基于 CM S實(shí)測(cè)的采空區(qū)三維建模與回采可視化計(jì)算

羅周全,馮福康,沈玉眾,鄧 俏

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

0 前言

空區(qū)激光探測(cè)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(cè)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(chǎng)、硐室探測(cè)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(cè)方法相比[4～6],CM S是一種針對(duì)單個(gè)明確目標(biāo)的探測(cè)方法,其探測(cè)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(cè)的情況,所實(shí)施探測(cè)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(cè)十分困難,同時(shí)以往對(duì)回采指標(biāo)的計(jì)算也存在一些問題,這必然對(duì)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(chǎng)探測(cè)的實(shí)際情況,對(duì) CM S探測(cè)環(huán)境影響因素 （如采場(chǎng)濕度過大、測(cè)點(diǎn)難以選擇等）和測(cè)點(diǎn)的選擇進(jìn)行了分析探討,以 Su rpac軟件為平臺(tái),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(chǎng)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(duì)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(cè)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(cè)數(shù)據(jù)處理軟件等,通過內(nèi)置伺服驅(qū)動(dòng)馬達(dá)系統(tǒng)精密控制激光掃描頭的轉(zhuǎn)動(dòng),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(cè)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(duì)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(cè)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(dòng)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(duì)即時(shí)探測(cè)效果進(jìn)行查看；

（4）完成一周掃描后,掃描頭自動(dòng)抬高一個(gè)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(cè)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(cè)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(cè)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(duì) CM S空區(qū)探測(cè)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(cè)的準(zhǔn)確度。以下結(jié)合冬瓜山銅礦某采場(chǎng),從采場(chǎng)環(huán)境因素和測(cè)點(diǎn)的選擇分析其對(duì) CM S探測(cè)質(zhì)量的影響。

2.1.1 采場(chǎng)環(huán)境因素

溫度、濕度、粉塵等都是影響 CM S探測(cè)效果的環(huán)境因素,為保證探測(cè)的效率和精度,在探測(cè)期間應(yīng)保持采場(chǎng)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(cè)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(cè)。采場(chǎng)實(shí)測(cè)溫度 33℃,且井下通風(fēng)良好,基本符合探測(cè)環(huán)境要求。

2.1.1.2 濕度

實(shí)踐證明,濕度對(duì) CM S探測(cè)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(chǎng)濕度過大將嚴(yán)重影響CM S的正常運(yùn)轉(zhuǎn)與探測(cè)精度。結(jié)合采場(chǎng)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(chǎng)內(nèi)濕度較大,對(duì)探測(cè)很不利。為提高 CM S探測(cè)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(cè)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(cè)效果很重要的一個(gè)因素。同時(shí),粉塵不僅會(huì)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(chǎng)內(nèi)部粉塵漂浮不定,都嚴(yán)重影響CM S激光探測(cè)的精確度和穩(wěn)定性,因此在探測(cè)之前應(yīng)做好空區(qū)內(nèi)通風(fēng)排塵工作,確保探測(cè)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(gè)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(duì) CM S探測(cè)效果的影響如圖3所示。

圖3 CM S探測(cè)效果與采場(chǎng)環(huán)境因素的關(guān)系

2.1.2 探測(cè)位置的選擇

測(cè)點(diǎn)的選擇不僅關(guān)系到探測(cè)效果的好壞,而且關(guān)系到探測(cè)人員的生命安全。如果測(cè)點(diǎn)選擇不當(dāng)、視野遮擋嚴(yán)重將導(dǎo)致探測(cè)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(cè)人員生命安全。因此,為保證探測(cè)的效果,同時(shí)確保探測(cè)時(shí)人員和設(shè)備的安全,應(yīng)該對(duì)探測(cè)點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)選。

圖4 采場(chǎng)設(shè)計(jì)剖面圖

結(jié)合采場(chǎng)實(shí)際,如圖 4所示,可供選擇的測(cè)點(diǎn)數(shù)較多,應(yīng)對(duì)其進(jìn)行比較,具體見表 1。

表1 CM S測(cè)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(cè)數(shù)據(jù)生成采場(chǎng)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(duì)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(duì)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(duì)比如圖5所示。

圖5 空區(qū)模型處理前后對(duì)比圖

2.3 采空區(qū)剖面的生成

利用生成的采場(chǎng)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(píng)價(jià)以及在空區(qū)周邊進(jìn)行相關(guān)采礦活動(dòng)等工作提供必要的基礎(chǔ)性依據(jù)。

（1）通過將采場(chǎng)頂部鑿巖硐室邊界與CM S實(shí)測(cè)邊界對(duì)比發(fā)現(xiàn),其邊界基本吻合,說明探測(cè)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(zhǎng)度大約 17 m,這必然對(duì)采場(chǎng)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(chǎng)該側(cè)的活動(dòng)。

