CMS精密探测技术在月山铜矿中的应用

韦章能，郭利杰

（1.铜陵有色金属集团股份有限公司，安徽铜陵244000；2.北京矿冶研究总院，北京100160）

CMS精密探测技术在月山铜矿中的应用

韦章能1，郭利杰2

（1.铜陵有色金属集团股份有限公司，安徽铜陵244000；2.北京矿冶研究总院，北京100160）

运用CMS三维精密探测技术探测月山铜矿L-7＃矿体老采空区变化状况，计算其主要采空区的体积，描述其空间实际边界，并与原来采矿设计的回采边界相比较，揭露其变化规律，为规模较大的老采空区处理提供依据，同时对老采空区上部毗邻的L-23＃矿体安全回采有重要的指导意义。

CMS精密探测；采空区；垮落率；超采率；损失率

三维激光扫描技术是最近20多年发展起来的新兴技术之一，具有非常广阔的应用前景，特别是将特殊的三维激光扫描系统——空区探测系统引入矿山井下数据的采集，大大提高了井下数据采集的效率及工作人员的安全性。探测成果可直接用于计算空区体积和顶板面积、建立空区三维模型、确定采场实际边界、沿任意方向和位置切剖面，此技术可为采空区稳定性分析、采空区的充填、回采爆破的设计以及控制矿产资源的损失贫化等相关的采矿管理与控制过程提供技术指导，同时可为矿山带来可观的经济与安全效益［1-3］。

1 CMS精密探测系统

加拿大Noranda和Optech两个公司联合研发了采空区探测系统（Cavity Monitoring System，CMS）。CMS探测系统是对目标整体或局部在三维空间进行从左到右、从上到下全自动高精度逐步扫描，进而得到完整、全面、连续、关联的全景点三维坐标数据，真实地描述出目标整体结构及形态特性。这些数据经过后处理可获得扫描目标的长度、体积、面积、深度、结构位移、结构形变等全面的几何内容，从而体现了CMS较高的探测效率与良好的可视性［1，4］。

CMS系统利用激光扫描仪进行360°旋转实现其扫描功能，在旋转过程中会自动地收集并存储角度与距离等数据。它每完成一次360°的扫描，将自动按照操作人员事先设定角度抬高其仰角进行新一轮扫描，收集更大旋转圈上的点的数据，直至完成全部探测工作［5-6］。具体扫描过程如图1所示。

2 月山铜矿L-7＃矿体采空区概况

月山铜矿龙门山坑口自1997年投产以来，共采出矿石120万t，在开采过程中形成的拉底巷道、电耙道、凿岩硐室、出矿进路等工程未能及时充填，目前形成了大约36万m3的空区，只有L-9＃采空区利用探矿及开拓产生的废石进行充填。

技术人员经过对原采准图纸、爆破图纸反复校对，计算空区总体积为36万m3。其中最大的采空区A呈现出南北走向与东西走向两个近似长方体的复合体特征，并且南高北低。其形成的主要原因是由于多个采空区之间的间柱垮落而贯通形成，该空区目前走向长达90m，倾向长度达120m，平均厚度为44m［7］。采空区的标高范围为-575～-678m，由于其埋藏深度超过500m，故地表不存在塌陷和下沉问题。

采空区B最初由两个独立的长方体空区组成，其中一个长方体的长宽高分别为57m、26m、55m；另外一个长方体长宽高分别为40m、36m、55m。由于这两个空区之间4m宽的间柱已经垮落，导致了采空区A和采空区B基本联通［8］，使得空区的总体积和暴露面积相当大，现有空区存在最长时间为13年，其中主要大空区存在有5年之久。

图1 CMS激光扫描过程示意图Fig.1 The CMS laser scanning process

3 最大采空区精密探测

3.1 探测过程

2011年研究人员对采空区进行探测和数据采集，约75min后完成了扫描实验工作。扫描完毕后，仪器自动复位。在扫描过程中，笔记本电脑上会实时显示仪器工作状态、进度、点云图等信息。

