基于CMS空區(qū)探測的貧損控制技術(shù)

陳丹輝,韋雪莉,劉曉明

(1.廣西壯族自治區(qū)工業(yè)設(shè)計院, 廣西南寧 530022;2.中南大學資源與安全工程學院, 湖南長沙 410083)

基于CMS空區(qū)探測的貧損控制技術(shù)

陳丹輝1,韋雪莉1,劉曉明2

(1.廣西壯族自治區(qū)工業(yè)設(shè)計院, 廣西南寧 530022;2.中南大學資源與安全工程學院, 湖南長沙 410083)

運用空區(qū)激光探測系統(tǒng)(CMS)和大型礦床三維軟件Surpac等數(shù)字化工具,結(jié)合我國大爆破采場分段爆破實際,研究形成了一種基于CMS空區(qū)探測的貧損控制技術(shù)。采用CMS對采場首爆區(qū)進行三維探測,運用Surpac構(gòu)建空區(qū)三維可視化模型,準確獲取采場空區(qū)三維形態(tài)和實際邊界,并與設(shè)計邊界進行對比,利用對比結(jié)果優(yōu)化下步驟回采爆破參數(shù)設(shè)計,從而達到控制礦石貧化、損失的目的。實踐應(yīng)用表明,該方法獲得的采場空區(qū)信息可靠,采場邊界準確,可有效指導(dǎo)采場下步驟回采,有效降低采場貧化和損失,提高資源回收率。

空區(qū)探測系統(tǒng);空區(qū)三維模型;爆破參數(shù);貧化;損失

0 引 言

資源的充分、安全回收是當前礦山面臨的重大問題之一,尤其對于稀有、貴重的以及戰(zhàn)略性礦床資源而言更是如此。對于采用礦房和礦柱兩步驟回采的礦山來說,由于在礦房開采過程中測量、鉆孔、爆破以及礦房空區(qū)圍巖的冒頂、片幫等原因,往往致使礦柱的實際邊界呈復(fù)雜的不規(guī)則狀,與原設(shè)計的開采邊界出入較大,而傳統(tǒng)的測量方法又無法準確地測定礦柱的實際邊界,這勢必影響礦柱回采的爆破設(shè)計,以至設(shè)計人員不能合理地布置炮孔,造成礦柱回采貧化損失嚴重、資源回收率降低、甚至導(dǎo)致危險情況的發(fā)生等嚴重后果。因此,如何準確測定礦柱的實際邊界,在此基礎(chǔ)上進行礦柱回采爆破設(shè)計,就成為解決礦柱回采中存在的上述問題的關(guān)鍵。

在傳統(tǒng)的采礦管理中計算出來的貧化率和損失率精度往往不高,難以精確反映出實際開采中的貧損情況。因此,尋求精確測定開采貧損指標的方法,以此為基礎(chǔ)開展貧損控制,實現(xiàn)回采過程的精確管理,對提高礦床開采質(zhì)量和礦山經(jīng)濟效益具有重要意義,對于高價值的礦床開采來說尤為如此。

1 空區(qū)激光探測系統(tǒng)

空區(qū)三維激光探測系統(tǒng)(Cavity Monitoring System,CMS)是加拿大Optech公司生產(chǎn)的一種基于激光的空區(qū)探測系統(tǒng),主要用于井下巷道、硐室及采空區(qū)的精密探測。目前已有160多套CMS在全球應(yīng)用,在北美、澳大利亞等礦業(yè)發(fā)達國家已經(jīng)成為地下采場和空區(qū)探測的主要手段,尤其是對危險和人員無法進入的空區(qū)探測中,CMS是目前最有效的探測手段之一[1～6]。探測成果可直接用于計算空區(qū)體積、確定礦柱實際邊界,可指導(dǎo)空區(qū)充填、礦柱爆破設(shè)計、回采貧損控制以及空區(qū)穩(wěn)定性分析等相關(guān)采礦管理和過程控制。CMS的基本構(gòu)成包括激光掃描頭、控制箱、手持式控制器、支撐桿架及數(shù)據(jù)處理軟件[4]。CMS探測原理與方法見參考文獻[1]。

2 基于CMS空區(qū)探測的貧損控制技術(shù)

由于運用CMS系統(tǒng)可以精確獲得空區(qū)三維模型和實際邊界,因此,通過將回采單元的CMS探測到的實際邊界與原設(shè)計邊界對比,即可準確獲得回采單元爆破后的超挖和欠挖的情況,從而可以對回采單元的爆破效果進行有效地評估,為調(diào)整回采單元爆破布孔和裝藥結(jié)構(gòu)參數(shù)提供依據(jù),實現(xiàn)回采貧損控制,達到提高資源回收質(zhì)量和效益的目的。基于CMS空區(qū)探測的貧損控制技術(shù)路線如圖1所示。

