DIMINE软件在露天矿山采空区处理中的应用分析

许龙星，张兵兵

(宏大爆破工程集团有限责任公司，广州 510623)

迪迈三维矿山软件(DIMINE软件)是数字化矿山建设的重要方面，有助于提高工作效率，改善工作方式，提高劳动生产力[1]。目前，可利用迪迈软件实现爆破设计的智能化及数字化，并输出爆破设计方案[2]。同时，利用迪迈软件实现了采矿方法的真三维设计，三维可视化效果好，显著提高了工作效率[3]；采用迪迈软件的建模功能及编制模块，有效地指导了露天矿山生产计划的设计，优化了采掘计划，显著提高了生产效率[4-5]。

此外，在露天矿山采空区建模及处理方面，CMS洞穴扫描测量和迪迈软件的综合采用，三维可视化效果好，可较好地获取采空区的真实参数，并生成实体模型，为采空区处理提供依据[6-7]。而露天矿山采空区具有隐蔽性强、建模困难等问题，严重威胁着矿山安全生产工作。本文旨在重建露天矿山采空区的实体模型，分析采空区的相关参数，并对其进行有效的爆破处理。

1 采空区处理难点分析

大宝山矿为大型露天多金属矿山，早期采用井工开采，分布着众多的地下巷道及采空区，此外，早期民采盗采现象普遍，难以有效制止。后期为了更为有效地回收矿石及安全生产，改用了露天开采模式。矿山赋存铁、铜硫矿、铅锌矿及氧化矿等，经济价值较高。但井下开采遗留的采空区始终制约着矿山的安全管理工作，且采空区所在范围内矿石的品位较高，若不能及时处理，将造成高质量矿石的不必要浪费。而露天采空区隐蔽性强、探测困难，需要结合现有图纸进行比对分析，一些民采空区无相应的地质参考资料，使得处理难度进一步加大。因此，有效地获取采空区的位置及相关参数，重构采空区真实形态，是保证处理效果的首要步骤，传统的探测手段难以实现这一目的。总的来说，目前存在以下问题：

1)由于露天矿山开采规模大、劳动强度高，且采空区所在区域极易存在一定的变形，早期探测认为处在安全阶段的采空区，可能由于时效性，采空区顶板及两帮处在持续变形阶段，甚至已经严重坍塌。

2)采空区隐蔽性强，内部复杂程度不定，传统手段难以有效地获取采空区的真实形态，从而无法准确获取采空区的范围及相关参数，难以达到全面分析采空区内部赋存环境的目标。

3)采空区探测后，传统的矿山软件难以有效构建采空区实体模型，且目前主要依靠潜孔钻机的炮孔钻孔情况进行爆破方案的制定，耗时长，存在一定的偏差，难以实现高效率的爆破作业。此外，不能及时获知采空区存在状态，可能对作业人员及现场设备构成威胁。

若这些问题得不到较好的解决，则导致后期爆破处理方案难以较好确定，浪费了大量的人力物力。同时，露天采场部分采空区既是重大安全隐患源，也是高品位矿石集聚地，为了实现安全施工及提高资源采出率，采空区的处理效果必须得以保证。

2 采空区实体模型构建及参数确定

2.1 采空区实体建模

对于采空区的处理而言，实体建模是关键所在。通过构建采空区模型，实现三维可视化操作，对确定采空区的位置及尺寸极为有利。在施工现场的炮孔中下放钻孔式三维激光仪，三维激光仪自带的360度高精度镜头可有效获取采空区的形态及相关参数，并以密集点云的形式输出。大宝山矿661采空区经三维激光扫描得到的密集点云如图1所示，其自带坐标方位信息，包含坐标及高程等，可较好地达到采空区定位的目的。三维数字化矿山软件迪迈软件功能强大，三维可视化效果好，带有点云输入功能，可将点云通过三角网连接，短时间内可重构采空区模型，并进行实体验证(图2)。

图1 采空区点云分布 Fig.1 Point cloud distribution of goaf

图2 采空区的实体模型Fig.2 Solid model of goaf

2.2 采空区参数

参照矿区表面模型，可以清楚了解采空区的分布位置，如图3所示。同时，迪迈软件含有测量的众多命令操作，可对重构的采空区实体模型进行有效的量测，进而确定采空区的长度、面积及体积等，如表1所示。此外，通过现场钻孔岩粉取样，送往化验室进行矿石品位分析，再将品位化验结果导入迪迈软件中的数据库，可对采空区内部的矿石进行品位估值操作，获取矿石储量；也可进行高品位与低品位矿石及岩石的界限划分，通过现场放点即可实现矿岩分装分运，有助于指导现场施工与生产。

图3 采空区与地表的空间关系Fig.3 Spatial relationship between goaf and surface

表1 采空区参数统计表

长沙矿山院在大宝山矿做了大量的采空区探测及稳定性分析工作，通过不断总结，给出了大宝山矿露天采空区的经验判别式：

h=0.71b-1.02

(1)

