guān)鎮(zhèn)、雷龍灣鎮(zhèn)，靖邊縣黃蒿界鎮(zhèn)等管轄。趙石畔煤礦項(xiàng)目是陜投集團(tuán)重點(diǎn)規(guī)劃建設(shè)項(xiàng)目，是國家批準(zhǔn)建設(shè)的榆橫-濰坊1000千伏特高壓輸電工程配套電源點(diǎn)趙石畔煤電一體化項(xiàng)目的配套礦井，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力600萬噸/年，服務(wù)年限為71.7年，將于2025年12月投運(yùn)。

　　趙石畔礦井采用立井單水平開拓方式、中央并列式通風(fēng)，布置三條井筒，井筒區(qū)位于趙石畔井田西南部，處于黃土丘陵與沙漠灘地的過渡地帶，地表有片沙覆蓋，井檢孔資料顯示，洛河砂巖含水層厚度117.78～130.63 m，單位涌水量0.2692～0.3300 L/s·m，滲透系數(shù)0.2249～0.5743 m/d，富水性中等，三條井筒均采用凍結(jié)法施工，根據(jù)區(qū)內(nèi)地層沉積狀況，井筒圍巖由各粒級(jí)砂巖、粉砂巖、泥巖組成，巖性變化較大，巖體以層狀～薄層狀結(jié)構(gòu)為主，具各向異性，整體強(qiáng)度較低。

　　井筒設(shè)計(jì)特征如表1所示。

　　表1 井筒設(shè)計(jì)特征序號(hào)

　　2 數(shù)字化實(shí)施流程

　　BIM技術(shù)具備可視化、信息集成化、關(guān)聯(lián)性、協(xié)同性、模擬性等特征[11-12]，其最大特征是圖數(shù)合一，即模圖與數(shù)據(jù)是統(tǒng)一的，在數(shù)字化具體實(shí)施過程中，主要利用這些關(guān)鍵特性開展工作，實(shí)施流程如圖1所示。

　　圖1 數(shù)字化實(shí)施流程

　　首先，搜集各井筒開鑿施工圖、凍結(jié)孔與測(cè)溫孔的測(cè)斜數(shù)據(jù)等資料，包括，然后基于特定規(guī)則對(duì)測(cè)斜資料進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理；其次，根據(jù)各井筒開鑿施工圖進(jìn)行井壁結(jié)構(gòu)建模，并利用鉆孔參數(shù)化工具依托標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)進(jìn)行凍結(jié)孔與測(cè)溫孔的信息建模，建模完成后對(duì)所有模型進(jìn)行組裝，對(duì)于鉆孔模型的要求是鉆孔需要放到以各自編號(hào)命名的圖層中；然后，以井口標(biāo)高為基準(zhǔn)，每間隔固定深度設(shè)置一個(gè)水平切面，將每一個(gè)水平切面依次與組裝模型進(jìn)行交集運(yùn)算，據(jù)此可得出各水平剖切面上的切分元素，包括井壁輪廓線以及鉆孔輪廓線；最后，依次計(jì)算各鉆孔中心點(diǎn)的方位角（以正北方向?yàn)槠鹗驾S，沿順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)為正）以及與井壁外邊緣的凈距離，將距離井壁外邊緣最近的5個(gè)鉆孔在圖上進(jìn)行標(biāo)識(shí)，標(biāo)識(shí)內(nèi)容包括鉆孔編號(hào)、鉆孔方位角以及距井壁外邊緣的距離，同時(shí)還對(duì)相鄰鉆孔的成孔間距進(jìn)行了自動(dòng)化計(jì)算與標(biāo)識(shí)，最后將各水平的細(xì)分剖切圖分發(fā)給現(xiàn)場(chǎng)施工人員，用以輔助施工過程決策。

　　3 具體應(yīng)用

　　鉆孔測(cè)斜資料經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)見表2，數(shù)字化實(shí)施依托Bentley平臺(tái)的MicroStation軟件，MicroStation是Bentley軟件系統(tǒng)有限公司為用戶提供二三維設(shè)計(jì)服務(wù)的基礎(chǔ)平臺(tái)[13-14]，鉆孔參數(shù)化建模及井筒剖切出圖是以C#方式開發(fā)工具實(shí)現(xiàn)，用戶交互界面分別如圖2、圖3所示。

　　表2 鉆孔測(cè)斜標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)樣表（以主立井為例）

　　在圖2中，首先需要填入或拾取井筒中心坐標(biāo)，確認(rèn)后，再選擇表2所示樣式的數(shù)據(jù)表即可實(shí)現(xiàn)鉆孔模型在數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模式下的自動(dòng)化創(chuàng)建。

　　圖2 鉆孔建模工具

　　主、副、風(fēng)井井筒與鉆孔的組裝模型如圖3所示，圖中的彈出框分別為井壁結(jié)構(gòu)與鉆孔模型所附帶的自定義屬性信息，相應(yīng)的工程屬性結(jié)構(gòu)如表3所示。