3.2 探测结果

3.2.1 采空区三维建模生成

利用Dimine软件对由空区探测数据生成的-575m采空区A三维模型，进行分析处理。为了更好地进行后续工作，利用Dimine软件的实体模型编辑工具对采空区模型进行必要的编辑［5］。图2为三维模型建立流程图，图3为-575m采空区A模型的三视图。

图2 三维实体模型建立流程图Fig.2 3Dsolid model flow chart

图3 采空区A三维模型Fig.3 3Dmodel of cavity A

3.2.2 三维模型分析

分析采空区A三维模型，受测点位置和空区内残留矿柱及矿堆影响，本次检测空区体积小于实际空区体积，检测出的空区基本能反映出采空区变化和形状，采空区最高点标高大约-538m，最低约-600m，空区最大斜长为148m。

位于标高-575m水平以下的部分，由于受空区内的残矿阻挡影响，采空区模型右下方的空区形态没有检测出来；位于标高-575m水平以上的部分，其最高点为-538m，与原来采矿控制顶板高处相比，模型显示有垮落，垮落高度5～8m。

根据生成的模型计算可得出-575m采空区A的体积为187 565m3。

3.3 采场技术指标分析计算

根据CMS测量的数据及Dimine软件生成的采空区模型，可计算多个采矿技术指标，如垮落体体积、垮落率、采场超挖率、采场欠挖率等。这些技术指标对检验爆破效果、计算采场的损失率和贫化率以及能够指导充填作业、临近矿体的回采等工作，对矿山的安全生产具有重要意义。

1）垮落体体积与垮落率的计算

利用Dimine软件计算采空区垮落体体积的方法是使用Dimine报告实体体积的功能来实现，经计算，-575m垮落体体积为106 697m3。

用体积法计算垮落率来反映垮落经济技术指标。计算公式如下：

式中：P1—垮落率；V1—爆破形成空区的总体积，187 565m3；V2—跨落体的体积，106 697m3。

经计算采空区A的垮落率为P1＝106 697/187 565×100%＝56.8%。

2）建立采空区实体模型的水平和纵向剖面

利用CMS探测成果可沿任意方向和位置切剖面的功能，将生成的模型沿某一剖面线进行剖切，生成的平面与对应位置的设计平面进行对比，即可看出探测边界与设计边界的关系。

建立采空区实体模型的剖面具体操作如下：（1）将实体模型调入Dimine软件；（2）确定剖面的位置与数量；（3）进行实体剖切；（4）显示剖面图。

将生成的剖面与该位置的设计剖面对比，根据面积法即可求得超挖率与欠挖率。图4和图5分别是-575m采空区实测剖面线与沿10线和沿12线的设计剖面线的对比图。

3）采场超挖指标的计算

图4 -575m采空区实测剖面线与设计（沿10线）剖面线对比图Fig.4 The comparison diagram of measured profile line and designed lines（Along the 10Line）on-575mlevel

图5 -575m采空区实测剖面线与设计（沿12线）剖面线对比图Fig.5 The comparison diagram of measured profile line and designed lines（Along the 12Line）on-575mlevel

以12线剖面为例，将采空区实测边界与采场回采界线进行对比，采用面积法计算超挖指标。计算公式如下：

式中：P2—超采率；S1—设计回采空区的面积；S2—回采超挖的面积。

经计算，沿12线的采场设计回采面积为3 034.5m2，回采超挖面积为198.2m2，则超采率P2＝198.2/3 034.5×100%＝6.5%。

4）采场欠挖指标的计算

以12线剖面为例，将空区实测边界与采场回采界线进行对比，采用面积法计算欠挖指标。计算公式如下：

式中：P3—欠挖率；S1—设计回采空区的面积；S3—回采欠挖的面积。

经计算，沿12线的采场设计回采面积为3 034.5 m2，回采超挖面积为56.8m2，则欠挖率P3＝56.8/3 034.5×100%＝1.9%。

4 结论

基于CMS技术对所探测采空区的详尽计算分析，得出如下结论：

1）采场在实际回采中存在一定的超挖（或采空区长时间暴露产生冒落）和欠挖现象。L-7＃矿体12线的超挖率达6.5%，爆破边界控制不是太好，需要加强控制，减少贫化；欠挖率1.9%，该项技术指标较好。

