基于CMS及DIMINE的礦柱回采爆破設計優化＊

戴興國 黃 毅 白 瑛

（中南大學資源與安全工程學院 長沙 410083）

對于采用充填法二步驟回采的礦山，由于在一步驟礦房采場在回采過程中，鉆孔、爆破或礦房采空區圍巖的冒頂、片幫的原因，使礦柱的實際形態很不規則，難以確定礦柱的實際邊界，影響到二步驟礦柱采場的爆破設計，導致難以合理地布置炮孔，從而在礦柱采場爆破回采過程中崩落一步驟采場充填體，造成礦柱回采的貧化損失加大，資源回收率降低，嚴重威脅資源的高效回收和礦山的可持續發展.但傳統的測量方法難以準確掌握礦柱的實際形態，本文運用先進的三維激光探測系統CMS測量技術和DIMINE軟件準確確定了二步驟礦柱采場的實際形態，為后一步基于DIMINE的礦柱回采爆破設計提供了可靠邊界依據.

1 研究礦山現狀及問題的提出

1.1 礦山概況

某銅礦主礦體（1＃礦體）呈似層狀、透鏡狀產出，長1 820m，寬平均500m，水平投影寬度204～882m，礦體走向NE35°～40°，傾向隨圍巖產狀分別向北西、西南傾斜.礦體埋藏賦存標高為－690～－1 007m，大部分位于－730m以下.礦體最大厚度100.67m，平均厚34.16m.礦石含銅品位平均為1.02%，平均含硫17.6%，銅金屬儲量100萬t以上，是一個特大型矽卡巖型銅礦體.

礦體沿走向劃分成盤區，盤區長為礦體的寬度，寬100m，再將每個盤區間隔劃分成18m寬的礦房和礦柱，相鄰盤區之間暫留20m寬的隔離礦柱（見圖1），其中雙號采場為一步驟礦房采場，單號采場為二步驟礦柱采場.開采分3步驟進行：第一步采盤區礦房；第二步采盤區礦柱；第三步采盤區間的隔離礦柱，回采順序為“隔一采一”，各回采步驟均采用嗣后充填的階段空場法.第一步驟采場開采完畢后用尾砂膠結充填，第二、三步驟采場開采完畢之后用尾砂或低標號的尾砂膠結充填［1］.

1.2 問題的提出

該銅礦經過近8年的開采，目前50～56線盤區的第一步驟礦房采場已基本回采充填完畢，為了保持礦山生產的銜接和出礦量的均衡穩定，在回采其他盤區礦房采場的同時，也同步開采50～56線盤區的二步驟礦柱采場.但由于一步驟礦房開采存在不同程度的超挖或欠挖情況，導致二步驟待采礦柱的實際形態極不規則，影響到礦柱回采的爆破設計.

2 CMS空區測量和分析

2.1 CMS空區測量

空區探測系統（cavity monitoring system，CMS）是加拿大Optech公司生產的一種基于激光的三維空區探測系統，主要用于井下巷道、硐室及采空區的精密探測，可有效地獲得空區的實際邊界 .因此，采用CMS系統輔助礦柱回采爆破設計可以很好地解決上述問題.通過對待采礦柱周圍采場空區的探測，可以準確地掌握礦柱的實際邊界，從而為礦柱回采的爆破設計提供可靠的邊界依據［2－3］.

本文以圖1中的52－15＃礦柱采場作為研究對象，通過對礦柱采場52－15＃兩側相鄰已回采完畢的52－14＃和52－16＃礦房采場進行空區測量和數據處理，得到兩個采場的空區模型如圖2所示，采用DIMINE報告實體體積功能，計算出其空區體積分別為54 330m3和49 628m3.

