韋章能，郭利杰

（1.銅陵有色金屬集團(tuán)股份有限公司，安徽銅陵244000；2.北京礦冶研究總院，北京100160）

CMS精密探測技術(shù)在月山銅礦中的應(yīng)用

韋章能1，郭利杰2

（1.銅陵有色金屬集團(tuán)股份有限公司，安徽銅陵244000；2.北京礦冶研究總院，北京100160）

運用CMS三維精密探測技術(shù)探測月山銅礦L-7＃礦體老采空區(qū)變化狀況，計算其主要采空區(qū)的體積，描述其空間實際邊界，并與原來采礦設(shè)計的回采邊界相比較，揭露其變化規(guī)律，為規(guī)模較大的老采空區(qū)處理提供依據(jù)，同時對老采空區(qū)上部毗鄰的L-23＃礦體安全回采有重要的指導(dǎo)意義。

CMS精密探測；采空區(qū)；垮落率；超采率；損失率

三維激光掃描技術(shù)是最近20多年發(fā)展起來的新興技術(shù)之一，具有非常廣闊的應(yīng)用前景，特別是將特殊的三維激光掃描系統(tǒng)——空區(qū)探測系統(tǒng)引入礦山井下數(shù)據(jù)的采集，大大提高了井下數(shù)據(jù)采集的效率及工作人員的安全性。探測成果可直接用于計算空區(qū)體積和頂板面積、建立空區(qū)三維模型、確定采場實際邊界、沿任意方向和位置切剖面，此技術(shù)可為采空區(qū)穩(wěn)定性分析、采空區(qū)的充填、回采爆破的設(shè)計以及控制礦產(chǎn)資源的損失貧化等相關(guān)的采礦管理與控制過程提供技術(shù)指導(dǎo)，同時可為礦山帶來可觀的經(jīng)濟(jì)與安全效益［1-3］。

1 CMS精密探測系統(tǒng)

加拿大Noranda和Optech兩個公司聯(lián)合研發(fā)了采空區(qū)探測系統(tǒng)（Cavity Monitoring System，CMS）。CMS探測系統(tǒng)是對目標(biāo)整體或局部在三維空間進(jìn)行從左到右、從上到下全自動高精度逐步掃描，進(jìn)而得到完整、全面、連續(xù)、關(guān)聯(lián)的全景點三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，真實地描述出目標(biāo)整體結(jié)構(gòu)及形態(tài)特性。這些數(shù)據(jù)經(jīng)過后處理可獲得掃描目標(biāo)的長度、體積、面積、深度、結(jié)構(gòu)位移、結(jié)構(gòu)形變等全面的幾何內(nèi)容，從而體現(xiàn)了CMS較高的探測效率與良好的可視性［1，4］。

CMS系統(tǒng)利用激光掃描儀進(jìn)行360°旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)其掃描功能，在旋轉(zhuǎn)過程中會自動地收集并存儲角度與距離等數(shù)據(jù)。它每完成一次360°的掃描，將自動按照操作人員事先設(shè)定角度抬高其仰角進(jìn)行新一輪掃描，收集更大旋轉(zhuǎn)圈上的點的數(shù)據(jù)，直至完成全部探測工作［5-6］。具體掃描過程如圖1所示。

2 月山銅礦L-7＃礦體采空區(qū)概況

月山銅礦龍門山坑口自1997年投產(chǎn)以來，共采出礦石120萬t，在開采過程中形成的拉底巷道、電耙道、鑿巖硐室、出礦進(jìn)路等工程未能及時充填，目前形成了大約36萬m3的空區(qū)，只有L-9＃采空區(qū)利用探礦及開拓產(chǎn)生的廢石進(jìn)行充填。

技術(shù)人員經(jīng)過對原采準(zhǔn)圖紙、爆破圖紙反復(fù)校對，計算空區(qū)總體積為36萬m3。其中最大的采空區(qū)A呈現(xiàn)出南北走向與東西走向兩個近似長方體的復(fù)合體特征，并且南高北低。其形成的主要原因是由于多個采空區(qū)之間的間柱垮落而貫通形成，該空區(qū)目前走向長達(dá)90m，傾向長度達(dá)120m，平均厚度為44m［7］。采空區(qū)的標(biāo)高范圍為-575～-678m，由于其埋藏深度超過500m，故地表不存在塌陷和下沉問題。

