大新錳礦西北采區(qū)采礦方法創(chuàng)新設(shè)計(jì)及三維可視化

姚存德,陳慶發(fā),劉俊廣,蔣騰龍,李世軒,吳仲雄

(廣西大學(xué) 資源環(huán)境與材料學(xué)院, 廣西 南寧 530004)

0 引 言

數(shù)字化礦山是數(shù)字地球在礦山歷史發(fā)展中進(jìn)一步應(yīng)用的結(jié)果,指在礦山范圍內(nèi)建立一個(gè)三維空間體系,結(jié)合礦山地質(zhì)地理信息構(gòu)建出三維模型,清晰呈現(xiàn)出礦山各點(diǎn)的詳細(xì)信息[1].數(shù)字化三維建模技術(shù)主要以精密、可靠的空間三維集成模型為特點(diǎn),其在礦山設(shè)計(jì)、生產(chǎn)調(diào)度、虛擬仿真等方面為礦山生產(chǎn)提供了強(qiáng)有力的支撐平臺(tái)[2G3],以大新錳礦西北地采＋340 m和＋380 m中段礦體為例,在協(xié)同理念指導(dǎo)下[4],進(jìn)行采礦方法創(chuàng)新設(shè)計(jì)及3DMine三維仿真模擬.

隨著科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展,結(jié)合現(xiàn)有的科學(xué)技術(shù),部分學(xué)者在這方面做了大量研究,周鄧等[5]針對(duì)某礦區(qū)實(shí)測(cè)地質(zhì)資料,利用3DMine構(gòu)建該礦區(qū)三維數(shù)字模型,實(shí)現(xiàn)了井下開(kāi)拓工程、礦體、地表建筑的三維可視化,并詳細(xì)分析了各類三維模型的構(gòu)建方法;荊永濱[6]等基于Hoops3D框架,運(yùn)用與平臺(tái)無(wú)關(guān)的SQLite嵌入式設(shè)計(jì)的孔口、樣品分析和地質(zhì)巖性等結(jié)構(gòu)鉆孔數(shù)據(jù)庫(kù),建立了某銅礦32＃~56?？碧骄€鉆孔三維模型,根據(jù)鉆孔軌跡和銅元素品位的可視化,圈定了銅礦體邊界.數(shù)字化礦山的實(shí)施,可以充分利用資源、減少資源損失,對(duì)生態(tài)環(huán)境的平衡發(fā)展也具有重要意義.

采礦方法以Auto CAD二維模型呈現(xiàn),內(nèi)容復(fù)雜難以理解.而利用3DMine實(shí)現(xiàn)采礦方法三維空間的可視化,可以使礦塊的結(jié)構(gòu)、參數(shù)、空間位置關(guān)系等布局更加合理,直觀易懂,方便可行.進(jìn)一步將協(xié)同開(kāi)采理念引入采礦方法可視化構(gòu)建中,可使資源開(kāi)采與災(zāi)害處理更加協(xié)調(diào)與同步,使礦山開(kāi)采系統(tǒng)具有較高的協(xié)同效應(yīng)[4].

1 開(kāi)采技術(shù)條件

西北采區(qū)主要對(duì)礦西北殘礦進(jìn)行回收,該區(qū)地質(zhì)情況復(fù)雜.小斷層較多但影響不大.該區(qū)褶皺反復(fù)頻繁,基本上每5 m就會(huì)出現(xiàn)礦體產(chǎn)狀的大變化,加之礦體較薄容易造成其它礦物的侵入,使礦體品位變化過(guò)大.

