基于 CM S实测的采空区三维建模与回采可视化计算

罗周全,冯福康,沈玉众,邓 俏

（中南大学资源与安全工程学院,湖南 长沙 410083）

0 前言

空区激光探测系统 （Cavity Monitoring System, CM S）是一种基于 3D激光扫描原理开发的矿山空区探测技术,因其能快速准确地描绘出空区三维形态特征,自 20世纪 90年代初研制成功以来,已在世界上很多矿业发达国家得到了广泛应用,成为地下矿山采场、硐室探测的主要手段之一[1～3]。

与传统的高密度电法、探地雷达法等空区探测方法相比[4～6],CM S是一种针对单个明确目标的探测方法,其探测结果可直接用于计算空区体积和顶板面积、建立空区三维模型、确定矿柱实际边界、沿任意方向和位置切剖面,进一步用于指导空区充填、矿柱爆破设计、回采贫损控制以及空区稳定性分析等相关管理和控制过程。中南大学自 2006年首次引入该系统以来,已经在国内华锡集团铜坑矿、铜陵冬瓜山铜矿、柿竹园多金属矿、凡口铅锌矿等多家矿山成功应用,取得了良好的效果[7]。

根据以往CM S采空区探测的情况,所实施探测的空区环境一般都较恶劣,因此要实现高精度的探测十分困难,同时以往对回采指标的计算也存在一些问题,这必然对矿山的生产指标产生影响。本文结合冬瓜山铜矿某采场探测的实际情况,对 CM S探测环境影响因素 （如采场湿度过大、测点难以选择等）和测点的选择进行了分析探讨,以 Su rpac软件为平台,阐述了空区三维模型的构建方法以及空区剖面的生成,分析计算了采场回采指标,包括周边超挖量、存留矿量以及回采贫化指标等,对以往的方法做出了较大改进,实现了高质量的 CM S探测与回采可视化构建。

1 CM S基本原理及空区实体建模

1.1 CM S工作原理及过程

CM S基本构成包括激光扫描头、数据转发器、手持式控制器、支撑杆架及探测数据处理软件等,通过内置伺服驱动马达系统精密控制激光扫描头的转动,使脉冲激光束沿横轴方向和纵轴方向快速扫描。其工作原理和数据流程图见图 1、图 2。具体探测步骤如下：

（1）安装 CM S激光扫描头、连接并固定支撑杆架；

（2）借助手持式控制器对扫描头进行初始化调节、设置扫描参数,包括探测数据的文件名、扫描角度范围及扫描精度等；

（3）扫描头水平位置调零并开始扫描,系统自动将扫描数据经数据转发器转发至手持式控制器,便于人员对即时探测效果进行查看；

（4）完成一周扫描后,扫描头自动抬高一个预先设置的角度（通常 1°～3°）进行第二周扫描,直至扫描过程全部结束；

（5）将扫描数据从手持式控制器下载到计算机进行数据处理与计算。

图1 CM S工作原理示意图

图2 CM S工作数据流程图

1.2 空区实体建模

利用CM S自带的预处理软件CM SPosProcess将探测获得的“.txt”格式的原始文件转换成“.dxf”格式的文件,同时将 CM S探测坐标转换为矿山真实坐标,最终运用 Surpac软件生成空区三维实体模型。借助 Surpac软件的强大功能,可以建立可视化程度高、编辑能力强的三维模型 ,其具体步骤如下：①利用 Surpac数据接口“Cavity监控 dxf文件”将“. dxf”格式文件转换成“.DT M”的实体模型格式文件；②验证生成实体模型的有效性；③如果实体模型验证有误进入第①步,反之完成采空区三维模型Surpac构建。

2 采空区 CM S探测环境因素分析与模型后期处理

2.1 环境因素分析

根据矿山对 CM S空区探测模型精确度的要求和采空区的实际情况,应尽可能提高探测的准确度。以下结合冬瓜山铜矿某采场,从采场环境因素和测点的选择分析其对 CM S探测质量的影响。

