羅周全,馮?？?沈玉眾,鄧 俏

（中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院,湖南 長沙 410083）

0 前言

空區(qū)激光探測系統(tǒng) （Cavity Monitoring System, CM S）是一種基于 3D激光掃描原理開發(fā)的礦山空區(qū)探測技術(shù),因其能快速準(zhǔn)確地描繪出空區(qū)三維形態(tài)特征,自 20世紀(jì) 90年代初研制成功以來,已在世界上很多礦業(yè)發(fā)達(dá)國家得到了廣泛應(yīng)用,成為地下礦山采場、硐室探測的主要手段之一[1～3]。

與傳統(tǒng)的高密度電法、探地雷達(dá)法等空區(qū)探測方法相比[4～6],CM S是一種針對單個明確目標(biāo)的探測方法,其探測結(jié)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、沿任意方向和位置切剖面,進(jìn)一步用于指導(dǎo)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)管理和控制過程。中南大學(xué)自 2006年首次引入該系統(tǒng)以來,已經(jīng)在國內(nèi)華錫集團(tuán)銅坑礦、銅陵冬瓜山銅礦、柿竹園多金屬礦、凡口鉛鋅礦等多家礦山成功應(yīng)用,取得了良好的效果[7]。

根據(jù)以往CM S采空區(qū)探測的情況,所實(shí)施探測的空區(qū)環(huán)境一般都較惡劣,因此要實(shí)現(xiàn)高精度的探測十分困難,同時(shí)以往對回采指標(biāo)的計(jì)算也存在一些問題,這必然對礦山的生產(chǎn)指標(biāo)產(chǎn)生影響。本文結(jié)合冬瓜山銅礦某采場探測的實(shí)際情況,對 CM S探測環(huán)境影響因素 （如采場濕度過大、測點(diǎn)難以選擇等）和測點(diǎn)的選擇進(jìn)行了分析探討,以 Su rpac軟件為平臺,闡述了空區(qū)三維模型的構(gòu)建方法以及空區(qū)剖面的生成,分析計(jì)算了采場回采指標(biāo),包括周邊超挖量、存留礦量以及回采貧化指標(biāo)等,對以往的方法做出了較大改進(jìn),實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量的 CM S探測與回采可視化構(gòu)建。

1 CM S基本原理及空區(qū)實(shí)體建模

1.1 CM S工作原理及過程

CM S基本構(gòu)成包括激光掃描頭、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)器、手持式控制器、支撐桿架及探測數(shù)據(jù)處理軟件等,通過內(nèi)置伺服驅(qū)動馬達(dá)系統(tǒng)精密控制激光掃描頭的轉(zhuǎn)動,使脈沖激光束沿橫軸方向和縱軸方向快速掃描。其工作原理和數(shù)據(jù)流程圖見圖 1、圖 2。具體探測步驟如下：

（1）安裝 CM S激光掃描頭、連接并固定支撐桿架；

（2）借助手持式控制器對掃描頭進(jìn)行初始化調(diào)節(jié)、設(shè)置掃描參數(shù),包括探測數(shù)據(jù)的文件名、掃描角度范圍及掃描精度等；

（3）掃描頭水平位置調(diào)零并開始掃描,系統(tǒng)自動將掃描數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)器轉(zhuǎn)發(fā)至手持式控制器,便于人員對即時(shí)探測效果進(jìn)行查看；

（4）完成一周掃描后,掃描頭自動抬高一個預(yù)先設(shè)置的角度（通常 1°～3°）進(jìn)行第二周掃描,直至掃描過程全部結(jié)束；

（5）將掃描數(shù)據(jù)從手持式控制器下載到計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與計(jì)算。

圖1 CM S工作原理示意圖

圖2 CM S工作數(shù)據(jù)流程圖

1.2 空區(qū)實(shí)體建模

利用CM S自帶的預(yù)處理軟件CM SPosProcess將探測獲得的“.txt”格式的原始文件轉(zhuǎn)換成“.dxf”格式的文件,同時(shí)將 CM S探測坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為礦山真實(shí)坐標(biāo),最終運(yùn)用 Surpac軟件生成空區(qū)三維實(shí)體模型。借助 Surpac軟件的強(qiáng)大功能,可以建立可視化程度高、編輯能力強(qiáng)的三維模型 ,其具體步驟如下：①利用 Surpac數(shù)據(jù)接口“Cavity監(jiān)控 dxf文件”將“. dxf”格式文件轉(zhuǎn)換成“.DT M”的實(shí)體模型格式文件；②驗(yàn)證生成實(shí)體模型的有效性；③如果實(shí)體模型驗(yàn)證有誤進(jìn)入第①步,反之完成采空區(qū)三維模型Surpac構(gòu)建。