＋380 m中段礦巖情況如下:Ⅰ礦平均厚度約1.2 m,在靠近32a線附近反轉(zhuǎn),南巷剩余有8個(gè)礦塊共約礦石89706.35 t,產(chǎn)狀為346°/67°~37°,灰白色夾褐色方解石侵入,品位約16.02%;北巷有10個(gè)礦塊約礦石154241.97 t,產(chǎn)狀150°/20°,灰白包為主,局部墨綠色,墨綠色礦體品位為21.54%,灰白色品位為14.74%,夾一厚約8 m灰白色泥灰?guī)r夾條帶薄層方解石脈,品位1.87%.Ⅱ－Ⅲ礦平均厚度約2.0 m在31線附近反轉(zhuǎn),南巷8個(gè)礦塊共約礦石141944.55 t,產(chǎn)狀340°/67°~37°;北巷有10個(gè),礦塊共約礦石233299.43 t,產(chǎn)狀150°/20°夾二不可區(qū)分,Ⅱ礦灰白夾褐色豆?fàn)詈窦s1.5 m;Ⅲ礦厚約0.5 m,灰黑色至密狀,Ⅱ－Ⅲ礦品位16.25%.其頂板為五指山組第三段(D3W3),為硅質(zhì)灰?guī)r夾硅質(zhì)巖,局部夾錳灰?guī)r,上部夾0~0.2 m厚的碳酸錳層.

＋340 m中段礦巖情況如下:Ⅰ礦厚約1.2~1.8 m,夾一厚約15~20 m,為淺灰色微粒中厚層狀硅質(zhì)灰?guī)r;揭露的Ⅱ礦厚1.2~1.7 m,全錳礦石品位約23.09%,以棕紅、墨綠、灰白色為主,頂部鐵黑,隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu),鮞狀、豆?fàn)顦?gòu)造,層理不發(fā)育;Ⅲ礦厚0.5~0.8 m,全錳礦石品位約13.24%,以灰黑色為主,隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu),礦石較致密,完整性好,層理不發(fā)育.該片區(qū)夾二較薄,局部尖滅.礦層頂板主要為灰黑色硅質(zhì)巖,薄層狀,層理發(fā)育,含少量黃鐵礦.

2 創(chuàng)新設(shè)計(jì)采礦方法

電耙－爆力協(xié)同運(yùn)搬偽傾斜房柱采礦法適用開(kāi)采緩傾斜至傾斜礦體,在礦塊內(nèi)礦房和礦柱交替布置,回采礦房時(shí)留規(guī)則礦柱以維護(hù)頂板巖石.不僅涵蓋了經(jīng)典房柱法可開(kāi)采薄、厚和極厚礦體的優(yōu)點(diǎn),同時(shí)增大了礦體傾角適用范圍.電耙－爆力運(yùn)搬聯(lián)合出礦協(xié)同偽傾斜房柱法要求礦石和圍巖均穩(wěn)固.其缺點(diǎn)是采切工作量大,沿礦體走向方向跨度較大.

大新錳礦西北采區(qū)分Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ層礦體,根據(jù)其圍巖與礦體性質(zhì)分別設(shè)計(jì)礦房參數(shù),均采用電耙－爆力協(xié)同運(yùn)搬偽傾斜房柱采礦法.Ⅱ礦與Ⅲ礦之間夾石較薄,無(wú)法剔除,因此,采用Ⅱ礦、Ⅲ礦與夾石合采.

2.1 采場(chǎng)布置

(1)結(jié)構(gòu)和參數(shù).Ⅰ礦設(shè)計(jì)參數(shù)為:階段高度為40 m,礦房跨度為7 m,間柱尺寸為3 m×3 m,間距5 m.頂柱厚度為3 m,底柱高6 m.放礦溜井直徑為1.5 m,切割平巷(拉底巷道)高2~2.5 m,寬度為礦體全厚.上山(電耙道)為2 m×2 m,電耙硐室為2 m×2 m,每個(gè)礦房布置1條上山、1個(gè)電耙硐室和1個(gè)放礦短溜井.每2個(gè)礦房布置1個(gè)行人天井(2 m×2 m),方便行人進(jìn)入工作區(qū).

(2)采準(zhǔn)與切割.Ⅰ礦電耙－爆力協(xié)同運(yùn)搬偽傾斜房柱采礦法布置如圖1所示.Ⅱ－Ⅲ礦電耙－爆力協(xié)同運(yùn)搬偽傾斜房柱采礦法布置如圖2所示.

