基于CMS及DIMINE的礦柱回采爆破設(shè)計(jì)優(yōu)化＊

戴興國(guó) 黃 毅 白 瑛

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

對(duì)于采用充填法二步驟回采的礦山，由于在一步驟礦房采場(chǎng)在回采過(guò)程中，鉆孔、爆破或礦房采空區(qū)圍巖的冒頂、片幫的原因，使礦柱的實(shí)際形態(tài)很不規(guī)則，難以確定礦柱的實(shí)際邊界，影響到二步驟礦柱采場(chǎng)的爆破設(shè)計(jì)，導(dǎo)致難以合理地布置炮孔，從而在礦柱采場(chǎng)爆破回采過(guò)程中崩落一步驟采場(chǎng)充填體，造成礦柱回采的貧化損失加大，資源回收率降低，嚴(yán)重威脅資源的高效回收和礦山的可持續(xù)發(fā)展.但傳統(tǒng)的測(cè)量方法難以準(zhǔn)確掌握礦柱的實(shí)際形態(tài)，本文運(yùn)用先進(jìn)的三維激光探測(cè)系統(tǒng)CMS測(cè)量技術(shù)和DIMINE軟件準(zhǔn)確確定了二步驟礦柱采場(chǎng)的實(shí)際形態(tài)，為后一步基于DIMINE的礦柱回采爆破設(shè)計(jì)提供了可靠邊界依據(jù).

1 研究礦山現(xiàn)狀及問(wèn)題的提出

1.1 礦山概況

某銅礦主礦體（1＃礦體）呈似層狀、透鏡狀產(chǎn)出，長(zhǎng)1 820m，寬平均500m，水平投影寬度204～882m，礦體走向NE35°～40°，傾向隨圍巖產(chǎn)狀分別向北西、西南傾斜.礦體埋藏賦存標(biāo)高為－690～－1 007m，大部分位于－730m以下.礦體最大厚度100.67m，平均厚34.16m.礦石含銅品位平均為1.02%，平均含硫17.6%，銅金屬儲(chǔ)量100萬(wàn)t以上，是一個(gè)特大型矽卡巖型銅礦體.

礦體沿走向劃分成盤(pán)區(qū)，盤(pán)區(qū)長(zhǎng)為礦體的寬度，寬100m，再將每個(gè)盤(pán)區(qū)間隔劃分成18m寬的礦房和礦柱，相鄰盤(pán)區(qū)之間暫留20m寬的隔離礦柱（見(jiàn)圖1），其中雙號(hào)采場(chǎng)為一步驟礦房采場(chǎng)，單號(hào)采場(chǎng)為二步驟礦柱采場(chǎng).開(kāi)采分3步驟進(jìn)行：第一步采盤(pán)區(qū)礦房；第二步采盤(pán)區(qū)礦柱；第三步采盤(pán)區(qū)間的隔離礦柱，回采順序?yàn)椤案粢徊梢弧?，各回采步驟均采用嗣后充填的階段空?qǐng)龇?第一步驟采場(chǎng)開(kāi)采完畢后用尾砂膠結(jié)充填，第二、三步驟采場(chǎng)開(kāi)采完畢之后用尾砂或低標(biāo)號(hào)的尾砂膠結(jié)充填［1］.

1.2 問(wèn)題的提出

該銅礦經(jīng)過(guò)近8年的開(kāi)采，目前50～56線盤(pán)區(qū)的第一步驟礦房采場(chǎng)已基本回采充填完畢，為了保持礦山生產(chǎn)的銜接和出礦量的均衡穩(wěn)定，在回采其他盤(pán)區(qū)礦房采場(chǎng)的同時(shí)，也同步開(kāi)采50～56線盤(pán)區(qū)的二步驟礦柱采場(chǎng).但由于一步驟礦房開(kāi)采存在不同程度的超挖或欠挖情況，導(dǎo)致二步驟待采礦柱的實(shí)際形態(tài)極不規(guī)則，影響到礦柱回采的爆破設(shè)計(jì).