采空區(qū)B最初由兩個獨立的長方體空區(qū)組成，其中一個長方體的長寬高分別為57m、26m、55m；另外一個長方體長寬高分別為40m、36m、55m。由于這兩個空區(qū)之間4m寬的間柱已經(jīng)垮落，導(dǎo)致了采空區(qū)A和采空區(qū)B基本聯(lián)通［8］，使得空區(qū)的總體積和暴露面積相當(dāng)大，現(xiàn)有空區(qū)存在最長時間為13年，其中主要大空區(qū)存在有5年之久。

圖1 CMS激光掃描過程示意圖Fig.1 The CMS laser scanning process

3 最大采空區(qū)精密探測

3.1 探測過程

2011年研究人員對采空區(qū)進(jìn)行探測和數(shù)據(jù)采集，約75min后完成了掃描實驗工作。掃描完畢后，儀器自動復(fù)位。在掃描過程中，筆記本電腦上會實時顯示儀器工作狀態(tài)、進(jìn)度、點云圖等信息。

3.2 探測結(jié)果

3.2.1 采空區(qū)三維建模生成

利用Dimine軟件對由空區(qū)探測數(shù)據(jù)生成的-575m采空區(qū)A三維模型，進(jìn)行分析處理。為了更好地進(jìn)行后續(xù)工作，利用Dimine軟件的實體模型編輯工具對采空區(qū)模型進(jìn)行必要的編輯［5］。圖2為三維模型建立流程圖，圖3為-575m采空區(qū)A模型的三視圖。

圖2 三維實體模型建立流程圖Fig.2 3Dsolid model flow chart

圖3 采空區(qū)A三維模型Fig.3 3Dmodel of cavity A

3.2.2 三維模型分析

分析采空區(qū)A三維模型，受測點位置和空區(qū)內(nèi)殘留礦柱及礦堆影響，本次檢測空區(qū)體積小于實際空區(qū)體積，檢測出的空區(qū)基本能反映出采空區(qū)變化和形狀，采空區(qū)最高點標(biāo)高大約-538m，最低約-600m，空區(qū)最大斜長為148m。

位于標(biāo)高-575m水平以下的部分，由于受空區(qū)內(nèi)的殘礦阻擋影響，采空區(qū)模型右下方的空區(qū)形態(tài)沒有檢測出來；位于標(biāo)高-575m水平以上的部分，其最高點為-538m，與原來采礦控制頂板高處相比，模型顯示有垮落，垮落高度5～8m。

根據(jù)生成的模型計算可得出-575m采空區(qū)A的體積為187 565m3。

3.3 采場技術(shù)指標(biāo)分析計算

根據(jù)CMS測量的數(shù)據(jù)及Dimine軟件生成的采空區(qū)模型，可計算多個采礦技術(shù)指標(biāo)，如垮落體體積、垮落率、采場超挖率、采場欠挖率等。這些技術(shù)指標(biāo)對檢驗爆破效果、計算采場的損失率和貧化率以及能夠指導(dǎo)充填作業(yè)、臨近礦體的回采等工作，對礦山的安全生產(chǎn)具有重要意義。

1）垮落體體積與垮落率的計算

利用Dimine軟件計算采空區(qū)垮落體體積的方法是使用Dimine報告實體體積的功能來實現(xiàn)，經(jīng)計算，-575m垮落體體積為106 697m3。

用體積法計算垮落率來反映垮落經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)。計算公式如下：

式中：P1—垮落率；V1—爆破形成空區(qū)的總體積，187 565m3；V2—跨落體的體積，106 697m3。

經(jīng)計算采空區(qū)A的垮落率為P1＝106 697/187 565×100%＝56.8%。

2）建立采空區(qū)實體模型的水平和縱向剖面

利用CMS探測成果可沿任意方向和位置切剖面的功能，將生成的模型沿某一剖面線進(jìn)行剖切，生成的平面與對應(yīng)位置的設(shè)計平面進(jìn)行對比，即可看出探測邊界與設(shè)計邊界的關(guān)系。

建立采空區(qū)實體模型的剖面具體操作如下：（1）將實體模型調(diào)入Dimine軟件；（2）確定剖面的位置與數(shù)量；（3）進(jìn)行實體剖切；（4）顯示剖面圖。

將生成的剖面與該位置的設(shè)計剖面對比，根據(jù)面積法即可求得超挖率與欠挖率。圖4和圖5分別是-575m采空區(qū)實測剖面線與沿10線和沿12線的設(shè)計剖面線的對比圖。

3）采場超挖指標(biāo)的計算

圖4 -575m采空區(qū)實測剖面線與設(shè)計（沿10線）剖面線對比圖Fig.4 The comparison diagram of measured profile line and designed lines（Along the 10Line）on-575mlevel

