用三維仿真進行采場分析和設計

黃文福（潘洛鐵礦，福建 漳平 364405）

用三維仿真進行采場分析和設計

黃文福（潘洛鐵礦，福建 漳平 364405）

以潘洛鐵礦2號礦體為例介紹了采場的三維建模過程、采礦方法、參數(shù)的選擇及取得的效果。

三維；模型；礦柱；采礦方法

1 前言

隨著科技的不斷發(fā)展，3D仿真技術日趨完善和成熟。在采礦工程領域，運用三維模擬仿真技術對采場進行采礦方法的設計目前還比較少，筆者對此進行了實驗，效果還是令人滿意的，較以往的CAD二維設計，礦體的空間位置形態(tài)表現(xiàn)直觀，各種工程的布置也很明了。在空間定位方面較傳統(tǒng)二維平面設計有很大的改觀。本文就以潘洛鐵礦的40m中段2號礦體為例，應用國產(chǎn)的3Dmine軟件的方法和過程進行介紹。

2 設計前提條件

（1）潘洛鐵礦是位于戴云山脈中麓的一個中小型鐵礦，主生產(chǎn)采用豎井開拓系統(tǒng)。單翼對角式通風，井口標高210m，井底標高27.5m,井下分130、100、70、40m四個中段,中段高度30m，單層罐籠提升，礦井設計生產(chǎn)能力20萬t，井下用ZK7-6/250架線電機車和YCC1.2-6側(cè)卸礦車運輸。振動放礦機出礦。

（2）礦區(qū)內(nèi)地層自石炭系至第四紀均有出露，鐵礦主要賦存于石炭系船山組灰?guī)r二疊系棲霞組灰?guī)r中以及灰?guī)r和林地組粉砂巖的交界面構(gòu)造帶，灰?guī)r多變質(zhì)為大理巖，部分交代成矽卡巖。區(qū)內(nèi)巖漿巖發(fā)育，巖體遍及全區(qū)，以燕山期酸性花崗巖和花崗斑巖為主，在標高100m以下裂隙發(fā)育程度不高，但花崗巖體對礦體影響比較大，使礦體產(chǎn)狀變化大，其巖株巖墻對礦體穿插比較強烈。

（3）2號礦體分布在4～8勘探線，北邊被花崗斑巖切割，呈NW-SE方向展布。礦體呈似層狀，走向150°～330°，傾向NE，傾角10°～43°。本次涉及的40中段儲量約60萬t，礦體厚度0.66～47m，平均約10m。

（4）礦體頂板以大理巖和矽卡巖為主，其次為花崗斑巖和黃鐵礦體，底板以矽卡巖為主，其次為花崗斑巖，局部為砂巖大理巖。矽卡巖的抗壓強度119.08MPa,普氏硬度f=12，穩(wěn)固；大理巖抗壓強度77MPa，f＞8,中等至穩(wěn)固；花崗巖致密堅硬，穩(wěn)固。統(tǒng)計2號礦體頂板矽卡巖占32.5%，大理巖占50%，花崗斑巖2.5%，底板矽卡巖占75%，花崗斑巖10%，砂巖5%。礦體為磁鐵礦體，抗壓強度52～86MPa,穩(wěn)固。礦巖在100m標高以下裂隙發(fā)育程度不高，一般小于5%。

3 礦塊的三維建模

礦塊的三維建模是設計的第一步，是后續(xù)設計的基礎，依據(jù)所提交的地質(zhì)報告和測量數(shù)據(jù)，建模采用3Dmine或者surpac等都可以，過程基本相同，以采用其中方法之一的數(shù)據(jù)庫建模模式為例簡要介紹：首先建立數(shù)據(jù)庫，并分別建立鉆孔定位表，鉆孔測斜表，鉆孔巖性表，鉆孔化驗表；然后制作鉆孔相關的文本數(shù)據(jù)或者EXCEL表格;把表格數(shù)據(jù)導入數(shù)據(jù)庫中，經(jīng)過修改和校對編輯后，編輯好的數(shù)據(jù)就可以顯示，不過在顯示前還必須進行設置，主要設置礦體巖體顯示顏色，孔口顯示風格文字標注等，這樣基本就可以顯示鉆孔的三維實體和見礦部位的位置品位等信息。要形成礦體實體還要將各個剖面的礦體邊界分別圈定后，通過線段間建立三角網(wǎng)將各剖面礦體邊界相連形成礦體的實體模型。圖1是此次設計2號礦體40m中段標高至70m中段標高礦體完成后的模型。從模型可以看出礦體中部內(nèi)凹且傾角平緩，6線位置礦體較厚，礦體產(chǎn)狀變化較大，傾角在12°～43°之間變化，厚度變化也較大，薄的地方約2m，厚的地方35m左右，將礦體等厚度圖做出，可以看到礦體有兩處礦體大于12m區(qū)域，見圖2。另外還需將礦體底板等高線圖做出，見圖3及圖4（圖3為平面視角，圖4為側(cè)視），可見礦體底板各處較為起伏，整體傾角變化較大，底板的等高線大致沿走向分布，沿傾向方向兩端較陡，中部平緩形成一個緩坡。這些都為選擇采礦方法和布置底板上的電耙溜井工程提供了依據(jù)。