2 CMS空區(qū)測(cè)量和分析

2.1 CMS空區(qū)測(cè)量

空區(qū)探測(cè)系統(tǒng)（cavity monitoring system，CMS）是加拿大Optech公司生產(chǎn)的一種基于激光的三維空區(qū)探測(cè)系統(tǒng)，主要用于井下巷道、硐室及采空區(qū)的精密探測(cè)，可有效地獲得空區(qū)的實(shí)際邊界 .因此，采用CMS系統(tǒng)輔助礦柱回采爆破設(shè)計(jì)可以很好地解決上述問(wèn)題.通過(guò)對(duì)待采礦柱周?chē)蓤?chǎng)空區(qū)的探測(cè)，可以準(zhǔn)確地掌握礦柱的實(shí)際邊界，從而為礦柱回采的爆破設(shè)計(jì)提供可靠的邊界依據(jù)［2－3］.

本文以圖1中的52－15＃礦柱采場(chǎng)作為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)礦柱采場(chǎng)52－15＃兩側(cè)相鄰已回采完畢的52－14＃和52－16＃礦房采場(chǎng)進(jìn)行空區(qū)測(cè)量和數(shù)據(jù)處理，得到兩個(gè)采場(chǎng)的空區(qū)模型如圖2所示，采用DIMINE報(bào)告實(shí)體體積功能，計(jì)算出其空區(qū)體積分別為54 330m3和49 628m3.

2.2 空區(qū)測(cè)量結(jié)果分析

將創(chuàng)建好的52－14＃和52－16＃設(shè)計(jì)采場(chǎng)DIMINE模型與探測(cè)空區(qū)模型復(fù)合，即可從三維空間上獲得采場(chǎng)邊界對(duì)比效果（見(jiàn)圖3）.對(duì)于52－14＃采場(chǎng)，通過(guò)對(duì)比分析不難看出：（1）采場(chǎng)鑿巖硐室頂板垮落較少，可以判斷在回采過(guò)程中鑿巖硐室頂板基本沒(méi)有大面積垮落現(xiàn)象；（2）采場(chǎng)周邊存在不同程度的超挖現(xiàn)象，局部還比較嚴(yán)重；（3）從上述模型對(duì)比中還可以明顯看出，采場(chǎng)4個(gè)周邊存在一定程度的欠挖現(xiàn)象.而對(duì)于52－16＃采場(chǎng)，采場(chǎng)爆破控制效果較好，硐室頂板基本沒(méi)有大面積跨落，周邊超挖現(xiàn)象不明顯，但存在較多的欠挖現(xiàn)象.

圖2 52－14＃和52－16＃采場(chǎng)空區(qū)的CMS探測(cè)圖

圖3 52－14＃和52－16＃設(shè)計(jì)采場(chǎng)模型與探測(cè)空區(qū)模型邊界對(duì)比

在52－14＃和52－16＃采場(chǎng)回采過(guò)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)邊界與原設(shè)計(jì)采場(chǎng)邊界不相吻合，存在超挖或欠挖現(xiàn)象.為準(zhǔn)確掌握各采場(chǎng)回采后的超挖量，在已建立好圖3模型的基礎(chǔ)上，通過(guò)DIMINE軟件實(shí)體建模模塊下的三維布爾運(yùn)算功能，得出52－14＃和52－16＃采場(chǎng)超挖部分的空間形態(tài)見(jiàn)圖4.經(jīng)計(jì)算得出52－14＃采場(chǎng)的超挖量為4 286m3，52－16＃采場(chǎng)的超挖量為716m3.

圖4 52－14＃和52－16＃采場(chǎng)周邊超挖部分實(shí)體模型

3 礦柱三維可視化建模

DIMINE是中南大學(xué)長(zhǎng)沙迪邁科技公司開(kāi)發(fā)的大型礦用三維軟件.該軟件采用三維可視化技術(shù)，以數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、三維實(shí)體建模技術(shù)和地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法等為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了從礦床地質(zhì)建模、儲(chǔ)量計(jì)算等工作的可視化.DIMINE應(yīng)用領(lǐng)域包括礦業(yè)中地質(zhì)、測(cè)量、采礦以及數(shù)據(jù)管理等多個(gè)環(huán)節(jié)［4－6］.