由圖1與圖2可以看出,電耙－爆力協(xié)同運(yùn)搬偽傾斜房柱采礦法的采準(zhǔn)工程包括:自底板運(yùn)輸巷道4、掘進(jìn)放礦溜井3和人行天井2;在底柱1上掘進(jìn)切割平巷12,作為起始回采的自由面和相鄰礦房之間的聯(lián)絡(luò)道;沿切割平巷在圍巖中掘進(jìn)電耙硐室13;沿礦房緩傾斜掘進(jìn)上山11,用以行人、通風(fēng)和運(yùn)搬設(shè)備或材料,并作為回采時(shí)自由面.

2.2 回采工作

Ⅰ礦回采工作包括礦房和礦柱回采.因礦體厚度較薄,一次采全厚.礦房回采時(shí),預(yù)留連續(xù)間柱,保證上一礦房回采工作的正常進(jìn)行.礦房回采完畢后,將連續(xù)礦柱切割成點(diǎn)柱進(jìn)行回收.礦房回采劃分為A區(qū)和B區(qū):A區(qū)回采炮孔沿電耙道平行布置,崩落礦石由電耙運(yùn)搬至放礦溜井經(jīng)階段運(yùn)輸巷道出礦;B區(qū)回采炮孔沿電耙道垂直布置,利用爆力運(yùn)搬法將崩落礦石運(yùn)搬至電耙道,再利用電耙進(jìn)行出礦.

圖1 電耙－爆力協(xié)同運(yùn)搬偽傾斜房柱采礦法(Ⅰ礦)

圖2 電耙－爆力協(xié)同運(yùn)搬偽傾斜房柱采礦法(Ⅱ－Ⅲ礦)

Ⅱ－Ⅲ礦回采工作包括礦房和礦柱回采.由于礦體直接頂板為為硅質(zhì)巖,一般含鈣質(zhì)、泥、碳質(zhì),穩(wěn)固性較差,故保留Ⅲ礦體的0.5 m礦石做為護(hù)頂?shù)V,不予回采.對(duì)不穩(wěn)固的地方應(yīng)安裝錨桿維護(hù)頂板.礦房回采時(shí),預(yù)留連續(xù)間柱,保證上一礦房回采工作的正常進(jìn)行.礦房回采完畢后,將連續(xù)礦柱切割成點(diǎn)柱進(jìn)行回收.合采時(shí)采用分層回采,且礦房回采劃分為A區(qū)和B區(qū):A區(qū)回采炮孔沿電耙道平行布置,分兩層回采,先采Ⅱ礦后采夾二與Ⅲ礦,崩落礦石由電耙運(yùn)搬至放礦溜井經(jīng)階段運(yùn)輸巷道出礦;B區(qū)回采炮孔沿電耙道垂直布置,分兩層回采,先采Ⅱ礦后采夾二與Ⅲ礦,利用爆力運(yùn)搬法將崩落礦石運(yùn)搬至電耙道,再利用電耙進(jìn)行出礦.

為提高礦山生產(chǎn)效率和電耙－爆力運(yùn)搬協(xié)同作用,合理安排生產(chǎn)順序.上一礦房B區(qū)回采完畢,開(kāi)始回采下一臨近礦房的B區(qū),即上一礦房的A區(qū)回采與下一礦房的B區(qū)回采同時(shí)進(jìn)行,且盡量保證同時(shí)完成回采,以便達(dá)到系統(tǒng)協(xié)同,回采有序和安全高效的目的.

出礦設(shè)備采用ZDPJ－30型電耙絞車(chē),電耙型號(hào)2JP－15,容積0.4 m3.采用氣腿式鑿巖機(jī)鉆鑿炮眼,落礦眼孔深1.8 m.孔間距1.0 m.頂眼采用光面爆破.爆破用乳化炸藥,起爆用非電導(dǎo)爆管起爆,炸藥單耗0.8 kg/t.鑿巖機(jī)臺(tái)班效率30 m,礦房?jī)?nèi)布置2臺(tái)鑿巖機(jī),鑿巖時(shí)間為4 h,3班作業(yè).

