基于 CM S實測的采空區三維建模與回采可視化計算

羅周全,馮福康,沈玉眾,鄧 俏

（中南大學資源與安全工程學院,湖南 長沙 410083）

0 前言

空區激光探測系統 （Cavity Monitoring System, CM S）是一種基于 3D激光掃描原理開發的礦山空區探測技術,因其能快速準確地描繪出空區三維形態特征,自 20世紀 90年代初研制成功以來,已在世界上很多礦業發達國家得到了廣泛應用,成為地下礦山采場、硐室探測的主要手段之一[1～3]。

與傳統的高密度電法、探地雷達法等空區探測方法相比[4～6],CM S是一種針對單個明確目標的探測方法,其探測結果可直接用于計算空區體積和頂板面積、建立空區三維模型、確定礦柱實際邊界、沿任意方向和位置切剖面,進一步用于指導空區充填、礦柱爆破設計、回采貧損控制以及空區穩定性分析等相關管理和控制過程。中南大學自 2006年首次引入該系統以來,已經在國內華錫集團銅坑礦、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用,取得了良好的效果[7]。

根據以往CM S采空區探測的情況,所實施探測的空區環境一般都較惡劣,因此要實現高精度的探測十分困難,同時以往對回采指標的計算也存在一些問題,這必然對礦山的生產指標產生影響。本文結合冬瓜山銅礦某采場探測的實際情況,對 CM S探測環境影響因素 （如采場濕度過大、測點難以選擇等）和測點的選擇進行了分析探討,以 Su rpac軟件為平臺,闡述了空區三維模型的構建方法以及空區剖面的生成,分析計算了采場回采指標,包括周邊超挖量、存留礦量以及回采貧化指標等,對以往的方法做出了較大改進,實現了高質量的 CM S探測與回采可視化構建。

1 CM S基本原理及空區實體建模

1.1 CM S工作原理及過程

CM S基本構成包括激光掃描頭、數據轉發器、手持式控制器、支撐桿架及探測數據處理軟件等,通過內置伺服驅動馬達系統精密控制激光掃描頭的轉動,使脈沖激光束沿橫軸方向和縱軸方向快速掃描。其工作原理和數據流程圖見圖 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行初始化調節、設置掃描參數,包括探測數據的文件名、掃描角度范圍及掃描精度等；

（3）掃描頭水平位置調零并開始掃描,系統自動將掃描數據經數據轉發器轉發至手持式控制器,便于人員對即時探測效果進行查看；

（4）完成一周掃描后,掃描頭自動抬高一個預先設置的角度（通常 1°～3°）進行第二周掃描,直至掃描過程全部結束；

（5）將掃描數據從手持式控制器下載到計算機進行數據處理與計算。

圖1 CM S工作原理示意圖

圖2 CM S工作數據流程圖

1.2 空區實體建模

利用CM S自帶的預處理軟件CM SPosProcess將探測獲得的“.txt”格式的原始文件轉換成“.dxf”格式的文件,同時將 CM S探測坐標轉換為礦山真實坐標,最終運用 Surpac軟件生成空區三維實體模型。借助 Surpac軟件的強大功能,可以建立可視化程度高、編輯能力強的三維模型 ,其具體步驟如下：①利用 Surpac數據接口“Cavity監控 dxf文件”將“. dxf”格式文件轉換成“.DT M”的實體模型格式文件；②驗證生成實體模型的有效性；③如果實體模型驗證有誤進入第①步,反之完成采空區三維模型Surpac構建。

2 采空區 CM S探測環境因素分析與模型后期處理

2.1 環境因素分析

根據礦山對 CM S空區探測模型精確度的要求和采空區的實際情況,應盡可能提高探測的準確度。以下結合冬瓜山銅礦某采場,從采場環境因素和測點的選擇分析其對 CM S探測質量的影響。

2.1.1 采場環境因素

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

2.1.1.1 溫度

大量實踐證明,CM S理想的工作環境溫度為0～35℃[8],探測時間宜選擇溫度較低時段或采取相應降溫措施后進行探測。采場實測溫度 33℃,且井下通風良好,基本符合探測環境要求。

2.1.1.2 濕度

實踐證明,濕度對 CM S探測效果的影響較大。由于 CM S為單一模式運行,并未能實現不同濕度環境下的模式轉換,因此采場濕度過大將嚴重影響CM S的正常運轉與探測精度。結合采場實際情況,底部出礦巷道中滯留少量積水,且溫度較高,致使采場內濕度較大,對探測很不利。為提高 CM S探測效果,同時利于設備維護保養,宜選擇通風效果較好的測點或采用局扇風機加強通風。

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,粉塵不僅會加速機械的磨損、縮短精密儀器的使用壽命,而且嚴重影響作業人員的身體健康。光線射到粉塵粒子表面以后發生反射或被吸收以及風流引起的采場內部粉塵漂浮不定,都嚴重影響CM S激光探測的精確度和穩定性,因此在探測之前應做好空區內通風排塵工作,確保探測的正常進行。