2）本次探测结果显示大空区顶板稳定性很差、垮落严重，计算出采空区在5年时间内总垮落率为56.8%，平均每年垮落率达11.4%，说明采空区处在一个持续缓慢的垮落过程中，使得矿石贫化较为严重，出矿品位降低，影响经济效益。

3）对完成探测的采空区体积和空间位置有了精确的计算和了解。通过设计图纸，计算出的主要采空区总体积为36万m3，现在通过CMS探测技术，探测出主要采空区的体积至少为46万m3，为充填设计和充填作业提供准确数据，有着积极指导意义。

4）空区年度垮落率为11.4%，空区体积在增大，处在不稳定状态中。建议企业加快充填进程，尽快实施充填，便于L-23＃矿体（与L-7＃矿体采空区东北角下连通）顺利回采，同时彻底消除安全隐患。

5）利用采空区群之间的清晰关系，对采空区周边间柱、残矿等二次资源进行梳理和统计汇总，为残留资源综合回收利用提供基础依据。

5 结语

运用CMS探测仪探明了月山铜矿最大的采空区，对根据探测数据生成的采空区三维模型进行分析处理，计算出空区体积，显示出采空区空间位置关系。空区模型可以在Dimine、Surpac等软件中进行任意方向的剖切，以得到空区的剖面，并以CAD文件形式输出，所生成的空区剖面可为工作人员在空区周边进行相关开采设计等工作提供必要的基础性数据。在矿山日常生产中，可用于采场的损失贫化监控，检验爆破效果等。另外，通过掌握空区形态还可掌握资源回收利用情况，计算贫化率和损失率，确定是否残留资源，以及确定如何回收残留资源方案。

CMS技术在月山铜矿的成功应用对优化回采工艺与爆破参数，对提高矿床的开采质量及回收率，实现矿山的安全高效生产具有指导意义。

［1］刘晓明.基于实测的采空区三维建模及其衍生技术的研究与应用［D］.长沙：中南大学，2007.

［2］孙 浩.采空区三维精密探测技术在冬瓜山铜矿的应用［J］.矿业快报，2008（1）：67-69.

［3］张行成.基于多源信息融合理论的采空区稳定性分析［D］.长沙：中南大学，2012.

［4］江家权.采空区三维探测技术在安庆铜矿的应用［J］.有色金属（矿山部分），2008，60（4）：24-27.

［5］李同鹏，王亨炎，娄广文.CMS探测系统在采空区测量中的应用与实践［J］.金属矿山，2010（4）：110-113.

［6］过江，古德生，罗周全.金属矿山采空区3D激光探测新技术［J］.矿冶工程，2006，26（5）：16-19.

［7］行鹏飞，陈国梁.可变模糊空区稳定性评价在月山铜矿的应用［J］.现代矿业，2012（9）：27-31.

［8］陈国梁.龙门山矿区L-7号矿体采空区稳定性分析研究［D］.赣州：江西理工大学，2012.

Application of CMS precise detection technology in Yueshan Copper Mine

WEI Zhangneng1，GUO Lijie2
（1.Tongling Nonferrous Metals Group Co.，Ltd.，Tongling Anhui 244000，China；2.Beijing General Research Institute of Mining ＆Metallurgy，Beijing 100160，China）

The 3DCMS precise detection technology is used in Yueshan Copper Mine to know the changes of L-7＃cavity.By calculating the cavity volume，describing the actual boundary and comparing with the designed boundary，the technology can reveal the rules of cavity changes and provide the basis for processing the large old cavity.Meanwhile it is of important guiding significance for safely stoping the L-23＃orebody adjacent to the upper old cavity.

CMS precise detection；cavity；caving rate；over-excavation rate；loss rate

TD853.391

Α

1671-4172（2015）03-0008-04

韦章能（1969-），男，高级工程师，主要研究方向为采矿工艺、矿山充填技术、CMS采空区精密探测技术。

10.3969/j.issn.1671-4172.2015.03.003