式中：h—最小保安层厚度，m；b—最大跨度，m。

通过计算可得，h=18.505 m，采空区顶板厚度12.2 m小于标准值18.505 m，顶板仍处于可施工状态；为了及时消除安全隐患，确保矿区安全生产工作，需要及时处理。

3 采空区爆破方案的自动化设计

3.1 采空区爆破参数设计

传统的爆破设计主要是依据现场拉线布孔，其工作量大、流程繁琐、劳动强度大、人力成本高，无法满足采空区及时处理的要求。迪迈软件自带露天矿山爆破设计功能，可按照设计参数实现自动布孔、装药、填塞、连网等操作。

前期采用正常台阶中深孔爆破，为后期采空区处理提供自由面。在进行采空区爆破方案设计时，首先对钻孔参数、孔网参数及药量设计方面进行参数设置。现场实测发现最小抵抗线为4.0 m，采空区所处地形存在一定的起伏，由于采空区的潜在威胁较大，将爆破的基本参数设置为：孔网参数为4.0 m×4.5 m，选用2#岩石炸药及铵油炸药，底部采用沙袋形成2.5 m的空气间隔，顶部采用岩粉填塞4.5 m，两间隔装药结构如图4所示。

图4 采空区炮孔装药结构示意图[8]Fig.4 Blasthole structure schematic diagram of goaf

先采用基本孔网参数进行自动化多孔布置，再结合软件的单孔布置及炮孔编辑功能，实现炮孔设计的智能化。采空区边界范围采用单孔功能添加合适的加密孔；在设计的基础上，再结合现场实际进行适当调整。由于采空区的炮孔深度以钻孔打穿采空区顶板为准，在迪迈软件中，则根据点云生成的实体模型进行等深度炮孔设计，设计炮孔24个，炮孔起始标高在685 m，深度暂定为18 m，以现场炮孔打穿深度为主。661采空区的顶板薄弱位置在采空区中部，故在采空区中部设置了1个起爆点。为了达到较好处理采空区的目的，采空区中部炮孔起爆延期时间为17 ms，爆区起爆延期时间分布在0～100 ms，爆区的炮孔设计如图5所示。有效利用爆破振动效应及岩石挤压作用是处理采空区的关键所在，本次爆破设计中单段最大装药量为2 316 kg，单孔最大药量为386 kg。

图5 采空区炮孔布置形式及起爆网络[8]Fig.5 Blasthole arrangement and detonating network of goaf

3.2 采空区爆破可行性分析

每个炮孔采用2发雷管进行引爆，再采用地表雷管进行起爆网络的最终连接。起爆网络连接后，利用软件的起爆模拟功能对起爆网络进行了分析，避免了网络连接错误而造成严重的爆破事故，对于爆破安全工作十分有利。同时，分析了等时线分布情况，发现较为密集，处在合理范围内。此外，生成了采空区爆区的起爆时间分布图，可以起到直观判断爆破设计是否合理的效果。各项流程完成后，导出采空区爆破设计方案，有助于进行炸药量及雷管等火工品用量统计，从而有序地安排爆破现场施工工作；也可分析设计方案的技术经济性，与实际用量形成比对，不断优化完善采空区爆破设计方案。

4 采空区处理效果分析

自动化布孔爆破后，现场施工中对炮孔的位置进行了少许调整，使其更为贴合实际情况。爆破期间，采用视频录制装置进行远程监控分析，无冲炮现象产生，发现在爆破的瞬间，爆区明显呈现强烈的下沉现象。安全等待时间后，现场检查发现形成了一个显著的矿坑，边缘处塌陷现象明显。采用测量仪器对爆破的范围进行了边界采点，并与原有探测情况进行了比对分析，认为整体上采空区所在范围已被成功爆破处理。同时，发现采空区局部区域的爆破岩石松散现象较为明显，原因在于岩石碎胀系数的存在。较好地消除了661采空区的安全隐患，且回收的铜硫矿石品位较高，经济效益良好。应用效果表明迪迈软件在采空区处理方面优势明显，可较好地实现采空区的实体建模及爆破处理，具有可行性。采空区爆破处理效果见图6。

图6 采空区爆破处理效果Fig.6 Effect of goaf blasting treatment

5 结语

1)采空区是露天矿山安全生产的重大危险源，本文分析了大宝山露天矿采空区处理的难点所在，认为采空区实体建模是成功处理的关键步骤。

2)结合三维激光扫描仪获取的点云数据，利用迪迈软件的点云生成实体模型功能，生成了661采空区的实体模型，得到了其范围、跨度及面积等参数，并通过经验公式判别认为该采空区存在潜在危险性，需及时进行强制爆破处理。

3)采用迪迈软件的露天矿山爆破设计功能，对爆区进行了自动化的设计、装药、连网工序设计，并进行了起爆时间分析，确定了合理可行的技术方案。按照软件生成的爆破方案进行了现场试验，采空区得以顺利起爆，且效果良好，达到了预期目标。