實驗和研究表明,當風速增加到一定數值時,粉塵濃度可降低到一個最低數值,風速再增高時,粉塵濃度將隨之再次增加,因此應選擇合理的排塵風速。

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探測效果與采場環境因素的關系

2.1.2 探測位置的選擇

測點的選擇不僅關系到探測效果的好壞,而且關系到探測人員的生命安全。如果測點選擇不當、視野遮擋嚴重將導致探測到的空區模型失真,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,同時確保探測時人員和設備的安全,應該對探測點進行優選。

圖4 采場設計剖面圖

結合采場實際,如圖 4所示,可供選擇的測點數較多,應對其進行比較,具體見表 1。

表1 CM S測點選擇表

2.2 模型后期處理

采用 Surpac軟件利用空區探測數據生成采場空區的三維模型。為了便于后續工作,需要利用Surpac的實體模型編輯工具對空區模型進行必要的編輯（采用實體模型布爾運算的方法對空區旁的巷道部分進行切割處理）。空區模型處理前、后對比如圖5所示。

圖5 空區模型處理前后對比圖

2.3 采空區剖面的生成

利用生成的采場空區三維模型,可以在 Surpac中沿采空區任意方向進行剖切形成空區剖面。所生成的空區剖面可為礦山回采質量的評價以及在空區周邊進行相關采礦活動等工作提供必要的基礎性依據。

（1）通過將采場頂部鑿巖硐室邊界與CM S實測邊界對比發現,其邊界基本吻合,說明探測精度較高,同時驗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,生成位于空區右上部邊界處的“懸臂梁”剖面,如圖 7所示。通過計算其水平長度大約 17 m,這必然對采場后續的充填工作造成危險,應采取一定措施,限制工作人員在采場該側的活動。

圖6 采場頂部鑿巖硐室邊界與 CM S實測邊界對比

3 回采指標可視化計算

3.1 周邊超挖量計算

回采過程中,由于爆破邊界控制不準或局部地段存在結構面,造成采后空區邊界與原采場設計邊界不相吻合,存在超挖和欠挖現象。為了準確掌握采場回采后的超挖量,便于礦柱采場的后續回采設計及回采指標的控制,需計算其周邊超挖量。可以看出在靠近邊界 3一側超挖較嚴重,且位于采場中部偏上的位置,但總體一般,采場回采質量較好,結果見圖8。

圖7 某采場懸臂梁處剖面圖

其具體過程如下[9]：

（1）將采場探測空區實體模型與回采設計單元實體模型復合,沿采場邊界線方向位置分別創建DT M面；

（2）用形成的 DT M面分別對空區模型進行剖切,保留超挖部分實體,獲得某采場周邊的超挖量。采場周邊超挖實體模型分別如圖 9所示,計算結果見表2。

圖8 空區周邊超挖量

表2 采場超挖量計算結果

3.2 存留礦量計算

存留礦石是指由于礦石性質、塊度、底部結構設計參數選擇以及出礦進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。存留礦量作為評價采場回采質量的一個重要指標,對礦體的下一步單體設計工作具有極大的實踐指導意義,同時也直接關系著礦山資源的綜合利用程度以及礦區經濟可持續發展的問題[10～12]。其計算步驟如下：

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

（2）將空區模型和上述 v型槽結構進行復合顯示,并進行實體運算,即可生成采場存留礦量模型；

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

式中：H—存留礦量,t；

C—存留礦石體積,m3；

K—礦石松散系數,取 =1.4；

ρ—礦石比重,t/m3,取ρ=3.7；

最終計算出采場內存留礦量 12 477.7 t。

圖9 采場存留礦量計算圖

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）的百分比。金屬礦山貧化主要是由于地質條件和采礦技術等方面的原因,使采下來的礦石中混有廢石從而引起礦石品位降低的現象[13]。結合冬瓜山礦的采礦方法發現,其頂部鑿巖硐室的間柱在最后一步回采時,也一起混入到了回采礦石中,因此也參與回采貧化指標中來。其計算步驟如下：

（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探測空區進行布爾運算,在 Su rpac中生成實際回采部分的實體,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合,分別生成間柱中純礦石部分與廢石部分模型；

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

回采貧化率計算公式如下：

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。

經計算回采貧化率為 6.0％,而不計算間柱模型時只有 4.5％,但前者更為符合實際。

圖10 采場回采貧化計算圖

4 結語

本文介紹了采空區 CM S精密探測的基本原理以及采空區三維模型的構建方法,分別從采場環境因素與測點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的計算為例,介紹了采場回采可視化計算方法。

（1）從溫度、濕度、粉塵及探測位置的選擇分析了環境因素對 CM S探測的影響。因此,在實施井下空區現場探測時,應采取有效措施確保排塵通風良好,盡量減少粉塵含量,降低溫度和濕度；結合礦山提供的圖紙和現場情況,合理選擇測點,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剖面生成技術。通過將剖面與礦山測量人員提供的硐室邊界線對比,驗證了探測的有效性,同時通過生成的剖面,對采空區中懸臂梁的長度有了準確的認識。

（3）以Surpac軟件為平臺,對采場回采指標進行了可視化計算。生成的周邊超挖模型,便于礦山人員評定回采質量的優劣,同時利于后續礦柱采場的回采；與以往存留礦量的計算方法不同,本次存留礦量模型直接采用體運算生成,免去了用面生成存留礦量實體過程的繁瑣。在進行貧化指標的計算時,根據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的計算,使其更合礦山實際。

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