智能化矿山建设背景下三维模型在金属矿山开采设计中的应用实践与深化方向
姜 峰、褚瑞豪
中钢集团工程设计研究院石家庄设计院
摘 要： 三维地质模型在金属矿山开采设计中的应用已由地质信息三维表达逐步向具体设计环节延伸。本文从设计单位工作角度出发，分析三维模型参与开采设计的实际应用方式。文章首先介绍了三维模型在矿山设计中的构建基础及其支撑设计分析的基本能力；其次以露天开采设计为例，详细阐述了基于三维模型的方案分析、工程设计深化及迭代校核过程；在此基础上，总结了三维模型参与设计后工作方式的变化，包括从图纸表达向空间关系分析、从单项成果向关联影响分析、从成果修改向迭代校核的转变；进而分析了当前三维设计尚未全面融入设计流程的现实制约；最后提出了设计单位深化三维设计应用的方向。研究表明，三维模型正在由设计基础资料逐步转变为设计过程的工作载体，其应用深化需要在现有专业分工和管理框架基础上逐步推进，为矿山设计适应智能化建设要求提供数据支撑。
关键词： 三维地质建模；矿山设计；露天开采；智能化矿山；设计流程
1 引言
矿业行业正在推进数字化和智能化建设，数据资源和数字技术在矿山生产建设各环节的应用逐步扩展。智能化矿山建设涉及采矿装备自动化、生产过程智能控制和综合信息管理，也对矿山设计阶段的数据基础、设计方法和成果表达方式提出了新要求。矿山设计是连接资源条件与工程实施的关键环节，需要适应数字化技术发展趋势，探索满足智能化建设要求的设计工作模式。
《金属非金属矿山智能化建设指南（2025年版）》[1]提出，应加强矿山地质信息数字化管理，建立地质信息数据库，构建三维透明地质模型，并依托地质模型数据在三维可视化环境下开展开采设计。三维模型既是矿山地质信息数字化表达的基础，也是智能化建设向设计环节延伸的载体。
智能化矿山建设对数据基础的要求正在从生产现场向设计阶段延伸。矿山设计阶段形成的三维模型，其所包含的矿体空间形态、资源赋存特征和工程设计对象等信息，不仅是设计过程的分析基础，也是后续采矿生产、安全监控等环节的空间数据来源。三维模型的数据质量，直接影响后续数字化应用的效果。如何在设计阶段形成可靠的三维模型，并使其有效参与设计分析过程，是设计单位在智能化建设背景下需要面对的基础性问题。
近年来，三维地质建模技术在金属矿山设计中的应用逐步增多。李青元等[2]对国内三维地质建模的应用现状进行了系统梳理，指出该技术在油气勘探领域应用程度最高，有色金属矿山次之，煤炭行业仅少数大型企业开展，普通地质勘探队基本处于空白或起步阶段。基于三维建模软件，设计单位已能够开展矿体空间表达、资源储量计算、分层算量、露天境界分析和道路设计等工作。但从实际工作情况看，三维模型进入设计流程仍处于逐步深化阶段，不同专业和设计环节的应用程度存在差异。
目前，三维建模技术的研究多集中于模型建立方法、软件应用和特定功能实现等方面。从设计单位实际工作流程出发，分析三维模型参与开采设计过程、对设计工作方式产生的影响及应用中存在制约的研究相对较少[2]。
本文结合金属非金属矿山开采设计实践，从设计单位工作角度出发，分析三维模型参与开采设计的应用方式。文章不讨论三维建模技术本身的先进性，也不涉及矿山生产现场的智能调度和无人化作业，主要围绕设计单位内部三维设计应用过程，分析三维模型在地质信息表达、资源储量计算、空间设计分析和方案调整中的实际作用，总结其对设计工作方式带来的变化，探讨当前三维设计尚未全面融入各设计环节的原因及后续深化方向。
2 三维模型参与开采设计的应用基础
三维模型参与矿山开采设计，以地质数据数字化组织为基础，通过模型对矿体空间特征和属性信息的综合表达，为设计分析提供数据支撑。随着三维建模技术在矿山设计中的应用不断深入，模型的作用已从地质信息展示和空间表达，逐步向资源量分析、空间关系分析和方案辅助判断等方面延伸。
2.1 面向开采设计的三维模型构建基础