2.2 空區測量結果分析

將創建好的52－14＃和52－16＃設計采場DIMINE模型與探測空區模型復合，即可從三維空間上獲得采場邊界對比效果（見圖3）.對于52－14＃采場，通過對比分析不難看出：（1）采場鑿巖硐室頂板垮落較少，可以判斷在回采過程中鑿巖硐室頂板基本沒有大面積垮落現象；（2）采場周邊存在不同程度的超挖現象，局部還比較嚴重；（3）從上述模型對比中還可以明顯看出，采場4個周邊存在一定程度的欠挖現象.而對于52－16＃采場，采場爆破控制效果較好，硐室頂板基本沒有大面積跨落，周邊超挖現象不明顯，但存在較多的欠挖現象.

圖2 52－14＃和52－16＃采場空區的CMS探測圖

圖3 52－14＃和52－16＃設計采場模型與探測空區模型邊界對比

在52－14＃和52－16＃采場回采過程中，由于爆破邊界控制不準或局部地段存在結構面，造成采后空區邊界與原設計采場邊界不相吻合，存在超挖或欠挖現象.為準確掌握各采場回采后的超挖量，在已建立好圖3模型的基礎上，通過DIMINE軟件實體建模模塊下的三維布爾運算功能，得出52－14＃和52－16＃采場超挖部分的空間形態見圖4.經計算得出52－14＃采場的超挖量為4 286m3，52－16＃采場的超挖量為716m3.

圖4 52－14＃和52－16＃采場周邊超挖部分實體模型

3 礦柱三維可視化建模

DIMINE是中南大學長沙迪邁科技公司開發的大型礦用三維軟件.該軟件采用三維可視化技術，以數據庫技術、三維實體建模技術和地質統計學方法等為基礎，實現了從礦床地質建模、儲量計算等工作的可視化.DIMINE應用領域包括礦業中地質、測量、采礦以及數據管理等多個環節［4－6］.

相鄰兩側采場的超挖使得二步驟礦柱采場52－15＃的實際形態極不規則，對其回采爆破設計產生較大影響.因此，建立52－14＃和52－16＃礦房采場的超挖或垮落影響后的52－15＃礦柱采場的實體模型是確定回采爆破控制邊界的重要步驟.

通過布爾運算建立起礦柱的實體模型，將圖2與52－15＃礦柱設計采場的DIMINE模型進行實體求差可以得到52－15＃礦柱實際模型（見圖5）.為更便于觀察，對該模型進行高度方向上間隔6m切片，形成5個礦柱外輪廓封閉線圈，圖6所示為第三個切片3P形成的礦柱外輪廓線，經過測量可以發現最大超挖的尺度達到約3m.

圖5 52－15＃礦柱采場實際模型

圖6 3P剖面礦柱外輪廓線

4 DIMINE輔助礦柱回采爆破設計

該銅礦各步驟采場均采用V形塹溝受礦，無軌出礦設備出礦的底部結構，采場回采則采用下向深孔進行爆破落礦.所以，52－15＃采場的爆破設計主要包括2部分的設計：底部結構扇形中深孔拉底爆破設計和回采落礦下向深孔的爆破設計.二步驟采場的鑿巖精度要求高于一步驟采場.鑿巖過程中必須對每個孔的方位、方向、角度和深度加以嚴格控制，邊界孔施工時一定要密切關注巖性變化.

4.1 底部結構拉底爆破設計

利用原有出礦巷道和出礦進路，在52－15＃采場的出礦進路底板以上2～3m處，沿該采場長軸方向，距離52－14＃采場邊界約5m重新施工一條規格為3.8m×4.0m的拉底巷道，該巷道與塹溝巷道合一.通過SimbaH1354電動液壓鑿巖臺車（機高為1.8m）打上向扇形中深孔，其中拉槽孔排距1.3m，其余孔排距1.6m，孔底距2.2 m，孔徑76mm，爆破形成高為13.5m的V形塹溝，塹溝坡面傾角為45°.

通過DIMINE對礦柱模型進行切剖面處理，剖面間距1.6m，共生成48個準確反映礦柱實際邊界和塹溝巷道輪廓線的剖面，然后利用DIMINE在各個剖面上進行炮孔設計，包括確定炮孔長度、炮孔孔徑、堵塞長度以及裝藥量等［7］.圖7所示為第35個剖面35P的扇形中深孔布置圖，表1為對應35P剖面DIMINE生成的炮孔設計參數表.