圖5 -575m采空區(qū)實測剖面線與設(shè)計（沿12線）剖面線對比圖Fig.5 The comparison diagram of measured profile line and designed lines（Along the 12Line）on-575mlevel

以12線剖面為例，將采空區(qū)實測邊界與采場回采界線進(jìn)行對比，采用面積法計算超挖指標(biāo)。計算公式如下：

式中：P2—超采率；S1—設(shè)計回采空區(qū)的面積；S2—回采超挖的面積。

經(jīng)計算，沿12線的采場設(shè)計回采面積為3 034.5m2，回采超挖面積為198.2m2，則超采率P2＝198.2/3 034.5×100%＝6.5%。

4）采場欠挖指標(biāo)的計算

以12線剖面為例，將空區(qū)實測邊界與采場回采界線進(jìn)行對比，采用面積法計算欠挖指標(biāo)。計算公式如下：

式中：P3—欠挖率；S1—設(shè)計回采空區(qū)的面積；S3—回采欠挖的面積。

經(jīng)計算，沿12線的采場設(shè)計回采面積為3 034.5 m2，回采超挖面積為56.8m2，則欠挖率P3＝56.8/3 034.5×100%＝1.9%。

4 結(jié)論

基于CMS技術(shù)對所探測采空區(qū)的詳盡計算分析，得出如下結(jié)論：

1）采場在實際回采中存在一定的超挖（或采空區(qū)長時間暴露產(chǎn)生冒落）和欠挖現(xiàn)象。L-7＃礦體12線的超挖率達(dá)6.5%，爆破邊界控制不是太好，需要加強控制，減少貧化；欠挖率1.9%，該項技術(shù)指標(biāo)較好。

2）本次探測結(jié)果顯示大空區(qū)頂板穩(wěn)定性很差、垮落嚴(yán)重，計算出采空區(qū)在5年時間內(nèi)總垮落率為56.8%，平均每年垮落率達(dá)11.4%，說明采空區(qū)處在一個持續(xù)緩慢的垮落過程中，使得礦石貧化較為嚴(yán)重，出礦品位降低，影響經(jīng)濟(jì)效益。

3）對完成探測的采空區(qū)體積和空間位置有了精確的計算和了解。通過設(shè)計圖紙，計算出的主要采空區(qū)總體積為36萬m3，現(xiàn)在通過CMS探測技術(shù)，探測出主要采空區(qū)的體積至少為46萬m3，為充填設(shè)計和充填作業(yè)提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，有著積極指導(dǎo)意義。

4）空區(qū)年度垮落率為11.4%，空區(qū)體積在增大，處在不穩(wěn)定狀態(tài)中。建議企業(yè)加快充填進(jìn)程，盡快實施充填，便于L-23＃礦體（與L-7＃礦體采空區(qū)東北角下連通）順利回采，同時徹底消除安全隱患。

5）利用采空區(qū)群之間的清晰關(guān)系，對采空區(qū)周邊間柱、殘礦等二次資源進(jìn)行梳理和統(tǒng)計匯總，為殘留資源綜合回收利用提供基礎(chǔ)依據(jù)。

5 結(jié)語

運用CMS探測儀探明了月山銅礦最大的采空區(qū)，對根據(jù)探測數(shù)據(jù)生成的采空區(qū)三維模型進(jìn)行分析處理，計算出空區(qū)體積，顯示出采空區(qū)空間位置關(guān)系?？諈^(qū)模型可以在Dimine、Surpac等軟件中進(jìn)行任意方向的剖切，以得到空區(qū)的剖面，并以CAD文件形式輸出，所生成的空區(qū)剖面可為工作人員在空區(qū)周邊進(jìn)行相關(guān)開采設(shè)計等工作提供必要的基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)。在礦山日常生產(chǎn)中，可用于采場的損失貧化監(jiān)控，檢驗爆破效果等。另外，通過掌握空區(qū)形態(tài)還可掌握資源回收利用情況，計算貧化率和損失率，確定是否殘留資源，以及確定如何回收殘留資源方案。

CMS技術(shù)在月山銅礦的成功應(yīng)用對優(yōu)化回采工藝與爆破參數(shù)，對提高礦床的開采質(zhì)量及回收率，實現(xiàn)礦山的安全高效生產(chǎn)具有指導(dǎo)意義。

［1］劉曉明.基于實測的采空區(qū)三維建模及其衍生技術(shù)的研究與應(yīng)用［D］.長沙：中南大學(xué)，2007.

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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

韋章能（1969-），男，高級工程師，主要研究方向為采礦工藝、礦山充填技術(shù)、CMS采空區(qū)精密探測技術(shù)。

10.3969/j.issn.1671-4172.2015.03.003