摘 要：在凍結井筒的鉆爆及支護施工過程中，為了防止炮眼布置及錨桿支護對凍結孔的破壞，利用BIM技術對采用凍結鑿井法的井筒及周邊環境對象進行了數字化建模、可視化呈現及數據化表達，經現場施工作業驗證，輸出成果對于井筒的掘砌施工具有較好的指導作用，增強了井筒凍結效果的安全保障，間接提升了施工現場的安全性，對于同等條件下的井筒凍結法施工具備較好的參考意義。
關鍵詞：數字化設計; BIM; 凍結鑿井法; 井筒凍結法; 井筒掘砌; 凍結孔;
中圖分類號：TD262 文獻標識碼：A 文章編號：
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
井筒凍結法在我國煤礦的應用較為廣泛，主要用于松軟地層、含水巖層和沖積層等復雜地層或特殊地質條件下的井筒施工[1-2]，本方法是在地下工程建設中，用于通過含水層或不穩定地層的一種特殊技術[3]，該技術通過人工制冷手段，將井筒周圍土層中的水分凍結，構建出臨時性的凍結土壁，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穩固的作業環境[4-5]。在凍結井筒掘砌施工中，一般采用風鎬或鉆爆法施工，在凍結孔偏斜較大情況下，若距離井壁邊緣較近，掘砌或爆破過程可能會破壞凍結孔及凍結區域，若使用錨桿支護情況下，錨桿的支護角度與支護長度也可能會對凍結孔造成影響，這些情形均會影響凍結效果，嚴重情況還可能導致井筒施工安全事故[6-7]。為了避免或降低這種安全隱患，輔助施工人員進行現場決策，我們引入基于BIM技術的數字化設計技術。
作為一種通用性技術，BIM應用最初是為解決設計過程的三維可視化與錯漏碰缺問題[8]，歷經多年發展，廣泛應用于民建、水電、能源等行業，當前應用鏈正逐步向施工、運維等階段過渡[9]。在煤炭行業，BIM技術與工程基建相結合的應用案例也越來越多：中煤能源集團研發的“基于BIM的凍結法施工安全管理系統”在彬長礦區胡家河煤礦進行了示范應用，廈門大學提出的集成BIM與IOT技術的凍結法施工實時控制系統[10]，利用BIM的可視化特性完成了施工狀態和空間信息的動態呈現。
本文在綜合已有成果基礎之上，結合BIM自身優勢特性，著力解決凍結井筒掘砌過程中的凍結孔安全防護問題，本項技術的應用實踐將為相似條件下的井筒施工中凍結孔的防護拓展一種新的思路，具備一定的啟發價值。
1 工程背景
本技術的應用示范點為陜西投資集團趙石畔礦業，趙石畔井田位于陜西省榆橫礦區南區，行政區劃隸屬陜西省橫山區城關鎮、雷龍灣鎮，靖邊縣黃蒿界鎮等管轄。趙石畔煤礦項目是陜投集團重點規劃建設項目，是國家批準建設的榆橫-濰坊1000千伏特高壓輸電工程配套電源點趙石畔煤電一體化項目的配套礦井，設計生產能力600萬噸/年，服務年限為71.7年，將于2025年12月投運。
趙石畔礦井采用立井單水平開拓方式、中央并列式通風，布置三條井筒，井筒區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0.2249～0.5743 m/d，富水性中等，三條井筒均采用凍結法施工，根據區內地層沉積狀況，井筒圍巖由各粒級砂巖、粉砂巖、泥巖組成，巖性變化較大，巖體以層狀～薄層狀結構為主，具各向異性，整體強度較低。
井筒設計特征如表1所示。
表1 井筒設計特征序號
2 數字化實施流程
BIM技術具備可視化、信息集成化、關聯性、協同性、模擬性等特征[11-12]，其最大特征是圖數合一，即模圖與數據是統一的，在數字化具體實施過程中，主要利用這些關鍵特性開展工作，實施流程如圖1所示。
圖1 數字化實施流程
首先，搜集各井筒開鑿施工圖、凍結孔與測溫孔的測斜數據等資料，包括，然后基于特定規則對測斜資料進行數據標準化處理；其次，根據各井筒開鑿施工圖進行井壁結構建模，并利用鉆孔參數化工具依托標準化數據進行凍結孔與測溫孔的信息建模，建模完成后對所有模型進行組裝，對于鉆孔模型的要求是鉆孔需要放到以各自編號命名的圖層中；然后，以井口標高為基準，每間隔固定深度設置一個水平切面，將每一個水平切面依次與組裝模型進行交集運算，據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，依次計算各鉆孔中心點的方位角（以正北方向為起始軸，沿順時針方向旋轉為正）以及與井壁外邊緣的凈距離，將距離井壁外邊緣最近的5個鉆孔在圖上進行標識，標識內容包括鉆孔編號、鉆孔方位角以及距井壁外邊緣的距離，同時還對相鄰鉆孔的成孔間距進行了自動化計算與標識，最后將各水平的細分剖切圖分發給現場施工人員，用以輔助施工過程決策。