　　表3 自定義屬性結(jié)構(gòu)序號(hào)

　　（a）主立井軸側(cè)

　　（b）主立井俯視

　　（c）副立井俯視

　　（d）中央回風(fēng)立井軸側(cè)

　　圖3 組裝模型

　　以組裝模型為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，可以實(shí)現(xiàn)水平切面圖的一鍵輸出，用戶交互界面如圖4所示。

　　圖4 剖切出圖工具

　　根據(jù)上圖所示，首先拾取井筒中心坐標(biāo)，據(jù)此確定水平切面的起始高度，通過輸入的終止標(biāo)高與間隔高度，可以確定水平剖面的總個(gè)數(shù)，同時(shí)也代表輸出剖切圖的總個(gè)數(shù)，根據(jù)前面所述流程，通過依次進(jìn)行水平切面與已有模型對(duì)象間的數(shù)學(xué)運(yùn)算，可依次獲取各水平面上的圖形輪廓線，再配合標(biāo)準(zhǔn)圖框，即可快速成圖，成圖效果如圖5所示，其中位于凍結(jié)孔右側(cè)的標(biāo)識(shí)參數(shù)分別是凍結(jié)孔編號(hào)、距離井壁外邊緣的直線距離以及以正北方向?yàn)槠鹗驾S、沿順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)為正向的方位角，凍結(jié)孔左側(cè)的標(biāo)識(shí)參數(shù)為當(dāng)前孔與下一個(gè)孔之間的中心直線距離（沿順時(shí)針方向）。

　　圖5 成圖效果

　　根據(jù)圖5所示，能夠很便捷的查看某水平下的所有鉆孔布置情況以及距井壁外邊緣較近的鉆孔布置詳情，現(xiàn)場(chǎng)施工人員以此圖為依據(jù)，在基巖段或壁座采取放炮作業(yè)情況下，可通過控制周邊眼與凍結(jié)管的方位和距離的措施保護(hù)凍結(jié)孔，以及在確需施工錨桿情況下，可通過控制錨桿長度和施工位置的措施，從而避免打穿凍結(jié)管影響凍結(jié)情況，因此，本技術(shù)方案對(duì)防止凍結(jié)區(qū)域的破壞起到了較好的輔助作用。經(jīng)測(cè)算，單張圖紙輸出的時(shí)間約為125毫秒，BIM技術(shù)的融入在實(shí)現(xiàn)技術(shù)性變革的同時(shí)，有效提升了出圖效能[15]。

　　4 結(jié)語

　　在煤炭行業(yè)，凍結(jié)井筒掘砌施工的安全防護(hù)問題一直是行業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。本文以凍結(jié)井筒的掘砌施工為應(yīng)用場(chǎng)景，針對(duì)凍結(jié)鉆孔的安全防護(hù)問題，引入基于BIM設(shè)計(jì)的數(shù)字化技術(shù)，通過在MicroStation平臺(tái)下構(gòu)建的建模與剖切工具，實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化鉆孔的快速建模與組裝模型的一鍵出圖，輸出成果經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)施工人員驗(yàn)證，在一定程度上提升了現(xiàn)場(chǎng)施工的安全保障能力，具備較好的指導(dǎo)意義，同時(shí)，該項(xiàng)技術(shù)的具體實(shí)施經(jīng)驗(yàn)，也間接證明了數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)在施工階段進(jìn)行多維度應(yīng)用的可行性[16-17]，對(duì)于今后在其他應(yīng)用場(chǎng)景的外延與推廣具有較為深遠(yuǎn)的影響。

　　今后，數(shù)字化技術(shù)必將深度融入煤炭行業(yè)各個(gè)環(huán)節(jié)，從設(shè)計(jì)到施工建管再到竣工移交直至生產(chǎn)全過程實(shí)現(xiàn)數(shù)字賦能。通過全流程數(shù)據(jù)互聯(lián)，拓展“數(shù)字煤炭”應(yīng)用廣度，增強(qiáng)行業(yè)數(shù)字化應(yīng)用深度，在煤炭行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵時(shí)期，企業(yè)應(yīng)當(dāng)著重挖掘數(shù)據(jù)潛力，以數(shù)字驅(qū)動(dòng)為核心的技術(shù)支撐全產(chǎn)業(yè)鏈的業(yè)務(wù)數(shù)字化過程，推動(dòng)行業(yè)向知識(shí)與技術(shù)密集型轉(zhuǎn)變[9,18-20]。（何利輝 鄭永博 張瀝予）

　(中煤科工集團(tuán)北京華宇工程有限公司 中國北京 100120)

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   （何利輝 鄭永博 張瀝予）(中煤科工集團(tuán)北京華宇工程有限公司 中國北京 100120)