圖6 采場(chǎng)頂部鑿巖硐室邊界與 CM S實(shí)測(cè)邊界對(duì)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(chǎng)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(chǎng)回采后的超挖量,便于礦柱采場(chǎng)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?？梢钥闯鲈诳拷吔?3一側(cè)超挖較嚴(yán)重,且位于采場(chǎng)中部偏上的位置,但總體一般,采場(chǎng)回采質(zhì)量較好,結(jié)果見圖8。

圖7 某采場(chǎng)懸臂梁處剖面圖

其具體過程如下[9]：

（1）將采場(chǎng)探測(cè)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(chǎng)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(duì)空區(qū)模型進(jìn)行剖切,保留超挖部分實(shí)體,獲得某采場(chǎng)周邊的超挖量。采場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)底部存留有部分無法完全回收的礦石。存留礦量作為評(píng)價(jià)采場(chǎng)回采質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo),對(duì)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(chǎng)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(chǎng)內(nèi)存留礦量 12 477.7 t。

圖9 采場(chǎng)存留礦量計(jì)算圖

3.3 采場(chǎng)回采貧化率

采場(chǎng)回采貧化率是指采場(chǎng)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(chǎng)礦體頂板分界線,生成面文件,通過與 CM S探測(cè)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)貧化率,％；

R1—采場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(cè)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(chǎng)環(huán)境因素與測(cè)點(diǎn)的選擇分析闡述了其對(duì)CM S探測(cè)效果的影響以及模型的后期處理,以冬瓜山銅礦某采場(chǎng)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(chǎng)回采可視化計(jì)算方法。

（1）從溫度、濕度、粉塵及探測(cè)位置的選擇分析了環(huán)境因素對(duì) CM S探測(cè)的影響。因此,在實(shí)施井下空區(qū)現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)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(chǎng)情況,合理選擇測(cè)點(diǎn),確保 CM S探測(cè)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(cè)量人員提供的硐室邊界線對(duì)比,驗(yàn)證了探測(cè)的有效性,同時(shí)通過生成的剖面,對(duì)采空區(qū)中懸臂梁的長(zhǎng)度有了準(zhǔn)確的認(rèn)識(shí)。

（3）以Surpac軟件為平臺(tái),對(duì)采場(chǎng)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(píng)定回采質(zhì)量的優(yōu)劣,同時(shí)利于后續(xù)礦柱采場(chǎng)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。

[1]Op tech System Corporation.Cavity Monitoring System W irelessU serM anual[M].Canada：Op tech System Corporate,2004.

[2]Jarosz A,Shepherd L.App lication of cavity monito ring system for contro lof dilution and O re loss in open stopes [C].1 lth In ternational Congress of IS M,Cracow,Poland,2000：155-164.

[3]JaroszA,Shepherd L.Open stope cavitymonitoring for the control of dilution and ore loss[J].M ining Engineering, 1998,（8）：63-67.

[4]葉章,劉鴻福.高密度電阻率法在探測(cè)多層采空區(qū)中的應(yīng)用[J].科技情報(bào)開發(fā)與經(jīng)濟(jì),2008,18（21）：130 -132.

[5]閆長(zhǎng)斌,徐國元,中國生.復(fù)雜地下空區(qū)綜合探測(cè)技術(shù)研究及其應(yīng)用[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào),2005,24（4）：481-484.

[6]趙牧華,滕龍,袁平,等.探地雷達(dá)在南京某銅礦采空區(qū)探測(cè)中的應(yīng)用 [J].江蘇地質(zhì),2008,32（1）：37-40.

[7]劉曉明,羅周全,孫利娟,等.空區(qū)激光探測(cè)系統(tǒng)在我國的研究與應(yīng)用 [J].西安科技大學(xué)學(xué)報(bào),2008,28（2）：215-218.

[8]劉曉明,羅周全,張保,等.CM S空區(qū)探測(cè)的環(huán)境影響及誤差分析與糾正[J].礦冶工程,2008,28（4）：1-5.

[9]羅周全,鹿浩,劉曉明,等.基于空區(qū)探測(cè)的采場(chǎng)超欠挖量計(jì)算及頂板安全分析 [J].金屬礦山,2007,（12）,36-38.

[10]楊承祥.深井金屬礦床高效開采及地壓監(jiān)控技術(shù)研究 [D].長(zhǎng)沙：中南大學(xué),2007.

[11]楊承祥,羅周全,胡國斌,等.深井金屬礦安全高效開采技術(shù)研究 [J].采礦技術(shù),2006,6（3）：142-146.

[12]羅周全,李暢,孟穩(wěn)權(quán),等.一種新穎的采場(chǎng)存留礦量可視化計(jì)算方法 [J].金屬礦山,2008,43（8）：82-84.

[13]李昌寧,寧新亭,任鳳玉.礦床開采中的損失貧化分析及對(duì)策 [J].可持續(xù)發(fā)展.1999,15（11/12）：13-17.

[14]羅周全,張保,劉曉明,等.基于 CM S精密探測(cè)的采場(chǎng)貧化報(bào)失計(jì)算方法[J].金屬礦山.2007,42（10）：84-88.