4 采礦方法的選擇

圖1 2號礦體40～70m實體模型圖

圖2 礦體厚度分布圖

圖3 礦體底板等高線平面圖

圖4 礦體底部DTM表面及各剖面形態(tài)

通過前面描述看出，該礦體總體處于中厚礦體，但是礦體各處厚度變化很大，不少地方厚度較薄，較厚的地方主要為4″線和6線的兩塊區(qū)域，對于中厚礦體的采礦早期曾經(jīng)采用中深孔分段崩落采礦法，但是由于沒有形成最初的覆蓋巖層，爆下的礦石拋至空區(qū)無法裝運。另外礦體的厚度、傾角、走向及夾石受構(gòu)造影響和花崗斑巖穿插影響嚴重，變化較大，這樣給中深布孔增加很大難度，貧化也比較嚴重。后來經(jīng)過試驗還是淺孔落礦比較適合礦山情況，工藝也比較容易為工人掌握，基本解決了貧化和回采率低的問題。2號礦體的采礦方法選擇，根據(jù)礦體厚度傾角變化大，單一方法都不是很理想。因此確立基本原則：厚度小于8～10m部分用房柱采礦法，大于8～10m的地段用留礦法或者全面留礦法。根據(jù)礦體厚度分布圖，在厚度大于12m區(qū)域布置留礦采礦法，底部結(jié)構(gòu)采用二次電耙巷的結(jié)構(gòu)，出礦過程礦石經(jīng)漏斗—電耙巷—溜井—振動放礦機到中段運輸巷的礦車，電耙道間距為10～12m，電耙兩側(cè)漏斗交錯布置間距5～6m。其余礦體較薄部位可20m間隔先布置電耙道兼做探礦，并在電耙道漏斗中施工上山以探測礦體厚度，如果礦體厚度大于10m，就加密電耙道為間隔10m，用留礦法采礦；如果礦體較薄小于8m，就將電耙道改作為拉底巷道，變成礦房寬度為10～20m的房柱法直接開采，不再掘進斗穿斗頸。這樣可以增加采礦方法的應變性,以適應該礦床產(chǎn)狀變化大的特點。溜井以布置在剖面的運輸巷兩側(cè)為主，見圖5。電耙道的布置則以礦體底板等高線為依據(jù)，沿走向和礦體底板標高布置。電耙道布置的三維視圖見圖6。

圖5 溜井布置圖

圖6 2號礦體工程布置圖

礦柱的留設：全礦體通過條帶柱進行分割，條帶柱走向方向沿剖面布置，傾向上依據(jù)礦體斜長100～130m則分割為2～3段，條帶柱整體構(gòu)成井字型框架結(jié)構(gòu)，保證穩(wěn)定性，隔離條帶柱寬度為6m，柱內(nèi)施工人行通風上山和上中段貫通，間隔6m施工采場聯(lián)絡巷，礦塊中加設點柱，以增加采場穩(wěn)定性。點柱直徑3～5m，間距8～15m。礦柱面積約占礦房總面積15%～20%。具體礦柱的留設圖見圖7。