相鄰兩側(cè)采場(chǎng)的超挖使得二步驟礦柱采場(chǎng)52－15＃的實(shí)際形態(tài)極不規(guī)則，對(duì)其回采爆破設(shè)計(jì)產(chǎn)生較大影響.因此，建立52－14＃和52－16＃礦房采場(chǎng)的超挖或垮落影響后的52－15＃礦柱采場(chǎng)的實(shí)體模型是確定回采爆破控制邊界的重要步驟.

通過(guò)布爾運(yùn)算建立起礦柱的實(shí)體模型，將圖2與52－15＃礦柱設(shè)計(jì)采場(chǎng)的DIMINE模型進(jìn)行實(shí)體求差可以得到52－15＃礦柱實(shí)際模型（見(jiàn)圖5）.為更便于觀察，對(duì)該模型進(jìn)行高度方向上間隔6m切片，形成5個(gè)礦柱外輪廓封閉線圈，圖6所示為第三個(gè)切片3P形成的礦柱外輪廓線，經(jīng)過(guò)測(cè)量可以發(fā)現(xiàn)最大超挖的尺度達(dá)到約3m.

圖5 52－15＃礦柱采場(chǎng)實(shí)際模型

圖6 3P剖面礦柱外輪廓線

4 DIMINE輔助礦柱回采爆破設(shè)計(jì)

該銅礦各步驟采場(chǎng)均采用V形塹溝受礦，無(wú)軌出礦設(shè)備出礦的底部結(jié)構(gòu)，采場(chǎng)回采則采用下向深孔進(jìn)行爆破落礦.所以，52－15＃采場(chǎng)的爆破設(shè)計(jì)主要包括2部分的設(shè)計(jì)：底部結(jié)構(gòu)扇形中深孔拉底爆破設(shè)計(jì)和回采落礦下向深孔的爆破設(shè)計(jì).二步驟采場(chǎng)的鑿巖精度要求高于一步驟采場(chǎng).鑿巖過(guò)程中必須對(duì)每個(gè)孔的方位、方向、角度和深度加以嚴(yán)格控制，邊界孔施工時(shí)一定要密切關(guān)注巖性變化.

4.1 底部結(jié)構(gòu)拉底爆破設(shè)計(jì)

利用原有出礦巷道和出礦進(jìn)路，在52－15＃采場(chǎng)的出礦進(jìn)路底板以上2～3m處，沿該采場(chǎng)長(zhǎng)軸方向，距離52－14＃采場(chǎng)邊界約5m重新施工一條規(guī)格為3.8m×4.0m的拉底巷道，該巷道與塹溝巷道合一.通過(guò)SimbaH1354電動(dòng)液壓鑿巖臺(tái)車(chē)（機(jī)高為1.8m）打上向扇形中深孔，其中拉槽孔排距1.3m，其余孔排距1.6m，孔底距2.2 m，孔徑76mm，爆破形成高為13.5m的V形塹溝，塹溝坡面傾角為45°.

通過(guò)DIMINE對(duì)礦柱模型進(jìn)行切剖面處理，剖面間距1.6m，共生成48個(gè)準(zhǔn)確反映礦柱實(shí)際邊界和塹溝巷道輪廓線的剖面，然后利用DIMINE在各個(gè)剖面上進(jìn)行炮孔設(shè)計(jì)，包括確定炮孔長(zhǎng)度、炮孔孔徑、堵塞長(zhǎng)度以及裝藥量等［7］.圖7所示為第35個(gè)剖面35P的扇形中深孔布置圖，表1為對(duì)應(yīng)35P剖面DIMINE生成的炮孔設(shè)計(jì)參數(shù)表.

圖7 35P剖面扇形中深孔布置

表1 拉底爆破35P剖面扇形中深孔參數(shù)

4.2 下向深孔爆破設(shè)計(jì)

采場(chǎng)深孔采用Simba261高風(fēng)壓潛孔鉆機(jī)下向垂直深孔鑿巖，炮孔直徑165mm.炮孔布置采用排距3m，孔間距為2.5～2.8m的垂直平行孔組成，局部部分采用的是傾斜孔，以控制礦柱底部的爆破塊度，邊界孔與充填體之間的間距控制在1.8～2.2m之間，炮孔至下部拉底層頂板，以達(dá)到拉底后深孔為通孔.施工時(shí)機(jī)心高度1.8m.在硐室一側(cè)采場(chǎng)中部作為拉槽區(qū)，拉槽孔共17個(gè)，其中兩個(gè)深孔不裝藥作為拉槽爆破自由面，拉槽采用VCR法爆破，爆破后形成一個(gè)長(zhǎng)為16.4m，寬為6m，高為采場(chǎng)拉底層到鑿巖硐室的切割立槽，下向深孔側(cè)崩爆破是再以此切割槽為自由面進(jìn)行側(cè)向崩礦爆破.