2 采空區(qū) CM S探測環(huán)境因素分析與模型后期處理

2.1 環(huán)境因素分析

根據(jù)礦山對 CM S空區(qū)探測模型精確度的要求和采空區(qū)的實(shí)際情況,應(yīng)盡可能提高探測的準(zhǔn)確度。以下結(jié)合冬瓜山銅礦某采場,從采場環(huán)境因素和測點(diǎn)的選擇分析其對 CM S探測質(zhì)量的影響。

2.1.1 采場環(huán)境因素

溫度、濕度、粉塵等都是影響 CM S探測效果的環(huán)境因素,為保證探測的效率和精度,在探測期間應(yīng)保持采場通風(fēng)良好。

2.1.1.1 溫度

大量實(shí)踐證明,CM S理想的工作環(huán)境溫度為0～35℃[8],探測時(shí)間宜選擇溫度較低時(shí)段或采取相應(yīng)降溫措施后進(jìn)行探測。采場實(shí)測溫度 33℃,且井下通風(fēng)良好,基本符合探測環(huán)境要求。

2.1.1.2 濕度

實(shí)踐證明,濕度對 CM S探測效果的影響較大。由于 CM S為單一模式運(yùn)行,并未能實(shí)現(xiàn)不同濕度環(huán)境下的模式轉(zhuǎn)換,因此采場濕度過大將嚴(yán)重影響CM S的正常運(yùn)轉(zhuǎn)與探測精度。結(jié)合采場實(shí)際情況,底部出礦巷道中滯留少量積水,且溫度較高,致使采場內(nèi)濕度較大,對探測很不利。為提高 CM S探測效果,同時(shí)利于設(shè)備維護(hù)保養(yǎng),宜選擇通風(fēng)效果較好的測點(diǎn)或采用局扇風(fēng)機(jī)加強(qiáng)通風(fēng)。

2.1.1.3 粉塵

粉塵顆粒的大小及濃度也是影響探測效果很重要的一個因素。同時(shí),粉塵不僅會加速機(jī)械的磨損、縮短精密儀器的使用壽命,而且嚴(yán)重影響作業(yè)人員的身體健康。光線射到粉塵粒子表面以后發(fā)生反射或被吸收以及風(fēng)流引起的采場內(nèi)部粉塵漂浮不定,都嚴(yán)重影響CM S激光探測的精確度和穩(wěn)定性,因此在探測之前應(yīng)做好空區(qū)內(nèi)通風(fēng)排塵工作,確保探測的正常進(jìn)行。

實(shí)驗(yàn)和研究表明,當(dāng)風(fēng)速增加到一定數(shù)值時(shí),粉塵濃度可降低到一個最低數(shù)值,風(fēng)速再增高時(shí),粉塵濃度將隨之再次增加,因此應(yīng)選擇合理的排塵風(fēng)速。

粉塵含量、溫度、濕度對 CM S探測效果的影響如圖3所示。

圖3 CM S探測效果與采場環(huán)境因素的關(guān)系

2.1.2 探測位置的選擇

測點(diǎn)的選擇不僅關(guān)系到探測效果的好壞,而且關(guān)系到探測人員的生命安全。如果測點(diǎn)選擇不當(dāng)、視野遮擋嚴(yán)重將導(dǎo)致探測到的空區(qū)模型失真,難以為礦山其他工程所采用,甚至危及到探測人員生命安全。因此,為保證探測的效果,同時(shí)確保探測時(shí)人員和設(shè)備的安全,應(yīng)該對探測點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)選。

