摘  要：在凍結井筒的鑽爆及支護施工過程中
，為了防止炮眼布置及錨杆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(ke)視(shi)化(hua)呈(cheng)現(xian)及(ji)數(shu)據(ju)化(hua)表(biao)達(da)，經(jing)現(xian)場(chang)施(shi)工(gong)作(zuo)業(ye)驗(yan)證(zheng)，輸(shu)出(chu)成(cheng)果(guo)對(dui)於(yu)井(jing)筒(tong)的(de)掘(jue)砌(qi)施(shi)工(gong)具(ju)有(you)較(jiao)好(hao)的(de)指(zhi)導(dao)作(zuo)用(yong)，增(zeng)強(qiang)了(le)井(jing)筒(tong)凍(dong)結(jie)效(xiao)果(guo)的(de)安(an)全(quan)保(bao)障(zhang)，間(jian)接(jie)提(ti)升(sheng)了(le)施(shi)工(gong)現(xian)場(chang)的(de)安(an)全(quan)性(xing)，對(dui)於(yu)同(tong)等(deng)條(tiao)件(jian)下(xia)的(de)井(jing)筒(tong)凍(dong)結(jie)法(fa)施(shi)工(gong)具(ju)備(bei)較(jiao)好(hao)的(de)參(can)考(kao)意(yi)義(yi)。

　　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，主要用於鬆軟地層、含水岩層和衝積層等複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，用於通過含水層或不穩定地層的一種特殊技術[3]，gaijishutongguorengongzhilengshouduan，jiangjingtongzhouweitucengzhongdeshuifendongjie
，goujianchulinshixingdedongjietubi
，yongyuchengshouzhouweitutiyaliyijizudangdixiashuideshentou

，weijingtongjueqitigongyigewengudezuoyehuanjing[4-5]。在(zai)凍(dong)結(jie)井(jing)筒(tong)掘(jue)砌(qi)施(shi)工(gong)中(zhong)
，一(yi)般(ban)采(cai)用(yong)風(feng)鎬(hao)或(huo)鑽(zuan)爆(bao)法(fa)施(shi)工(gong)，在(zai)凍(dong)結(jie)孔(kong)偏(pian)斜(xie)較(jiao)大(da)情(qing)況(kuang)下(xia)
，若(ruo)距(ju)離(li)井(jing)壁(bi)邊(bian)緣(yuan)較(jiao)近(jin)
，掘(jue)砌(qi)或(huo)爆(bao)破(po)過(guo)程(cheng)可(ke)能(neng)會(hui)破(po)壞(huai)凍(dong)結(jie)孔(kong)及(ji)凍(dong)結(jie)區(qu)域(yu)，若(ruo)使(shi)用(yong)錨(mao)杆(gan)支(zhi)護(hu)情(qing)況(kuang)下(xia)
，錨(mao)杆(gan)的(de)支(zhi)護(hu)角(jiao)度(du)與(yu)支(zhi)護(hu)長(chang)度(du)也(ye)可(ke)能(neng)會(hui)對(dui)凍(dong)結(jie)孔(kong)造(zao)成(cheng)影(ying)響(xiang)，這(zhe)些(xie)情(qing)形(xing)均(jun)會(hui)影(ying)響(xiang)凍(dong)結(jie)效(xiao)果(guo)，嚴(yan)重(zhong)情(qing)況(kuang)還(hai)可(ke)能(neng)導(dao)致(zhi)井(jing)筒(tong)施(shi)工(gong)安(an)全(quan)事(shi)故(gu)[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，我們引入基於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]
，曆經多年發展，廣泛應用於民建
、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“基於BIM的凍結法施工安全管理係統”在彬長礦區胡家河煤礦進行了示範應用，廈門大學提出的集成BIM與IOT技術的凍結法施工實時控製係統[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BIMzishenyoushitexing
，zhelijiejuedongjiejingtongjueqiguochengzhongdedongjiekonganquanfanghuwenti
，benxiangjishudeyingyongshijianjiangweixiangsitiaojianxiadejingtongshigongzhongdongjiekongdefanghutuozhanyizhongxindesilu，jubeiyidingdeqifajiazhi。

　　1 工程背景

　　本技術的應用示範點為陝西投資集團趙石畔礦業，趙石畔井田位於陝西省榆橫礦區南區，行政區劃隸屬陝西省橫山區城關鎮、雷龍灣鎮
，靖邊縣黃蒿界鎮等管轄。趙石畔煤礦項目是陝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
，將於2025年12月投運。