通過(guò)DIMINE對(duì)礦柱模型每隔3m進(jìn)行剖面，共生成26個(gè)剖面，然后利用DIMINE在各個(gè)剖面上進(jìn)行炮孔設(shè)計(jì)，并生成了每個(gè)剖面上的爆破參數(shù)報(bào)告.圖8所示為第三個(gè)剖面3P的深孔布置圖.52－15＃采場(chǎng)共分23次爆破，為便于指導(dǎo)施工，在DIMINE生成的爆破設(shè)計(jì)報(bào)告的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)后期處理得出深孔設(shè)計(jì)的爆破參數(shù)見(jiàn)表2.

圖8 3P剖面深孔布置

表2 深孔爆破參數(shù)表

礦柱采場(chǎng)的回采爆破效果顯示，大塊產(chǎn)出率低，爆破有害效應(yīng)控制較好，對(duì)礦柱兩側(cè)的充填體破壞較小.說(shuō)明通過(guò)DIMINE三維可視化爆破設(shè)計(jì)，爆破參數(shù)選取準(zhǔn)確可靠，爆破效果較好，提高了礦柱的回收率.

5 結(jié)束語(yǔ)

如何充分、安全地回收資源，尤其是對(duì)稀有、貴重的以及戰(zhàn)略性礦床資源是當(dāng)前我國(guó)礦山所面臨的重大課題之一.實(shí)踐證明，利用CMS的測(cè)量，可以準(zhǔn)確地測(cè)出空區(qū)的形態(tài)，再通過(guò)DIMINE軟件的布爾運(yùn)算功能方便地確定礦柱的實(shí)際形狀和邊界.在此基礎(chǔ)上利用DIMINE進(jìn)行爆破設(shè)計(jì)，可以優(yōu)化礦柱回采的爆破設(shè)計(jì)質(zhì)量，避免礦柱回采爆破中將兩側(cè)充填體崩落，有效降低礦柱回采工程中的貧化損失，達(dá)到安全高效回收礦柱資源的目的；同時(shí)，二步驟采場(chǎng)的安全高效回采也為該銅礦第三步驟隔離礦柱的回采提供了良好條件.可以預(yù)見(jiàn)，空區(qū)監(jiān)測(cè)工具CMS結(jié)合三維可視化軟件DIMINE的應(yīng)用在我國(guó)礦山，尤其是深井礦山開(kāi)采領(lǐng)域有很好的實(shí)用和推廣價(jià)值.

［1］李冬青，王李管.深井硬巖大規(guī)模開(kāi)采理論與技術(shù)－冬瓜山銅礦床開(kāi)采研究與實(shí)踐［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2009.

［2］劉曉明，羅周全，孟穩(wěn)權(quán).深井采場(chǎng)大規(guī)?？逅S探測(cè)及可視化計(jì)算［J］.中南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011（1）：158－163.

［3］羅周全，楊 彪，吳亞軍，等.采用CMS輔助礦柱回采爆破設(shè)計(jì)研究［J］.金屬礦山，2007（3）：15－17.

［4］徐 海，羅周全，劉曉明.復(fù)雜巷道工程三維可視化建模方法研究及應(yīng)用［J］.礦冶工程，2011（1）：19－23.

［5］李 寧，王李管，肖英才，等.基于DIMINE軟件的礦柱回采設(shè)計(jì)研究［J］.現(xiàn)代礦業(yè)，2011（2）：19－21，36.

［6］蔣淵和，龐計(jì)來(lái).基于DIMINE三維可視化技術(shù)在礦床地質(zhì)中的應(yīng)用［C］／／2010～2011年全國(guó)采礦科學(xué)技術(shù)高峰論壇，中國(guó)礦業(yè)，2010（19）：280－283.

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