原廣武 李杰林 張興生(.西北有色地質(zhì)勘查局七一七總隊(duì)；.中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院；.吉林板廟子礦業(yè)有限公司)

基于CMS的采空區(qū)探測(cè)及殘礦回采

原廣武1李杰林2張興生3
(1.西北有色地質(zhì)勘查局七一七總隊(duì)；2.中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院；3.吉林板廟子礦業(yè)有限公司)

闡述了空區(qū)探測(cè)系統(tǒng)(CMS)的工作原理和數(shù)據(jù)處理過程，并以某金屬礦山為例，詳細(xì)介紹了基于CMS的采空區(qū)探測(cè)技術(shù)和殘礦的探測(cè)、回采設(shè)計(jì)過程。結(jié)果表明，CMS技術(shù)能有效解決采空區(qū)安全隱患，提高殘礦資源的安全高效回收利用效率，增加礦山企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，在礦山實(shí)際生產(chǎn)中具有重要的推廣應(yīng)用價(jià)值。

CMS 采空區(qū) 殘礦回采

在礦山開采活動(dòng)中，由于采用空?qǐng)龇?、非法開采、無規(guī)劃的亂采濫挖等各種原因，在一些礦山周邊留下了大量的規(guī)模不等的采空區(qū)，這些空區(qū)致使礦山開采條件惡化，礦柱變形破壞、相鄰作業(yè)區(qū)采場(chǎng)和巷道維護(hù)困難等地壓現(xiàn)象頻繁出現(xiàn)，同時(shí)引發(fā)大面積的冒落和巖移，引起地表塌陷、采空區(qū)積水等，已經(jīng)成為影響礦山安全生產(chǎn)的最主要的危害源之一。此外，在礦山生產(chǎn)中，礦石貧化率和損失率將直接影響到礦山的經(jīng)濟(jì)效益和礦產(chǎn)資源回收利用。如何精確地管理和控制礦產(chǎn)資源開采的貧化率、損失率指標(biāo)，是礦山生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)管理活動(dòng)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。近年來，隨著激光三維測(cè)量技術(shù)以及 Surpac、Micromine、Vulcan、3Dmine、DIMINE、Datamine等三維礦業(yè)軟件的推廣應(yīng)用，為采空區(qū)精確探測(cè)及殘礦回采提供了有效途徑。

1 采空區(qū)激光三維測(cè)量原理

激光三維測(cè)量亦稱空區(qū)探測(cè)系統(tǒng)(Cavity Monitoring System, CMS)，最早是由加拿大Optech公司生產(chǎn)的一種基于激光的空區(qū)探測(cè)系統(tǒng)，主要用于地下巷道工程及采空區(qū)的三維數(shù)字測(cè)量成圖，探測(cè)空區(qū)效率高，探測(cè)結(jié)果可視化效果好。在西方發(fā)達(dá)礦業(yè)國(guó)家應(yīng)用較早，在我國(guó)也已經(jīng)成為地下采空區(qū)測(cè)量的一種常用方法，探測(cè)成果可直接用于計(jì)算空區(qū)體積和頂板面積，建立空區(qū)三維模型，確定礦柱實(shí)際邊界，計(jì)算殘礦儲(chǔ)量，沿任意方向和位置切剖面，從而進(jìn)一步用于指導(dǎo)采空區(qū)充填、礦柱爆破設(shè)計(jì)、回采貧損控制以及空區(qū)穩(wěn)定性分析等相關(guān)采礦管理和控制過程，具有操作簡(jiǎn)單、使用安全、數(shù)據(jù)全面、精度可靠的優(yōu)點(diǎn)[1-2]。

CMS的工作原理是通過激光逐點(diǎn)掃描測(cè)量、實(shí)測(cè)系統(tǒng)定位點(diǎn)坐標(biāo)和數(shù)據(jù)后處理得到碎部點(diǎn)的空間三維坐標(biāo)，測(cè)程為百米級(jí)，精度為厘米級(jí)；CMS由激光掃描頭、控制箱、支撐固定桿、控制器及數(shù)據(jù)處理軟件構(gòu)成(使用便攜式電腦)，CMS系統(tǒng)構(gòu)成見圖1。