圖4 采場設(shè)計(jì)剖面圖

結(jié)合采場實(shí)際,如圖 4所示,可供選擇的測點(diǎn)數(shù)較多,應(yīng)對其進(jìn)行比較,具體見表 1。

表1 CM S測點(diǎn)選擇表

2.2 模型后期處理

采用 Surpac軟件利用空區(qū)探測數(shù)據(jù)生成采場空區(qū)的三維模型。為了便于后續(xù)工作,需要利用Surpac的實(shí)體模型編輯工具對空區(qū)模型進(jìn)行必要的編輯（采用實(shí)體模型布爾運(yùn)算的方法對空區(qū)旁的巷道部分進(jìn)行切割處理）。空區(qū)模型處理前、后對比如圖5所示。

圖5 空區(qū)模型處理前后對比圖

2.3 采空區(qū)剖面的生成

利用生成的采場空區(qū)三維模型,可以在 Surpac中沿采空區(qū)任意方向進(jìn)行剖切形成空區(qū)剖面。所生成的空區(qū)剖面可為礦山回采質(zhì)量的評價(jià)以及在空區(qū)周邊進(jìn)行相關(guān)采礦活動等工作提供必要的基礎(chǔ)性依據(jù)。

（1）通過將采場頂部鑿巖硐室邊界與CM S實(shí)測邊界對比發(fā)現(xiàn),其邊界基本吻合,說明探測精度較高,同時(shí)驗(yàn)證了頂部鑿巖硐室的間柱在回采中被完全爆破,如圖 6所示。

（2）利用 Surpac軟件的切剖面功能,生成位于空區(qū)右上部邊界處的“懸臂梁”剖面,如圖 7所示。通過計(jì)算其水平長度大約 17 m,這必然對采場后續(xù)的充填工作造成危險(xiǎn),應(yīng)采取一定措施,限制工作人員在采場該側(cè)的活動。

圖6 采場頂部鑿巖硐室邊界與 CM S實(shí)測邊界對比

3 回采指標(biāo)可視化計(jì)算

3.1 周邊超挖量計(jì)算

回采過程中,由于爆破邊界控制不準(zhǔn)或局部地段存在結(jié)構(gòu)面,造成采后空區(qū)邊界與原采場設(shè)計(jì)邊界不相吻合,存在超挖和欠挖現(xiàn)象。為了準(zhǔn)確掌握采場回采后的超挖量,便于礦柱采場的后續(xù)回采設(shè)計(jì)及回采指標(biāo)的控制,需計(jì)算其周邊超挖量。可以看出在靠近邊界 3一側(cè)超挖較嚴(yán)重,且位于采場中部偏上的位置,但總體一般,采場回采質(zhì)量較好,結(jié)果見圖8。

圖7 某采場懸臂梁處剖面圖

其具體過程如下[9]：

（1）將采場探測空區(qū)實(shí)體模型與回采設(shè)計(jì)單元實(shí)體模型復(fù)合,沿采場邊界線方向位置分別創(chuàng)建DT M面；

（2）用形成的 DT M面分別對空區(qū)模型進(jìn)行剖切,保留超挖部分實(shí)體,獲得某采場周邊的超挖量。采場周邊超挖實(shí)體模型分別如圖 9所示,計(jì)算結(jié)果見表2。

圖8 空區(qū)周邊超挖量

表2 采場超挖量計(jì)算結(jié)果

3.2 存留礦量計(jì)算

存留礦石是指由于礦石性質(zhì)、塊度、底部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)選擇以及出礦進(jìn)路坍塌等因素的影響 ,采場底部存留有部分無法完全回收的礦石。存留礦量作為評價(jià)采場回采質(zhì)量的一個重要指標(biāo),對礦體的下一步單體設(shè)計(jì)工作具有極大的實(shí)踐指導(dǎo)意義,同時(shí)也直接關(guān)系著礦山資源的綜合利用程度以及礦區(qū)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的問題[10～12]。其計(jì)算步驟如下：

（1）根據(jù)礦山提供的資料,從中提取底部結(jié)構(gòu)下邊界線以及拉底空間頂板線,在 Surpac中生成V型槽結(jié)構(gòu)；

（2）將空區(qū)模型和上述 v型槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行復(fù)合顯示,并進(jìn)行實(shí)體運(yùn)算,即可生成采場存留礦量模型；