2.1 采場規(guī)格及爆破方式

假設(shè)某采場長寬高分別為60,30,40m,整個采場設(shè)計分4次沿采場長度方向爆破,每次爆破15 m,如圖2所示。

2.2 首次爆破后空區(qū)探測

首次爆破、通風及出礦后,完成第一次回采工作,形成首次回采空區(qū)。運用CMS系統(tǒng)對其進行精密探測,獲得原始探測數(shù)據(jù)為“.txt”格式文件,原始數(shù)據(jù)是角度和距離值,采用CMS自帶的預(yù)處理軟件CMSPos Process將“.txt”格式的原始數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)換成“.dxf”格式的文件,該文件可被第3方軟件接受,如Surpac、Datamine及Gocad等,用以生成空區(qū)三維實體模型等。

圖1 基于CMS空區(qū)探測的貧損控制基本技術(shù)路線

圖2 采場首次回采爆破設(shè)計示意

采用Surpac礦業(yè)軟件進行處理,生成空區(qū)三維實體模型,準確獲得空區(qū)三維模型和實際邊界,采用Surpac建立三維空區(qū)模型的方法見參考文獻[7]和[8]。通過Surpac切剖面功能對空區(qū)模型剖切,并與設(shè)計邊界進行對比,如圖3所示。

2.3 爆破參數(shù)優(yōu)化

不難看出采空區(qū)的實際探測邊界與設(shè)計邊界有明顯出入,采場東面存在超爆現(xiàn)象,而北面則存在超爆和欠爆情況,其他兩側(cè)爆破效果較好。以此為依據(jù),優(yōu)化調(diào)整中深孔爆破參數(shù),使爆破邊界接近實際邊界,從而減少第2步回采的貧化率和損失率,達到控制整個采場回采的貧損指標、提高資源回收率的目的。圖4所示為根據(jù)實測邊界優(yōu)化的第2次回采爆破參數(shù)。

圖3 探測邊界與設(shè)計邊界對比

圖4 調(diào)整爆孔參數(shù)

2.4 爆破參數(shù)優(yōu)化后空區(qū)探測

調(diào)整爆破參數(shù)后進行爆破,待出礦完畢后,再次采用CMS對新形成的空區(qū)進行探測,此次探測對象包括前2步回采后所形成的空區(qū)。在Surpac中生成空區(qū)三維實體模型后,與第1步類似,在同一位置切剖面,并與設(shè)計邊界進行對比,如圖5所示。

圖5 探測邊界與設(shè)計邊界對比

從圖中同樣可以看出第2次回采爆破的效果。采用相同的方法,進行第3次、第4次爆破參數(shù)的調(diào)整,不斷地改善爆破效果,減少超爆量和欠爆量,最后達到控制貧損的目的,并完成整個采場回采工作。

3 貧損控制技術(shù)結(jié)果分析

基于CMS空區(qū)探測的貧損控制技術(shù)的基本過程可以歸納為:隨著回采單元(中)深孔爆破開采工作的推進,運用CMS系統(tǒng)對采空區(qū)進行多次跟蹤探測,動態(tài)準確地獲取采空區(qū)的三維模型和實際邊界,以此為依據(jù)來修正爆破參數(shù),最終達到控制整個回采單元貧損的目的。

本研究實例中,回采單元周圍均為圍巖或充填體。通過CMS多次探測可以獲得每次爆破后所形成的采空區(qū)體積,并與設(shè)計體積對比,從而計算出貧損指標。表1所示為采場4步回采后的貧損指標對比,由表中數(shù)據(jù)可知通過CMS探測,采場的貧化率和損失率逐步降低。

表1 采場分步回采貧損指標對比

4 結(jié) 語

針對我國金屬礦山大規(guī)模采場回采貧損難以控制的現(xiàn)狀,綜合運用空區(qū)激光精密探測系統(tǒng)CMS和大型礦床三維軟件Surpac等數(shù)字化工具,研究了一種基于CMS空區(qū)探測的貧損控制技術(shù)。該技術(shù)不僅可以精確構(gòu)建采場空區(qū)可視化程度高、可編輯性強的三維模型,準確地獲取采場空區(qū)的三維形態(tài)和實際邊界,而且可有效地控制采場貧化、損失,從而為礦山準確掌握開采質(zhì)量、改進回采工藝和提高資源回收率開辟了一條新的有效途徑。

[1]劉曉明,羅周全,孫利娟,等.空區(qū)激光探測系統(tǒng)在我國的研究與應(yīng)用[J].西安科技大學學報,2008,28(2):611～614.

[2]羅周全,鹿 浩,劉曉明,等.基于空區(qū)探測的采場超欠挖量計算及頂板安全分析[J].金屬礦山,2007,(12):36～38.

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[6]Huber D, Vandapel N. Automatic 3D underground mine mapping [ J ]. International Journal of Robotics Research, 2005, 25 ( 1 ) : 7～17.

[7]LUO Zhou - quan, LIU Xiao - ming, SU Jia - hong, et al. Deposit 3D modeling and application[ J ]. Journal of Central South Universityof Technology, 2007, 14 (2) : 225～229.

[8]徐 靜,胡乃聯(lián).Surpac軟件在某金銅礦山的應(yīng)用研究[J].黃金科學技術(shù),2007,15(1):54～58.

2009-11-16)

陳丹輝(1980-),男,廣西融安人,工程師,主要從事礦山開采設(shè)計與安全管理工作。