2.1.1 采场环境因素

温度、湿度、粉尘等都是影响 CM S探测效果的环境因素,为保证探测的效率和精度,在探测期间应保持采场通风良好。

2.1.1.1 温度

大量实践证明,CM S理想的工作环境温度为0～35℃[8],探测时间宜选择温度较低时段或采取相应降温措施后进行探测。采场实测温度 33℃,且井下通风良好,基本符合探测环境要求。

2.1.1.2 湿度

实践证明,湿度对 CM S探测效果的影响较大。由于 CM S为单一模式运行,并未能实现不同湿度环境下的模式转换,因此采场湿度过大将严重影响CM S的正常运转与探测精度。结合采场实际情况,底部出矿巷道中滞留少量积水,且温度较高,致使采场内湿度较大,对探测很不利。为提高 CM S探测效果,同时利于设备维护保养,宜选择通风效果较好的测点或采用局扇风机加强通风。

2.1.1.3 粉尘

粉尘颗粒的大小及浓度也是影响探测效果很重要的一个因素。同时,粉尘不仅会加速机械的磨损、缩短精密仪器的使用寿命,而且严重影响作业人员的身体健康。光线射到粉尘粒子表面以后发生反射或被吸收以及风流引起的采场内部粉尘漂浮不定,都严重影响CM S激光探测的精确度和稳定性,因此在探测之前应做好空区内通风排尘工作,确保探测的正常进行。

实验和研究表明,当风速增加到一定数值时,粉尘浓度可降低到一个最低数值,风速再增高时,粉尘浓度将随之再次增加,因此应选择合理的排尘风速。

粉尘含量、温度、湿度对 CM S探测效果的影响如图3所示。

图3 CM S探测效果与采场环境因素的关系

2.1.2 探测位置的选择

测点的选择不仅关系到探测效果的好坏,而且关系到探测人员的生命安全。如果测点选择不当、视野遮挡严重将导致探测到的空区模型失真,难以为矿山其他工程所采用,甚至危及到探测人员生命安全。因此,为保证探测的效果,同时确保探测时人员和设备的安全,应该对探测点进行优选。

图4 采场设计剖面图

结合采场实际,如图 4所示,可供选择的测点数较多,应对其进行比较,具体见表 1。

表1 CM S测点选择表

2.2 模型后期处理

采用 Surpac软件利用空区探测数据生成采场空区的三维模型。为了便于后续工作,需要利用Surpac的实体模型编辑工具对空区模型进行必要的编辑（采用实体模型布尔运算的方法对空区旁的巷道部分进行切割处理）。空区模型处理前、后对比如图5所示。

图5 空区模型处理前后对比图

2.3 采空区剖面的生成

利用生成的采场空区三维模型,可以在 Surpac中沿采空区任意方向进行剖切形成空区剖面。所生成的空区剖面可为矿山回采质量的评价以及在空区周边进行相关采矿活动等工作提供必要的基础性依据。

（1）通过将采场顶部凿岩硐室边界与CM S实测边界对比发现,其边界基本吻合,说明探测精度较高,同时验证了顶部凿岩硐室的间柱在回采中被完全爆破,如图 6所示。

（2）利用 Surpac软件的切剖面功能,生成位于空区右上部边界处的“悬臂梁”剖面,如图 7所示。通过计算其水平长度大约 17 m,这必然对采场后续的充填工作造成危险,应采取一定措施,限制工作人员在采场该侧的活动。

图6 采场顶部凿岩硐室边界与 CM S实测边界对比

3 回采指标可视化计算

3.1 周边超挖量计算

回采过程中,由于爆破边界控制不准或局部地段存在结构面,造成采后空区边界与原采场设计边界不相吻合,存在超挖和欠挖现象。为了准确掌握采场回采后的超挖量,便于矿柱采场的后续回采设计及回采指标的控制,需计算其周边超挖量。可以看出在靠近边界 3一侧超挖较严重,且位于采场中部偏上的位置,但总体一般,采场回采质量较好,结果见图8。

