基于CMS空区探测的贫损控制技术

陈丹辉,韦雪莉,刘晓明

(1.广西壮族自治区工业设计院, 广西南宁 530022;2.中南大学资源与安全工程学院, 湖南长沙 410083)

基于CMS空区探测的贫损控制技术

陈丹辉1,韦雪莉1,刘晓明2

(1.广西壮族自治区工业设计院, 广西南宁 530022;2.中南大学资源与安全工程学院, 湖南长沙 410083)

运用空区激光探测系统(CMS)和大型矿床三维软件Surpac等数字化工具,结合我国大爆破采场分段爆破实际,研究形成了一种基于CMS空区探测的贫损控制技术。采用CMS对采场首爆区进行三维探测,运用Surpac构建空区三维可视化模型,准确获取采场空区三维形态和实际边界,并与设计边界进行对比,利用对比结果优化下步骤回采爆破参数设计,从而达到控制矿石贫化、损失的目的。实践应用表明,该方法获得的采场空区信息可靠,采场边界准确,可有效指导采场下步骤回采,有效降低采场贫化和损失,提高资源回收率。

空区探测系统;空区三维模型;爆破参数;贫化;损失

0 引 言

资源的充分、安全回收是当前矿山面临的重大问题之一,尤其对于稀有、贵重的以及战略性矿床资源而言更是如此。对于采用矿房和矿柱两步骤回采的矿山来说,由于在矿房开采过程中测量、钻孔、爆破以及矿房空区围岩的冒顶、片帮等原因,往往致使矿柱的实际边界呈复杂的不规则状,与原设计的开采边界出入较大,而传统的测量方法又无法准确地测定矿柱的实际边界,这势必影响矿柱回采的爆破设计,以至设计人员不能合理地布置炮孔,造成矿柱回采贫化损失严重、资源回收率降低、甚至导致危险情况的发生等严重后果。因此,如何准确测定矿柱的实际边界,在此基础上进行矿柱回采爆破设计,就成为解决矿柱回采中存在的上述问题的关键。

在传统的采矿管理中计算出来的贫化率和损失率精度往往不高,难以精确反映出实际开采中的贫损情况。因此,寻求精确测定开采贫损指标的方法,以此为基础开展贫损控制,实现回采过程的精确管理,对提高矿床开采质量和矿山经济效益具有重要意义,对于高价值的矿床开采来说尤为如此。

1 空区激光探测系统

空区三维激光探测系统(Cavity Monitoring System,CMS)是加拿大Optech公司生产的一种基于激光的空区探测系统,主要用于井下巷道、硐室及采空区的精密探测。目前已有160多套CMS在全球应用,在北美、澳大利亚等矿业发达国家已经成为地下采场和空区探测的主要手段,尤其是对危险和人员无法进入的空区探测中,CMS是目前最有效的探测手段之一[1～6]。探测成果可直接用于计算空区体积、确定矿柱实际边界,可指导空区充填、矿柱爆破设计、回采贫损控制以及空区稳定性分析等相关采矿管理和过程控制。CMS的基本构成包括激光扫描头、控制箱、手持式控制器、支撑杆架及数据处理软件[4]。CMS探测原理与方法见参考文献[1]。

2 基于CMS空区探测的贫损控制技术

由于运用CMS系统可以精确获得空区三维模型和实际边界,因此,通过将回采单元的CMS探测到的实际边界与原设计边界对比,即可准确获得回采单元爆破后的超挖和欠挖的情况,从而可以对回采单元的爆破效果进行有效地评估,为调整回采单元爆破布孔和装药结构参数提供依据,实现回采贫损控制,达到提高资源回收质量和效益的目的。基于CMS空区探测的贫损控制技术路线如图1所示。

2.1 采场规格及爆破方式

假设某采场长宽高分别为60,30,40m,整个采场设计分4次沿采场长度方向爆破,每次爆破15 m,如图2所示。

2.2 首次爆破后空区探测

首次爆破、通风及出矿后,完成第一次回采工作,形成首次回采空区。运用CMS系统对其进行精密探测,获得原始探测数据为“.txt”格式文件,原始数据是角度和距离值,采用CMS自带的预处理软件CMSPos Process将“.txt”格式的原始数据文件转换成“.dxf”格式的文件,该文件可被第3方软件接受,如Surpac、Datamine及Gocad等,用以生成空区三维实体模型等。

图1 基于CMS空区探测的贫损控制基本技术路线

图2 采场首次回采爆破设计示意

采用Surpac矿业软件进行处理,生成空区三维实体模型,准确获得空区三维模型和实际边界,采用Surpac建立三维空区模型的方法见参考文献[7]和[8]。通过Surpac切剖面功能对空区模型剖切,并与设计边界进行对比,如图3所示。

2.3 爆破参数优化

不难看出采空区的实际探测边界与设计边界有明显出入,采场东面存在超爆现象,而北面则存在超爆和欠爆情况,其他两侧爆破效果较好。以此为依据,优化调整中深孔爆破参数,使爆破边界接近实际边界,从而减少第2步回采的贫化率和损失率,达到控制整个采场回采的贫损指标、提高资源回收率的目的。图4所示为根据实测边界优化的第2次回采爆破参数。

图3 探测边界与设计边界对比

图4 调整爆孔参数

2.4 爆破参数优化后空区探测

调整爆破参数后进行爆破,待出矿完毕后,再次采用CMS对新形成的空区进行探测,此次探测对象包括前2步回采后所形成的空区。在Surpac中生成空区三维实体模型后,与第1步类似,在同一位置切剖面,并与设计边界进行对比,如图5所示。

图5 探测边界与设计边界对比

从图中同样可以看出第2次回采爆破的效果。采用相同的方法,进行第3次、第4次爆破参数的调整,不断地改善爆破效果,减少超爆量和欠爆量,最后达到控制贫损的目的,并完成整个采场回采工作。

3 贫损控制技术结果分析

基于CMS空区探测的贫损控制技术的基本过程可以归纳为:随着回采单元(中)深孔爆破开采工作的推进,运用CMS系统对采空区进行多次跟踪探测,动态准确地获取采空区的三维模型和实际边界,以此为依据来修正爆破参数,最终达到控制整个回采单元贫损的目的。

本研究实例中,回采单元周围均为围岩或充填体。通过CMS多次探测可以获得每次爆破后所形成的采空区体积,并与设计体积对比,从而计算出贫损指标。表1所示为采场4步回采后的贫损指标对比,由表中数据可知通过CMS探测,采场的贫化率和损失率逐步降低。

表1 采场分步回采贫损指标对比

4 结 语

针对我国金属矿山大规模采场回采贫损难以控制的现状,综合运用空区激光精密探测系统CMS和大型矿床三维软件Surpac等数字化工具,研究了一种基于CMS空区探测的贫损控制技术。该技术不仅可以精确构建采场空区可视化程度高、可编辑性强的三维模型,准确地获取采场空区的三维形态和实际边界,而且可有效地控制采场贫化、损失,从而为矿山准确掌握开采质量、改进回采工艺和提高资源回收率开辟了一条新的有效途径。

[1]刘晓明,罗周全,孙利娟,等.空区激光探测系统在我国的研究与应用[J].西安科技大学学报,2008,28(2):611～614.

[2]罗周全,鹿 浩,刘晓明,等.基于空区探测的采场超欠挖量计算及顶板安全分析[J].金属矿山,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 静,胡乃联.Surpac软件在某金铜矿山的应用研究[J].黄金科学技术,2007,15(1):54～58.

2009-11-16)

陈丹辉(1980-),男,广西融安人,工程师,主要从事矿山开采设计与安全管理工作。