　　趙石畔礦井采用立井單水平開拓方式、中央並列式通風，布置三條井筒，井筒區位於趙石畔井田西南部，處於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
，洛河砂岩含水層厚度117.78～130.63 m，單位湧水量0.2692～0.3300 L/s·m，滲透係數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
，井筒圍岩由各粒級砂岩、粉砂岩、泥岩組成，岩性變化較大，岩體以層狀～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，然後基於特定規則對測斜資料進行數據標準化處理
；其qi次ci
，根gen據ju各ge井jing筒tong開kai鑿zao施shi工gong圖tu進jin行xing井jing壁bi結jie構gou建jian模mo，並bing利li用yong鑽zuan孔kong參can數shu化hua工gong具ju依yi托tuo標biao準zhun化hua數shu據ju進jin行xing凍dong結jie孔kong與yu測ce溫wen孔kong的de信xin息xi建jian模mo
，建jian模mo完wan成cheng後hou對dui所suo有you模mo型xing進jin行xing組zu裝zhuang
，對dui於yu鑽zuan孔kong模mo型xing的de要yao求qiu是shi鑽zuan孔kong需xu要yao放fang到dao以yi各ge自zi編bian號hao命ming名ming的de圖tu層ceng中zhong；然(ran)後(hou)，以(yi)井(jing)口(kou)標(biao)高(gao)為(wei)基(ji)準(zhun)，每(mei)間(jian)隔(ge)固(gu)定(ding)深(shen)度(du)設(she)置(zhi)一(yi)個(ge)水(shui)平(ping)切(qie)麵(mian)
，將(jiang)每(mei)一(yi)個(ge)水(shui)平(ping)切(qie)麵(mian)依(yi)次(ci)與(yu)組(zu)裝(zhuang)模(mo)型(xing)進(jin)行(xing)交(jiao)集(ji)運(yun)算(suan)，據(ju)此(ci)可(ke)得(de)出(chu)各(ge)水(shui)平(ping)剖(pou)切(qie)麵(mian)上(shang)的(de)切(qie)分(fen)元(yuan)素(su)
，包(bao)括(kuo)井(jing)壁(bi)輪(lun)廓(kuo)線(xian)以(yi)及(ji)鑽(zuan)孔(kong)輪(lun)廓(kuo)線(xian)；最後，依次計算各鑽孔中心點的方位角（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淨距離，將距離井壁外邊緣最近的5個鑽孔在圖上進行標識，標識內容包括鑽孔編號、zuankongfangweijiaoyijijujingbiwaibianyuandejuli，tongshihaiduixianglinzuankongdechengkongjianjujinxinglezidonghuajisuanyubiaoshi，zuihoujianggeshuipingdexifenpouqietufenfageixianchangshigongrenyuan，yongyifuzhushigongguochengjuece。

　　3 具體應用

　　鑽孔測斜資料經標準化後的數據見表2，數字化實施依托Bentley平台的MicroStation軟件，MicroStation是Bentley軟件係統有限公司為用戶提供二三維設計服務的基礎平台[13-14]，鑽孔參數化建模及井筒剖切出圖是以C#方式開發工具實現，用戶交互界麵分別如圖2、圖3所示。

　　表2 鑽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，確認後
，再選擇表2所示樣式的數據表即可實現鑽孔模型在數據驅動模式下的自動化創建。

　　圖2 鑽孔建模工具

　　主
、副、風井井筒與鑽孔的組裝模型如圖3所示，圖中的彈出框分別為井壁結構與鑽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

　　（a）主立井軸側

　　（b）主立井俯視

　　（c）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，可以實現水平切麵圖的一鍵輸出
，用戶交互界麵如圖4所示。

　　圖4 剖切出圖工具

　　根(gen)據(ju)上(shang)圖(tu)所(suo)示(shi)，首(shou)先(xian)拾(shi)取(qu)井(jing)筒(tong)中(zhong)心(xin)坐(zuo)標(biao)，據(ju)此(ci)確(que)定(ding)水(shui)平(ping)切(qie)麵(mian)的(de)起(qi)始(shi)高(gao)度(du)，通(tong)過(guo)輸(shu)入(ru)的(de)終(zhong)止(zhi)標(biao)高(gao)與(yu)間(jian)隔(ge)高(gao)度(du)，可(ke)以(yi)確(que)定(ding)水(shui)平(ping)剖(pou)麵(mian)的(de)總(zong)個(ge)數(shu)，同(tong)時(shi)也(ye)代(dai)表(biao)輸(shu)出(chu)剖(pou)切(qie)圖(tu)的(de)總(zong)個(ge)數(shu)，根(gen)據(ju)前(qian)麵(mian)所(suo)述(shu)流(liu)程(cheng)，通(tong)過(guo)依(yi)次(ci)進(jin)行(xing)水(shui)平(ping)切(qie)麵(mian)與(yu)已(yi)有(you)模(mo)型(xing)對(dui)象(xiang)間(jian)的(de)數(shu)學(xue)運(yun)算(suan)，可(ke)依(yi)次(ci)獲(huo)取(qu)各(ge)水(shui)平(ping)麵(mian)上(shang)的(de)圖(tu)形(xing)輪(lun)廓(kuo)線(xian)
，再(zai)配(pei)合(he)標(biao)準(zhun)圖(tu)框(kuang)，即(ji)可(ke)快(kuai)速(su)成(cheng)圖(tu)
，成(cheng)圖(tu)效(xiao)果(guo)如(ru)圖(tu)5所示，其中位於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鑽孔布置情況以及距井壁外邊緣較近的鑽孔布置詳情，現場施工人員以此圖為依據，在基岩段或壁座采cai取qu放fang炮pao作zuo業ye情qing況kuang下xia