圖1 CMS系統(tǒng)構(gòu)成

CMS在開始工作之前，會(huì)依據(jù)補(bǔ)償器自動(dòng)設(shè)定初始位置，工作開始后根據(jù)電機(jī)步進(jìn)角度值(水平電機(jī)角度范圍為360°，縱向電機(jī)角度范圍為290°)和激光距離值，然后計(jì)算確定出目標(biāo)點(diǎn)位在系統(tǒng)默認(rèn)坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)，儀器中心位置坐標(biāo)為(0,0,0)，設(shè)定初始位置方向?yàn)槠鹗挤较?0°00′00″)，掃描原理見圖2。

圖2 CMS掃描原理

根據(jù)全站儀測(cè)量的前視覘標(biāo)(距離激光掃描頭近端點(diǎn)，或激光掃描頭紅點(diǎn))和后視覘標(biāo)三維坐標(biāo)(距離激光掃描頭遠(yuǎn)端點(diǎn))，通過CMS自帶PosProsess軟件進(jìn)行后處理，即可得到礦山坐標(biāo)系統(tǒng)三維數(shù)據(jù)文本文件，再利用第三方三維礦業(yè)軟件就可完成無人采空區(qū)的三維建模工作，CMS數(shù)據(jù)處理流程見圖3。

2 基于CMS的采空區(qū)探測(cè)

2.1 工程概況

某金屬礦山設(shè)計(jì)規(guī)模為2 000 t/d，采用斜坡道開拓方式。礦體及近礦圍巖主要為硅化構(gòu)造角礫巖，主礦體屬隱伏礦體,賦存標(biāo)高為700～330 m，傾角為50°～65°，為“T”型不規(guī)則的厚大透鏡狀體。礦體走向長(zhǎng)390～310 m，水平厚7.1～66.6 m，平均真厚度為16.1 m。根據(jù)地質(zhì)資源和開采技術(shù)條件，設(shè)計(jì)采用了分段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法[3]。

圖3 CMS采空區(qū)探測(cè)數(shù)據(jù)處理流程

分段高度為20 m，采場(chǎng)寬度為20 m，采用中深孔爆破落礦，底部結(jié)構(gòu)為鏟運(yùn)機(jī)出礦平底結(jié)構(gòu)，為了保證人員安全，利用遙控鏟運(yùn)機(jī)進(jìn)入采空區(qū)鏟運(yùn)礦石，直接裝入汽車運(yùn)至地表。出礦完畢后，利用CMS測(cè)量采空區(qū)，最后采用尾砂膠結(jié)充填采空區(qū)。

2.2 采空區(qū)探測(cè)及結(jié)果

采用CMS對(duì)某地下金屬礦山660 m中段2#、4#、6#、8#、10#采空區(qū)進(jìn)行了激光三維掃描測(cè)量，并使用相關(guān)軟件對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和三維建模，采空區(qū)和分段采場(chǎng)設(shè)計(jì)可采礦體資源模型見圖4，通過計(jì)算得到各個(gè)采空區(qū)的回采礦體體積和資源量(見表1)，進(jìn)而精確地管理和控制礦產(chǎn)資源開采的超欠挖率、貧化率、損失率等各項(xiàng)指標(biāo)[4-5]。

圖4 采空區(qū)與設(shè)計(jì)可采礦體資源模型

表1 采空區(qū)回采資源量

3 基于CMS探測(cè)結(jié)果的殘礦回采設(shè)計(jì)

通過以上對(duì)采空區(qū)CMS三維激光掃描結(jié)果的處理和分析，可以確定礦柱實(shí)際邊界,計(jì)算殘礦儲(chǔ)量?；贑MS采空區(qū)探測(cè)計(jì)算后的部分殘礦資源體平面圖及資源統(tǒng)計(jì)表分別見圖5和表2。

圖5 殘礦資源體平面

表2 殘礦資源統(tǒng)計(jì)

以該礦山640 m中段5#采場(chǎng)為例,進(jìn)行殘礦資源體計(jì)算及殘礦體回采設(shè)計(jì)。根據(jù)地質(zhì)礦體模型和采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，首先設(shè)計(jì)出采場(chǎng)爆破礦體模型[6]，見圖6(a)及圖7(a)。該采場(chǎng)采用中深孔崩礦回采完畢后，利用CMS完成了該采空區(qū)的三維激光測(cè)量，得到采空區(qū)模型[7]，見圖6(b)及圖7(b)。將采空區(qū)模型與采場(chǎng)設(shè)計(jì)爆破礦體進(jìn)行差集布爾運(yùn)算，得到設(shè)計(jì)爆破礦體損失部分[8]，見圖6(c)及圖7(c)。通過查看和分析可知，殘留礦體部分主要在西南方向。取主要部分殘礦資源礦體D(圖6(d)及圖7(d))作為殘礦回收利用的首要部分進(jìn)行回采設(shè)計(jì)，這部分位于640 m 中段地質(zhì)資源圈定礦體靠近斷層的凸出位置，占全部設(shè)計(jì)爆破礦體損失部分的78%；而位于東北