圖7 礦柱留設圖

5 采礦方法結(jié)構(gòu)參數(shù)及采準切割

（1）留礦法。礦塊沿走向布置，階段高度30m,礦塊走向長度50m,條帶間柱寬6m,底柱高度大于8～12m，電耙巷間距10～12m，出礦漏斗間距5～6m，交錯布置，斗頸傾角50°，漏斗上部開始回采時形成拉底連通各個斗頸。條帶狀礦柱沿剖面布置間距50m，沿傾向方向間距為30～50m，在每個礦塊中加點柱，點柱間距8～15m，點柱直徑3～5m。如需要采用點柱留礦法時（即需要在礦柱中布置行人通風天井時），點柱尺寸需8m×8m，因為礦巖穩(wěn)定性良好，經(jīng)過有限元計算跨度可以在20m以內(nèi)。2號礦體模型內(nèi)留礦法這里主要用在4″線上部和6線附近較厚礦體。采場用淺眼分層落礦，采場每次放礦應小于每次落礦量40%，其余暫留采場以墊作工作平臺，遇到礦體傾角變緩，采場輔以電耙，即成為全面留礦法。留礦法總體技術經(jīng)濟指標：礦塊生產(chǎn)能力100～150t/d，貧化率5%，回收率80%以上，炸藥單耗0.31kg/t。

（2）房柱法。礦房長度50m，每個礦房寬度10～18m，點柱直徑4m，沿礦房長軸方向的間距為8～15m，5～7個礦房間留條帶隔離礦柱。底柱高度大于5m，保證足夠溜井高度。一個礦房布置一個集中放礦溜井，沿走向布置時布置于剖面上的運巷旁，絞車硐室也隨同布置，具體如4″線到5線下部的礦體平緩，厚度較薄，用沿走向的房柱法。而4線～4″線礦塊則用沿傾向布置，溜井改沿走向布置在礦體下盤，主運巷做相應改動跟進成沿脈方向。絞車硐室布置在切割上山下端上盤，上山沿礦房中心線先行施工，以作通風和爆破自由面用。將上山一次拉底擴開，再自下而上分層淺眼落礦回采，礦石直接由采場耙到溜井中經(jīng)振動放礦，部分留作墊高以作工作平臺。作業(yè)時保證各個作業(yè)面間隔10～15m以上。房柱法總體技術經(jīng)濟指標：采場生產(chǎn)能力120～150t/d，鑿巖效率40～50m/臺班，運搬效率120～150t/臺班，貧化率4%～5%，損失率15%～20%，炸藥0.2～0.3kg/t，雷管0.3～0.5個/t。

最后，礦體的工程布置結(jié)合三維實體和礦體底板等高線及礦體厚度布置，礦柱留設亦是盡量沿著底板等高線，以利于電耙巷道的布置。各工程布置見圖6。

以上全礦塊指標：全2號礦體（40m中段）采切比13.26m/kg，43.35m3/kt，礦石回收率80%～90%（包括礦柱回收）。

6 礦柱回采和通風

留礦法：在礦房開采剛結(jié)束時，在頂柱中先施工切割天井以作爆破自由面，在上中段運輸巷不保留情況下，連同上中段底柱一同爆破下來，礦石進入礦房。間柱在頂柱采下后爆破回收。或者底柱直接在電耙巷道內(nèi)向安裝絞車一端后退式回采，淺眼落礦，出礦用電耙，回采工作面前傾60°。房柱法：條帶柱分割成間斷礦柱回采，點柱視情況抽取回收。

新鮮風流由40m中段進入，經(jīng)沿剖面布置的上山進入采場由采場另一側(cè)的上山排至上中段。取巷道摩擦阻力系數(shù)0.015Ns2/m4，經(jīng)過計算40m中段東部主開拓巷風流量為8.5m3/s，風速1.5m/s，可同時施工3個采場。

7 結(jié)語

40m中段2號礦體采用帶二次電耙巷的淺孔留礦法結(jié)合房柱采礦法，對于礦體變化有較強適應性，總體技經(jīng)指標合理，不論礦體傾角和厚度如何變化，都能隨之調(diào)整變化，較之礦山初期采用的崩落采礦法，貧化和損失均大幅度減小，工藝簡單易于操作且符合實際情況。采用三維設計可以對各種實體空間位置比較清晰直觀地展現(xiàn)和有利于工程布置，對采礦方法的選擇和礦塊的切分也頗為有益。另外說明的是各種圖紙和工程在空間位置上可以任意疊加、取消和更改，在需要的各種圖層上工作也可直接捕捉三維點，給設計帶來了很大方便，總體上三維采場設計效果令人滿意，是值得推廣的。

Stope analysis and design by using three-dimensional simulation

Took NO.2 orebody of Panluo Iron Mine as example,this paper introduced the modeling of three-dimensional simula?tion,mining method and parameter selection,and the obtained effect.

three-dimension；model;mine pillar;mining method

1672-609X（2010）05-0038-03

TD672

B

2010-02-09

2010-05-20

黃文福（1974-），男，采礦工程師，從事采礦工程技術管理工作。