，可ke通tong過guo控kong製zhi周zhou邊bian眼yan與yu凍dong結jie管guan的de方fang位wei和he距ju離li的de措cuo施shi保bao護hu凍dong結jie孔kong，以yi及ji在zai確que需xu施shi工gong錨mao杆gan情qing況kuang下xia
，可ke通tong過guo控kong製zhi錨mao杆gan長chang度du和he施shi工gong位wei置zhi的de措cuo施shi
，從cong而er避bi免mian打da穿chuan凍dong結jie管guan影ying響xiang凍dong結jie情qing況kuang，因yin此ci，本ben技ji術shu方fang案an對dui防fang止zhi凍dong結jie區qu域yu的de破po壞huai起qi到dao了le較jiao好hao的de輔fu助zhu作zuo用yong。經jing測ce算suan
，單dan張zhang圖tu紙zhi輸shu出chu的de時shi間jian約yue為wei125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(zai)煤(mei)炭(tan)行(xing)業(ye)，凍(dong)結(jie)井(jing)筒(tong)掘(jue)砌(qi)施(shi)工(gong)的(de)安(an)全(quan)防(fang)護(hu)問(wen)題(ti)一(yi)直(zhi)是(shi)行(xing)業(ye)關(guan)注(zhu)的(de)焦(jiao)點(dian)。本(ben)文(wen)以(yi)凍(dong)結(jie)井(jing)筒(tong)的(de)掘(jue)砌(qi)施(shi)工(gong)為(wei)應(ying)用(yong)場(chang)景(jing)，針(zhen)對(dui)凍(dong)結(jie)鑽(zuan)孔(kong)的(de)安(an)全(quan)防(fang)護(hu)問(wen)題(ti)
，引(yin)入(ru)基(ji)於(yu)BIM設計的數字化技術，通過在MicroStation平ping台tai下xia構gou建jian的de建jian模mo與yu剖pou切qie工gong具ju，實shi現xian了le標biao準zhun化hua鑽zuan孔kong的de快kuai速su建jian模mo與yu組zu裝zhuang模mo型xing的de一yi鍵jian出chu圖tu，輸shu出chu成cheng果guo經jing現xian場chang施shi工gong人ren員yuan驗yan證zheng，在zai一yi定ding程cheng度du上shang提ti升sheng了le現xian場chang施shi工gong的de安an全quan保bao障zhang能neng力li，具ju備bei較jiao好hao的de指zhi導dao意yi義yi，同tong時shi，該gai項xiang技ji術shu的de具ju體ti實shi施shi經jing驗yan，也ye間jian接jie證zheng明ming了le數shu字zi化hua設she計ji技ji術shu在zai施shi工gong階jie段duan進jin行xing多duo維wei度du應ying用yong的de可ke行xing性xing[16-17]，對於今後在其他應用場景的外延與推廣具有較為深遠的影響。

　　今後，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(ying)用(yong)廣(guang)度(du)，增(zeng)強(qiang)行(xing)業(ye)數(shu)字(zi)化(hua)應(ying)用(yong)深(shen)度(du)，在(zai)煤(mei)炭(tan)行(xing)業(ye)數(shu)字(zi)化(hua)轉(zhuan)型(xing)的(de)關(guan)鍵(jian)時(shi)期(qi)
，企(qi)業(ye)應(ying)當(dang)著(zhe)重(zhong)挖(wa)掘(jue)數(shu)據(ju)潛(qian)力(li)，以(yi)數(shu)字(zi)驅(qu)動(dong)為(wei)核(he)心(xin)的(de)技(ji)術(shu)支(zhi)撐(cheng)全(quan)產(chan)業(ye)鏈(lian)的(de)業(ye)務(wu)數(shu)字(zi)化(hua)過(guo)程(cheng)，推(tui)動(dong)行(xing)業(ye)向(xiang)知(zhi)識(shi)與(yu)技(ji)術(shu)密(mi)集(ji)型(xing)轉(zhuan)變(bian)[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] 薑波,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] 譚傑,劉誌強,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製係統設計[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.基於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.基於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] 李誌平.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,範喆,王陽利,等.基於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.建築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)