方向爆破礦體損失部分的殘礦將在該中段臨近采空區(qū)采礦設(shè)計(jì)中加以回收利用，占全部設(shè)計(jì)爆破礦體損失部分的9%；其余13%即為采礦損失。

圖6 差集布爾運(yùn)算流程及結(jié)果平面

圖7 差集布爾運(yùn)算流程及結(jié)果剖面

根據(jù)殘礦體(圖6(d))附近已有的工程情況，進(jìn)行了回采設(shè)計(jì)， 見圖8。通過回采實(shí)踐，該殘礦體回收礦石2 613 t，品位為3.93 g/t，提高了礦產(chǎn)資源利用率，增加了礦山經(jīng)濟(jì)效益，取得了預(yù)期效果。

4 結(jié) 語

通過CMS系統(tǒng)在采空區(qū)探測(cè)及殘礦回收中的實(shí)踐應(yīng)用，進(jìn)一步表明了CMS系統(tǒng)是井下采空區(qū)精密探測(cè)的有效手段，探測(cè)結(jié)果能很好地指導(dǎo)采空區(qū)充填、殘礦回采、礦石貧化率和損失率控制等相關(guān)采礦設(shè)計(jì)和管理過程，具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。

[1] 張朝雷,宋衛(wèi)東,付建新,等.CMS及三維可視化技術(shù)在采空區(qū)探測(cè)中的應(yīng)用研究[J].現(xiàn)代礦業(yè),2011,504(4)：95-97

[2] 李同鵬,王亨炎,婁廣文.CMS探測(cè)系統(tǒng)在采空區(qū)測(cè)量中的應(yīng)用與實(shí)踐[J].金屬礦山,2010,39(4):110-113

[3] 郭金鋒.分段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V方法的試驗(yàn)研究[J].江西有色金屬，2000，14(3):8-10.

[4] 周智勇，陳建宏，周科平.Surpac Vision軟件在礦床建模中的應(yīng)用[J].礦業(yè)工程,2004，2(4):56-58.

[5] 龔元翔，王李管，張海軍，等.基于MICROMINE系統(tǒng)的露天礦山三維可視化技術(shù)研究[J].中國(guó)鉬業(yè)，2007，31(4):13-16.

[6] 羅周全,張 保,劉曉明,等.基于CMS精密探測(cè)的采場(chǎng)貧化損失計(jì)算方法[J].金屬礦山,2007,376(10)：84-88.

[7] 過 江,古德生,羅周全.金屬礦山采空區(qū)3D激光探測(cè)新技術(shù)[J].礦冶工程,2006,26(5):16-19.

[8] 羅周全,鹿 浩,袁節(jié)平,等.CMS輔助金屬礦山采空區(qū)回采技術(shù)研究[J].有色金屬:礦山部分,2008,60(6):1-4.

Goaf Detection and Residual Ore Mining Based on CMS

Yuan Guangwu1Li Jielin2Zhang Xingsheng3

(1.Division 717 of Northwest Nonferrous Geological Exploration Bureau;2.School of Resources and Safety Engineering,Central South University;3.Jilin Banmiaozi Mineral Company Co., Ltd.)

The operating principle and data processing process of cavity monitoring system(CMS) is expounded. Taking a metal mine as the research example, the goaf detection technology and residual ore detection, mining design are analyzed in detail. The research results show that, the CMS technology can effectively solve the potential safety hazard of goaf, improve the safety recycle efficiency of residual ore resources and increase the economic benefits of mining enterprises. Therefore, the CMS technology has important application value in the actual production in mines.

Cavity monitoring system, Goaf, Residual ore mining

2014-08-16)

原廣武(1967—)，男，工程師，721012 陜西省寶雞市金臺(tái)區(qū)金臺(tái)大道5號(hào)。