图7 某采场悬臂梁处剖面图

其具体过程如下[9]：

（1）将采场探测空区实体模型与回采设计单元实体模型复合,沿采场边界线方向位置分别创建DT M面；

（2）用形成的 DT M面分别对空区模型进行剖切,保留超挖部分实体,获得某采场周边的超挖量。采场周边超挖实体模型分别如图 9所示,计算结果见表2。

图8 空区周边超挖量

表2 采场超挖量计算结果

3.2 存留矿量计算

存留矿石是指由于矿石性质、块度、底部结构设计参数选择以及出矿进路坍塌等因素的影响 ,采场底部存留有部分无法完全回收的矿石。存留矿量作为评价采场回采质量的一个重要指标,对矿体的下一步单体设计工作具有极大的实践指导意义,同时也直接关系着矿山资源的综合利用程度以及矿区经济可持续发展的问题[10～12]。其计算步骤如下：

（1）根据矿山提供的资料,从中提取底部结构下边界线以及拉底空间顶板线,在 Surpac中生成V型槽结构；

（2）将空区模型和上述 v型槽结构进行复合显示,并进行实体运算,即可生成采场存留矿量模型；

（3）根据上述生成的模型,可以计算出存留矿量的体积。而存留矿石量的计算公式如下：

式中：H—存留矿量,t；

C—存留矿石体积,m3；

K—矿石松散系数,取 =1.4；

ρ—矿石比重,t/m3,取ρ=3.7；

最终计算出采场内存留矿量 12 477.7 t。

图9 采场存留矿量计算图

3.3 采场回采贫化率

采场回采贫化率是指采场回采过程中混采下来的废石量与采下矿量（包括混入的废石在内）的百分比。金属矿山贫化主要是由于地质条件和采矿技术等方面的原因,使采下来的矿石中混有废石从而引起矿石品位降低的现象[13]。结合冬瓜山矿的采矿方法发现,其顶部凿岩硐室的间柱在最后一步回采时,也一起混入到了回采矿石中,因此也参与回采贫化指标中来。其计算步骤如下：

（1）提取顶部凿岩硐室底板线、拉底空间顶板线、采场矿体顶板分界线,生成面文件,通过与 CM S探测空区进行布尔运算,在 Su rpac中生成实际回采部分的实体,包括纯矿石部分和废石部分[14]；

（2）提取顶部凿岩硐室间柱线生成间柱模型,通过将采场矿体顶板面与其复合,分别生成间柱中纯矿石部分与废石部分模型；

（3）根据上述生成的模型,可以计算出采场的回采贫化率。其计算过程如图 10所示。

回采贫化率计算公式如下：

式中：P—采场贫化率,％；

R1—采场回采采下废石量,t；

R2—顶部凿岩硐室间柱的废石量,t；

Q1—采场回采采下总矿石量,t；

Q2—顶部凿岩硐室间柱矿石量,t。

经计算回采贫化率为 6.0％,而不计算间柱模型时只有 4.5％,但前者更为符合实际。

图10 采场回采贫化计算图

4 结语

本文介绍了采空区 CM S精密探测的基本原理以及采空区三维模型的构建方法,分别从采场环境因素与测点的选择分析阐述了其对CM S探测效果的影响以及模型的后期处理,以冬瓜山铜矿某采场周边超挖量、存留矿石量以及回采贫化指标的计算为例,介绍了采场回采可视化计算方法。

（1）从温度、湿度、粉尘及探测位置的选择分析了环境因素对 CM S探测的影响。因此,在实施井下空区现场探测时,应采取有效措施确保排尘通风良好,尽量减少粉尘含量,降低温度和湿度；结合矿山提供的图纸和现场情况,合理选择测点,确保 CM S探测的精度和人员的安全。

（2）介绍了模型后期处理的方法和采空区剖面生成技术。通过将剖面与矿山测量人员提供的硐室边界线对比,验证了探测的有效性,同时通过生成的剖面,对采空区中悬臂梁的长度有了准确的认识。

（3）以Surpac软件为平台,对采场回采指标进行了可视化计算。生成的周边超挖模型,便于矿山人员评定回采质量的优劣,同时利于后续矿柱采场的回采；与以往存留矿量的计算方法不同,本次存留矿量模型直接采用体运算生成,免去了用面生成存留矿量实体过程的繁琐。在进行贫化指标的计算时,根据矿山回采过程中顶部凿岩硐室间柱也在回采过程一起被采下,将其纳入回采贫化指标的计算,使其更合矿山实际。

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