3 具體應用
鉆孔測斜資料經標準化后的數據見表2，數字化實施依托Bentley平臺的MicroStation軟件，MicroStation是Bentley軟件系統有限公司為用戶提供二三維設計服務的基礎平臺[13-14]，鉆孔參數化建模及井筒剖切出圖是以C#方式開發工具實現，用戶交互界面分別如圖2、圖3所示。
表2 鉆孔測斜標準化數據樣表（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，確認后，再選擇表2所示樣式的數據表即可實現鉆孔模型在數據驅動模式下的自動化創建。
圖2 鉆孔建模工具
主、副、風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構與鉆孔模型所附帶的自定義屬性信息，相應的工程屬性結構如表3所示。
表3 自定義屬性結構序號
?。╝）主立井軸側
?。╞）主立井俯視
?。╟）副立井俯視
（d）中央回風立井軸側
圖3 組裝模型
以組裝模型為數據基礎，可以實現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
根據上圖所示，首先拾取井筒中心坐標，據此確定水平切面的起始高度，通過輸入的終止標高與間隔高度，可以確定水平剖面的總個數，同時也代表輸出剖切圖的總個數，根據前面所述流程，通過依次進行水平切面與已有模型對象間的數學運算，可依次獲取各水平面上的圖形輪廓線，再配合標準圖框，即可快速成圖，成圖效果如圖5所示，其中位于凍結孔右側的標識參數分別是凍結孔編號、距離井壁外邊緣的直線距離以及以正北方向為起始軸、沿順時針方向旋轉為正向的方位角，凍結孔左側的標識參數為當前孔與下一個孔之間的中心直線距離（沿順時針方向）。
圖5 成圖效果
根據圖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，現場施工人員以此圖為依據，在基巖段或壁座采取放炮作業情況下，可通過控制周邊眼與凍結管的方位和距離的措施保護凍結孔，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，從而避免打穿凍結管影響凍結情況，因此，本技術方案對防止凍結區域的破壞起到了較好的輔助作用。經測算，單張圖紙輸出的時間約為125毫秒，BIM技術的融入在實現技術性變革的同時，有效提升了出圖效能[15]。
4 結語
在煤炭行業，凍結井筒掘砌施工的安全防護問題一直是行業關注的焦點。本文以凍結井筒的掘砌施工為應用場景，針對凍結鉆孔的安全防護問題，引入基于BIM設計的數字化技術，通過在MicroStation平臺下構建的建模與剖切工具，實現了標準化鉆孔的快速建模與組裝模型的一鍵出圖，輸出成果經現場施工人員驗證，在一定程度上提升了現場施工的安全保障能力，具備較好的指導意義，同時，該項技術的具體實施經驗，也間接證明了數字化設計技術在施工階段進行多維度應用的可行性[16-17]，對于今后在其他應用場景的外延與推廣具有較為深遠的影響。
今后，數字化技術必將深度融入煤炭行業各個環節，從設計到施工建管再到竣工移交直至生產全過程實現數字賦能。通過全流程數據互聯，拓展“數字煤炭”應用廣度，增強行業數字化應用深度，在煤炭行業數字化轉型的關鍵時期，企業應當著重挖掘數據潛力，以數字驅動為核心的技術支撐全產業鏈的業務數字化過程，推動行業向知識與技術密集型轉變[9,18-20]。（何利輝 鄭永博 張瀝予）
(中煤科工集團北京華宇工程有限公司 中國北京 100120)
參考文獻
[1] 姜波,胡向東,吳滔.人工地層凍結信息化施工工法簡述[J].西部探礦工程,2005,(S1):3-4.