矿山设计阶段的三维模型构建，首先需要整理地质资料并完成数据组织。根据地质编写单位提供的地质资料，设计人员可建立钻孔数据库、样品数据库等基础数据，作为后续建模的输入。
在数据组织基础上，通过对地质信息做空间化处理，建立矿体实体模型和块体模型。矿体实体模型用于表达矿体空间形态、分布范围和与周边地质体的空间关系，是设计人员认识矿体赋存条件的基础。块体模型通过空间离散方式描述矿体内部属性，品位等参数作为块体模型的重要属性，用于反映矿体内部资源赋存特征。
相比传统二维地质图件，三维模型将分散于不同剖面、平面图中的地质信息整合到同一个空间环境里，使设计人员能够从整体角度判断矿体形态及其与地形、工程布置之间的关系。模型中的空间数据和属性数据为后续资源量分析、设计方案比较和工程布置提供了基础。
三维模型不是对传统地质资料的替代，而是在已有资料基础上做数字化组织和空间化表达，目的是将分散信息转化为可参与设计分析的数据。
2.2 三维模型支撑设计分析的基本能力
三维模型进入开采设计过程，在于其同时承载空间信息和属性信息，并能支撑设计人员开展相关分析。
第一，三维模型可支撑资源量复核和统计分析。矿山设计过程中，开采范围、台阶划分、分层方式等条件会发生变化，对应范围内的矿体资源量也会随之变化。基于矿体实体模型、块体模型及属性信息，设计人员可以按设计范围做资源量统计、分层统计以及不同设计条件下的数据分析。
第二，三维模型可支撑设计对象之间的空间关系分析。露天开采涉及矿体、境界、台阶、道路等多个空间对象，这些对象之间存在空间关联。传统二维设计中，相关位置关系需要通过不同平面图、剖面图之间的对照来判断。三维模型将不同设计对象放在统一空间环境中，设计人员可以直接查看对象之间的位置关系。
第三，三维模型可支撑不同设计方案的比较和调整。方案研究过程中，设计人员可以基于同一模型，对不同方案做空间分析和数据统计，比较方案与矿体赋存条件之间的匹配程度，根据分析结果调整方案。
三维模型的价值在于把空间信息、属性信息和设计对象联系起来，为开采设计提供一个相对统一的数据环境。
2.3 三维模型在露天开采设计中的应用基础
露天开采设计是三维模型应用相对深入的领域，这与露天矿山设计对象的空间关联性强有关。露天开采涉及矿体、地形、开采境界、台阶、运输道路等多个对象，设计过程本身具有空间分析需求。李青元等[2]指出，三维地质建模技术具有精准储量计算、平剖面联动修改、三维空间分析等能力，这为露天开采设计中涉及多对象空间关联的分析工作提供了条件。
在露天境界设计中，三维模型可以结合矿体空间分布、块体属性信息和设计参数，为境界方案分析提供基础。在台阶和道路设计中，三维模型把设计对象与矿体、地形和境界放在同一环境中表达，设计人员可以在模型环境下划分台阶、布置道路、分析空间关系。
从实际应用情况看，露天采矿设计已逐步形成基于三维模型做空间分析和设计调整的工作方式。模型在其中的作用不只是展示设计成果，而是为方案分析、空间判断和成果校核提供支撑。
3 三维模型参与露天开采设计的实际过程
三维模型进入露天开采设计后，不替代专业设计过程，而是在地质资料和专业设计要求基础上，为设计人员提供统一的空间分析环境。实际设计过程中，采矿设计基于经过相关专业确认的同一个三维模型开展后续工作。
3.1 基于三维模型的方案分析
露天开采设计首先需要根据矿体赋存条件和设计要求，对开采范围和总体方案进行分析。何龙飞[3]基于3DMine软件建立了矿体实体模型和经济模型，通过LG图论法进行了露天开采境界圈定，证明了三维模型在境界方案分析中的可行性。设计人员基于已建立并确认的三维模型，输入矿体实体模型、块体模型及设计参数，利用模型开展初步境界分析，形成多个方案进行比较。
该阶段的境界分析主要用于方案研究和方向判断。通常设置2～3个不同底标高或境界范围的方案，分析各方案条件下的开采范围、资源利用情况、剥采比及工程条件。方案阶段以方向判断为主，采用的参数相对粗略，分析结果主要用于比较各方案的合理性，不作为最终工程设计成果。