圖7 35P剖面扇形中深孔布置

表1 拉底爆破35P剖面扇形中深孔參數

4.2 下向深孔爆破設計

采場深孔采用Simba261高風壓潛孔鉆機下向垂直深孔鑿巖，炮孔直徑165mm.炮孔布置采用排距3m，孔間距為2.5～2.8m的垂直平行孔組成，局部部分采用的是傾斜孔，以控制礦柱底部的爆破塊度，邊界孔與充填體之間的間距控制在1.8～2.2m之間，炮孔至下部拉底層頂板，以達到拉底后深孔為通孔.施工時機心高度1.8m.在硐室一側采場中部作為拉槽區，拉槽孔共17個，其中兩個深孔不裝藥作為拉槽爆破自由面，拉槽采用VCR法爆破，爆破后形成一個長為16.4m，寬為6m，高為采場拉底層到鑿巖硐室的切割立槽，下向深孔側崩爆破是再以此切割槽為自由面進行側向崩礦爆破.

通過DIMINE對礦柱模型每隔3m進行剖面，共生成26個剖面，然后利用DIMINE在各個剖面上進行炮孔設計，并生成了每個剖面上的爆破參數報告.圖8所示為第三個剖面3P的深孔布置圖.52－15＃采場共分23次爆破，為便于指導施工，在DIMINE生成的爆破設計報告的基礎上，經過后期處理得出深孔設計的爆破參數見表2.

圖8 3P剖面深孔布置

表2 深孔爆破參數表

礦柱采場的回采爆破效果顯示，大塊產出率低，爆破有害效應控制較好，對礦柱兩側的充填體破壞較小.說明通過DIMINE三維可視化爆破設計，爆破參數選取準確可靠，爆破效果較好，提高了礦柱的回收率.

5 結束語

如何充分、安全地回收資源，尤其是對稀有、貴重的以及戰略性礦床資源是當前我國礦山所面臨的重大課題之一.實踐證明，利用CMS的測量，可以準確地測出空區的形態，再通過DIMINE軟件的布爾運算功能方便地確定礦柱的實際形狀和邊界.在此基礎上利用DIMINE進行爆破設計，可以優化礦柱回采的爆破設計質量，避免礦柱回采爆破中將兩側充填體崩落，有效降低礦柱回采工程中的貧化損失，達到安全高效回收礦柱資源的目的；同時，二步驟采場的安全高效回采也為該銅礦第三步驟隔離礦柱的回采提供了良好條件.可以預見，空區監測工具CMS結合三維可視化軟件DIMINE的應用在我國礦山，尤其是深井礦山開采領域有很好的實用和推廣價值.

［1］李冬青，王李管.深井硬巖大規模開采理論與技術－冬瓜山銅礦床開采研究與實踐［M］.北京：冶金工業出版社，2009.

［2］劉曉明，羅周全，孟穩權.深井采場大規模垮塌三維探測及可視化計算［J］.中南大學學報：自然科學版，2011（1）：158－163.

［3］羅周全，楊 彪，吳亞軍，等.采用CMS輔助礦柱回采爆破設計研究［J］.金屬礦山，2007（3）：15－17.

［4］徐 海，羅周全，劉曉明.復雜巷道工程三維可視化建模方法研究及應用［J］.礦冶工程，2011（1）：19－23.

［5］李 寧，王李管，肖英才，等.基于DIMINE軟件的礦柱回采設計研究［J］.現代礦業，2011（2）：19－21，36.

［6］蔣淵和，龐計來.基于DIMINE三維可視化技術在礦床地質中的應用［C］／／2010～2011年全國采礦科學技術高峰論壇，中國礦業，2010（19）：280－283.

［7］劉德民，解聯庫，楊志強，等.基于DIMINE的輔助礦柱回采爆破設計優化［J］.金屬礦山，2011（5）：9－11.