[2] 王建平,劉偉民,王恒.我國人工地層凍結技術的現狀與發展[J].建井技術，2019，40(4)：1-4,25.
[3] 肖瑞玲.立井施工技術發展綜述[J].煤炭科學技術，2015，43(8):13-17,22.
[4] 譚杰,劉志強,宋朝陽,等.我國礦山豎井鑿井技術現狀與發展趨勢[J].金屬礦山，2021(5):13-24.
[5] 陳湘生,王恒,宋朝陽,等.凍結立井井筒機械化掘進現狀及發展趨勢[J].煤炭科學技術,2024,52(09):1-17.
[6] 王建合,劉化偉,陳成宇,等.立井井筒信息化凍結施工實踐[J].建井技術,2007,(06):13-15.
[7] 陳朝暉.凍結鑿井技術研究進展與存在的問題[J].建井技術,2007,(03):28-31.
[8] 何利輝.BIM技術在煤礦巷道設計中的應用研究[J].煤炭工程,2021,53(07):18-20.
[9] 孫晶,何利輝,石新紅.新“四化”礦山建設助力煤炭新質生產力騰飛[J].煤炭工程,2024,56(10):172-177.
[10] 胡文強,周紅,胡華.集成BIM與IOT技術凍結法施工實時控制系統設計[J].建井技術,2018,39(06):56-60.
[11] 王君.探討BIM技術在智慧礦山建設中的應用[J].中小企業管理與科技(下旬刊),2020,(02):181-182.
[12] 何利輝.基于MicroStation的礦山設計二次開發技術探討[J].內蒙古煤炭經濟,2016,(10):107-108,124.
[13] 孫立城.基于MicroStation和FME的礦測“一張圖”數據同步技術[J].山東煤炭科技,2021,39(03):173-176.
[14] 李志平.MicroStation軟件在井巷工程三維設計中的應用[J].有色冶金設計與研究,2012,33(05):4-5,9.
[15] 肖鑫,唐孟,焦震宇,等.從數字化設計到數字化交付——數字化創新應用如何為工程建設提質增效[J].冶金自動化,2024,48(S01):65-70.
[16] 汪小東.土耳其某礦山豎井三維設計的應用[J].中國礦山工程,2024,53(2):24-30.
[17] 陳峰.渦北煤礦深厚表土凍結法鑿井信息化施工管理研究[D].安徽理工大學,2015.
[18] 張愛琳,劉巧靈,王琨.BIM技術在工程項目施工進度管理中的應用[J].工程建設,2020,52(03):70-72,78.
[19] 張建平,范喆,王陽利,等.基于4D-BIM的施工資源動態管理與成本實時監控[J].施工技術,2011,40(04):37-40.
[20] 和曉楠,周曉敏,季維偉.建筑信息模型在凍結鑿井施工的關鍵應用[J].科學技術與工程,2020,20(4):1302-1310.
（何利輝 鄭永博 張瀝予）(中煤科工集團北京華宇工程有限公司 中國北京 100120)