确定总体方案后，设计人员进一步基于选定方案开展详细设计。此时三维模型从方案分析阶段的数据基础，转换为具体工程设计的工作基础。
3.2 基于模型的工程设计深化
方案选定后，需要开展境界、台阶、道路等工程设计工作。该阶段的主要特点是按照专业设计要求，在三维模型上对具体设计对象进行空间布置和调整。
在境界设计中，设计人员根据方案确定的底标高和边坡参数，在三维模型上布置境界线，并检查境界范围与矿体赋存条件的匹配关系。相对于方案阶段采用的概略参数，该阶段的边坡角、平台宽度等参数均按规范要求取值。
在台阶设计中，设计人员依据矿山开采要求确定台阶高度和平台宽度，结合矿体、境界和地形条件划分台阶，并在三维模型中对每层台阶的空间位置进行校核。台阶与境界的空间关系直接影响开采作业条件，通过三维模型可以直观查看各台阶是否在境界范围内。
在道路设计中，设计人员根据道路等级和运输设备参数确定道路宽度、最大纵坡和最小转弯半径，在三维环境中布置道路位置和走向，并结合台阶、境界和地形条件进行空间校核。三维模型为这类多因素空间判断提供了直观条件。
3.3 基于模型的设计校核与迭代调整
露天开采设计方案形成后，需要经过专业审查和进一步调整。由于境界、台阶、道路等设计对象之间存在相互影响，修改某一项内容常导致其他内容需要相应调整。
在调整过程中，设计人员依托三维模型对修改后的设计方案进行空间检查。具体包括：修改境界线后，检查新境界范围内是否包含原方案确定的可采矿量；调整台阶位置或道路走向后，重新统计该范围内的矿石量是否满足出矿要求；对局部修改区域做分层统计分析，判断变化是否在可接受范围内。
通过模型分析和统计功能，设计人员判断调整后的方案是否满足设计要求，并根据分析结果继续优化。经过多轮修改、审查和校核，最终形成满足设计要求的方案成果。
4 三维模型参与设计后工作方式的变化
三维模型进入开采设计流程后，其影响不只是增加了一种表达方式，更重要的是改变了设计人员组织信息、分析问题和调整方案的工作方式。传统设计主要依靠平面图、剖面图等成果进行表达和校核，三维模型将矿体信息、设计对象和分析数据统一在同一个空间环境里。
4.1 从图纸表达向空间关系分析转变
传统矿山设计成果主要通过平面图、剖面图表达。设计人员需要对照不同图件之间的对应关系，判断矿体、境界、台阶、道路等对象的位置关系。这种表达方式对复杂空间关系的分析，需要依赖设计人员自身的空间理解能力。
三维模型参与设计后，矿体、境界、台阶、道路等对象在同一空间环境中表达。设计人员需要关注的侧重点，从检查图面表达是否满足要求，逐步转向分析不同设计对象之间的空间关系。以露天境界设计为例，设计人员不仅确定境界线位置，还需要结合矿体赋存条件判断境界范围是否合理。
二维图纸仍然是设计成果的表达形式。三维模型不替代二维成果，而是在设计过程中增加了一种空间分析手段。
4.2 从单项成果设计向关联影响分析转变
传统设计中，不同设计内容以相对独立的成果形式表达。设计人员需要在不同图件之间传递信息和人工校核，判断各设计内容之间的协调性。
三维模型将矿体、境界、台阶、道路等设计对象组织在同一环境中，设计人员可以在进行单项设计时，同步分析该设计对其他对象的影响。例如，境界调整后，可以同步查看对台阶布置的影响及资源利用变化；道路位置调整后，可以检查其与台阶连接条件的匹配情况。
模型在这一过程中成为不同设计内容之间联系的载体。设计人员关注的焦点，从单个成果是否满足要求，逐步转向各设计对象之间是否协调。
4.3 从成果修改向模型基础上的迭代校核转变
矿山开采设计通常需要多轮方案调整和专业审查，设计成果不是一次形成的。传统二维设计条件下，某一设计条件发生变化时，需要设计人员手动检查相关图件，逐一核对受影响的内容。