（3）根據(jù)上述生成的模型,可以計(jì)算出存留礦量的體積。而存留礦石量的計(jì)算公式如下：

式中：H—存留礦量,t；

C—存留礦石體積,m3；

K—礦石松散系數(shù),取 =1.4；

ρ—礦石比重,t/m3,取ρ=3.7；

最終計(jì)算出采場內(nèi)存留礦量 12 477.7 t。

圖9 采場存留礦量計(jì)算圖

3.3 采場回采貧化率

采場回采貧化率是指采場回采過程中混采下來的廢石量與采下礦量（包括混入的廢石在內(nèi)）的百分比。金屬礦山貧化主要是由于地質(zhì)條件和采礦技術(shù)等方面的原因,使采下來的礦石中混有廢石從而引起礦石品位降低的現(xiàn)象[13]。結(jié)合冬瓜山礦的采礦方法發(fā)現(xiàn),其頂部鑿巖硐室的間柱在最后一步回采時(shí),也一起混入到了回采礦石中,因此也參與回采貧化指標(biāo)中來。其計(jì)算步驟如下：

（1）提取頂部鑿巖硐室底板線、拉底空間頂板線、采場礦體頂板分界線,生成面文件,通過與 CM S探測空區(qū)進(jìn)行布爾運(yùn)算,在 Su rpac中生成實(shí)際回采部分的實(shí)體,包括純礦石部分和廢石部分[14]；

（2）提取頂部鑿巖硐室間柱線生成間柱模型,通過將采場礦體頂板面與其復(fù)合,分別生成間柱中純礦石部分與廢石部分模型；

（3）根據(jù)上述生成的模型,可以計(jì)算出采場的回采貧化率。其計(jì)算過程如圖 10所示。

回采貧化率計(jì)算公式如下：

式中：P—采場貧化率,％；

R1—采場回采采下廢石量,t；

R2—頂部鑿巖硐室間柱的廢石量,t；

Q1—采場回采采下總礦石量,t；

Q2—頂部鑿巖硐室間柱礦石量,t。

經(jīng)計(jì)算回采貧化率為 6.0％,而不計(jì)算間柱模型時(shí)只有 4.5％,但前者更為符合實(shí)際。

圖10 采場回采貧化計(jì)算圖

4 結(jié)語

本文介紹了采空區(qū) CM S精密探測的基本原理以及采空區(qū)三維模型的構(gòu)建方法,分別從采場環(huán)境因素與測點(diǎn)的選擇分析闡述了其對CM S探測效果的影響以及模型的后期處理,以冬瓜山銅礦某采場周邊超挖量、存留礦石量以及回采貧化指標(biāo)的計(jì)算為例,介紹了采場回采可視化計(jì)算方法。

（1）從溫度、濕度、粉塵及探測位置的選擇分析了環(huán)境因素對 CM S探測的影響。因此,在實(shí)施井下空區(qū)現(xiàn)場探測時(shí),應(yīng)采取有效措施確保排塵通風(fēng)良好,盡量減少粉塵含量,降低溫度和濕度；結(jié)合礦山提供的圖紙和現(xiàn)場情況,合理選擇測點(diǎn),確保 CM S探測的精度和人員的安全。

（2）介紹了模型后期處理的方法和采空區(qū)剖面生成技術(shù)。通過將剖面與礦山測量人員提供的硐室邊界線對比,驗(yàn)證了探測的有效性,同時(shí)通過生成的剖面,對采空區(qū)中懸臂梁的長度有了準(zhǔn)確的認(rèn)識。

（3）以Surpac軟件為平臺,對采場回采指標(biāo)進(jìn)行了可視化計(jì)算。生成的周邊超挖模型,便于礦山人員評定回采質(zhì)量的優(yōu)劣,同時(shí)利于后續(xù)礦柱采場的回采；與以往存留礦量的計(jì)算方法不同,本次存留礦量模型直接采用體運(yùn)算生成,免去了用面生成存留礦量實(shí)體過程的繁瑣。在進(jìn)行貧化指標(biāo)的計(jì)算時(shí),根據(jù)礦山回采過程中頂部鑿巖硐室間柱也在回采過程一起被采下,將其納入回采貧化指標(biāo)的計(jì)算,使其更合礦山實(shí)際。

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