2.3 通風(fēng)及空區(qū)處理

新鮮風(fēng)流從下階段運(yùn)輸巷道經(jīng)行人天井進(jìn)入切割平巷(拉底巷道),經(jīng)上山(電耙道)進(jìn)入采場(chǎng)工作面.污風(fēng)經(jīng)上山(電耙道)上部進(jìn)入上階段運(yùn)輸巷道后排除地表,采場(chǎng)內(nèi)架設(shè)JK58－4.5局部通風(fēng).

礦房回采完畢后,封閉采空區(qū),架設(shè)安全提示牌,禁止人員進(jìn)入.

2.4 主要經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)

主要經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)如表1所示(Ⅰ礦、Ⅱ－Ⅲ礦房各1個(gè)合并數(shù)據(jù)).

表1 創(chuàng)新設(shè)計(jì)采礦方法主要經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)

3 三維模型顯示

建立礦山三維模型,具有可觀性與真實(shí)性,其在整體上對(duì)工程建設(shè)及合理布局具有重大指導(dǎo)意義.

為清晰表達(dá)礦體與其它采礦結(jié)構(gòu)的位置關(guān)系,增加對(duì)礦體整體形態(tài)及開(kāi)采過(guò)程的認(rèn)識(shí),本章對(duì)大新錳礦西北采區(qū)＋340 m中段和＋380 m中段礦體及其它采礦結(jié)構(gòu)進(jìn)行3DMine建模.同時(shí)為準(zhǔn)確表達(dá)采礦方法結(jié)構(gòu)及其構(gòu)成要素,建立3DMine采礦方法標(biāo)準(zhǔn)礦塊模型,增加工人對(duì)采礦技術(shù)的熟練度,進(jìn)而提高施工效率及保證人員安全.

由于地質(zhì)資料的有限性和局部誤差,構(gòu)建3DMine三維模型無(wú)法與實(shí)際礦體完美契合,存在一定程度的誤差.為更精確認(rèn)識(shí)礦體,應(yīng)將理論建模與礦山實(shí)際相結(jié)合,共同輔助礦體安全高效回采.

3.1 礦體分區(qū)三維模型顯示

根據(jù)礦體形態(tài)及地質(zhì)條件,將三維礦體模型劃分為3個(gè)區(qū)域,Ⅰ礦、Ⅱ－Ⅲ礦體分區(qū)三維模型如圖3所示.

圖3 Ⅰ－Ⅲ礦分區(qū)三維模型

3.2 采礦方法三維模型顯示

以往采礦方法以Auto CAD二維平面模型為主,包括主視圖、俯視圖、側(cè)視圖和剖面圖,內(nèi)容復(fù)雜,理解認(rèn)知困難.三維模型真實(shí)地還原了采礦方法,準(zhǔn)確反映了采礦方法的結(jié)構(gòu)、參數(shù)、位置對(duì)應(yīng)關(guān)系等,方便學(xué)習(xí)與掌握采礦技術(shù).

電耙－爆力運(yùn)搬協(xié)同出礦偽傾斜房柱法三維模型如圖4所示.

圖4 偽傾斜房柱法三維模型

4 結(jié) 論

(1)采用電耙－爆力協(xié)同運(yùn)搬偽傾斜房柱采礦方法,提高了礦山出礦效率,降低了勞動(dòng)強(qiáng)度.

(2)構(gòu)建復(fù)雜礦體可視化模型,可以真實(shí)地反映該地區(qū)礦體的分布形態(tài),也為在該地區(qū)下一步探礦提供有參考價(jià)值的建議,以及為采礦設(shè)計(jì)人員制定合理、安全的采礦設(shè)計(jì)和施工規(guī)劃等.

(3)通過(guò)3DMine建立采礦方法標(biāo)準(zhǔn)三維可視化礦塊模型,可準(zhǔn)確表達(dá)采礦方法結(jié)構(gòu)及其構(gòu)成要素,從而提高工人采礦技術(shù)的熟練度和施工效率.

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