三维模型参与设计后，设计调整过程转为围绕模型展开的迭代校核。当境界、台阶或道路等内容修改后，设计人员基于更新后的模型重新分析相关空间关系，并结合统计结果判断调整是否满足要求。通过反复调整和校核，设计过程从修改成果文件，转变为围绕模型进行空间分析和方案验证。
这种迭代方式提高了设计调整过程的连续性，但前提是设计对象的修改能及时反映在模型环境中，使每次调整后的分析有据可依。
4.4 对设计人员能力要求的变化
三维模型参与设计后，设计人员的工作内容不仅包括传统专业设计，还需要具备基于模型开展空间分析和判断的能力。
传统设计中，设计人员主要依据二维图件完成方案分析和成果校核。三维设计环境下，设计人员需要能够理解模型表达的信息，掌握利用模型分析空间关系的方法，并根据分析结果调整方案。以露天设计为例，设计人员不仅要掌握专业设计要求，还需要能够在三维环境下判断设计方案与矿体、地形之间的匹配关系。
因此，三维模型应用的深化，不仅依赖软件工具，更依赖设计人员专业能力与三维设计能力的结合。
5 三维设计尚未全面融入设计流程的现实制约
三维模型已经在部分矿山设计项目中得到实际应用，但从设计单位整体工作流程来看，其应用仍主要集中于地质信息核对与分析和露天采矿设计，尚未全面覆盖各专业和各设计阶段。
5.1 不同设计环节的应用深度存在差异
当前三维设计应用主要集中于地质专业和露天采矿设计。地质专业通过三维模型开展矿体空间认识、资源量计算和相关分析，露天采矿设计则利用模型开展境界、台阶和道路等空间设计。李青元等[2]指出，三维地质建模在油气勘探领域应用程度最高，有色金属矿山次之，煤炭行业仅少数大型企业开展，普通地质勘探队基本处于空白或起步阶段。这一行业间的应用差异表明，不同专业和设计环节对三维模型的利用程度存在明显不同，三维设计在设计单位内部仍处于逐步扩大应用范围的阶段。
相比之下，地下采矿设计目前主要利用三维模型认识矿体空间形态，三维工程布置尚未充分展开。井建、矿机等专业基本尚未进入三维设计流程。不同设计工作的对象、计算方法和成果形式不同，对三维模型的依赖程度也不相同。
如何结合不同专业的设计特点，使三维模型进一步进入更多设计环节，是后续深化应用需要解决的问题。
5.2 模型信息在设计分析中的利用深度不足
目前建立的矿体实体模型、块体模型及其属性信息，已经能够支撑资源量统计、分层算量和部分方案分析。但从模型信息的利用方式来看，其应用仍主要集中在空间表达层面，具体的计算、判断和方案决策仍需设计人员结合专业设计方法完成。
例如，露天境界设计已能基于三维模型进行空间分析和方案比较，但模型信息与设计计算之间的直接关联尚未建立，设计参数的确定仍以人工输入为主。李青元等[2]指出，三维地质建模约束条件严苛、编辑工作量大、软件操作复杂，这些因素导致基层设计人员往往难以深入利用模型信息进行设计分析，模型的实际作用仍以空间表达为主。三维模型目前发挥的主要作用是"看得更清楚、量得更准确"，还没有从空间表达阶段进入设计计算与方案分析深度融合的阶段。
5.3 三维设计流程与传统设计管理方式仍需融合
三维模型进入设计过程后，设计人员的工作方式已经发生变化，但与之配套的设计管理方式尚未同步调整。
目前，设计单位内部尚未形成三维模型参与设计的明确规范。三维模型是否满足设计要求，主要依靠地质专业人员核对确认，核对通过后即可用于后续设计工作。但模型的成果表达、校审方式、数据管理等方面，尚未形成明确的制度要求。模型作为设计依据的使用条件、校审人如何审查模型成果的合理性、模型成果如何归档和共享等问题，主要依靠项目组自行把握。
此外，三维模型在不同软件平台之间的数据交换、模型与设计计算工具之间的接口等方面也存在进一步完善的空间。
因此，三维模型如何与现有专业分工、设计校审及成果管理方式进一步衔接，是三维设计由项目实践向常规设计方式转变过程中需要解决的问题。
6 三维设计深化应用方向
三维模型已经在部分矿山设计环节形成实际应用基础。下一步深化应用的重点不在于扩大模型规模，而在于结合设计业务特点，逐步提高模型参与设计的广度和深度。
6.1 从单一设计环节向更多设计环节延伸
当前三维模型在地质信息核对与分析和露天采矿设计等环节应用相对深入。后续可在已有应用基础上，根据不同专业的业务特点和实际需求，逐步扩大三维模型的应用范围。
对于采矿设计，可在露天开采已有应用基础上，进一步探索三维模型在地下开采工程布置中的应用。对于其他设计专业，也可结合其设计对象和空间特征，研究适合三维模型参与的应用场景。
这一过程不宜简单要求所有专业同步推进，而应根据不同专业的需求和应用基础，对具备条件的环节优先完善，对尚处探索阶段的环节通过具体项目逐步积累经验。
6.2 从模型应用向设计分析深化
目前三维模型已能支撑资源量统计、分层算量、境界分析和空间关系判断。进一步深化应用，需要提高模型信息在设计分析中的利用程度。
一方面，可继续深化模型在资源量统计、方案比较和空间分析等已有应用中的作用。另一方面，可结合不同设计环节的需求，逐步探索模型信息与专业设计分析之间更直接的数据联系。
这种深化不意味着模型替代专业设计判断，而是在专业设计要求基础上，使模型提供的数据更直接地服务于设计分析，推动三维模型从"能够使用"向"用得充分"转变。
6.3 逐步建立三维设计工作流程与管理要求
三维模型从项目实践进一步成为常规工作方式，还需要与现有设计流程和管理方式逐步融合。
在流程层面，应结合不同设计阶段明确三维模型的应用内容和基本要求，逐步形成从地质资料整理、模型建立与专业确认，到设计使用、校核调整和成果形成的基本工作流程。在管理层面，应根据项目经验逐步明确模型在设计依据、专业校核和成果表达中的使用方式。
通过项目实践不断总结和完善相关要求，逐步形成适合设计单位业务特点的三维设计工作模式。
6.4 分阶段推进三维设计应用
三维设计涉及不同专业和设计阶段，不宜以一次性全面覆盖为目标。更现实的方式是立足已有基础，按成熟程度分阶段推进。
第一阶段，继续深化已形成实际应用的地质和露天采矿环节，提高现有模型应用的规范性和稳定性。第二阶段，逐步拓展三维模型在其他设计环节的应用。第三阶段，在前两阶段基础上系统性地建立与设计流程相适应的三维设计工作规范。
通过这种由成熟环节向相邻环节拓展、由项目实践向工作流程规范的方式，使三维模型在设计单位内部逐步由局部应用转变为常规设计方式。
7 结语
三维模型在金属、非金属矿山开采设计中的应用，正在由地质信息的三维表达和单项分析，逐步向具体设计过程延伸。当前设计实践表明，三维模型已经能够参与资源量统计、分层算量、露天境界分析以及台阶、道路等空间设计，并在方案分析、工程设计和设计调整过程中发挥作用。其作用已由设计基础资料，逐步向设计过程中的工作载体转变。
从实际应用情况看，三维设计尚未全面融入各设计环节。不同设计环节的应用深度存在差异，模型信息在设计分析中的利用仍有深化空间，三维设计的工作流程和管理要求也需要进一步完善。基于当前应用现状，三维设计不宜简单追求全面覆盖，而应立足已有实践基础，结合不同专业和设计阶段的实际需求，逐步扩大应用范围、深化模型参与设计分析的程度，并在项目实践中逐步建立相应的工作流程与管理要求。
三维模型的应用深化，不是另建一套设计体系，而是基于已有专业分工和管理框架逐步融入。随着三维模型在更多设计环节中发挥作用，其作为设计数据基础和工作载体的角色将进一步明确，为矿山设计适应数字化、智能化建设要求提供更可靠的数据支撑。
参考文献
[1] 国家矿山安全监察局. 金属非金属矿山智能化建设指南（2025年版）[S]. 2025.
[2] 李青元, 张洛宜, 曹代勇, 等. 三维地质建模的用途、现状、问题、趋势与建议[J]. 地质与勘探, 2016, 52(4): 759-767.
[3] 何龙飞. 基于3DMine软件的露天矿山开采境界圈定[J]. 黄金, 2023, 44(10): 27-29.