用三维仿真进行采场分析和设计

黄文福（潘洛铁矿，福建 漳平 364405）

用三维仿真进行采场分析和设计

黄文福（潘洛铁矿，福建 漳平 364405）

以潘洛铁矿2号矿体为例介绍了采场的三维建模过程、采矿方法、参数的选择及取得的效果。

三维；模型；矿柱；采矿方法

1 前言

随着科技的不断发展，3D仿真技术日趋完善和成熟。在采矿工程领域，运用三维模拟仿真技术对采场进行采矿方法的设计目前还比较少，笔者对此进行了实验，效果还是令人满意的，较以往的CAD二维设计，矿体的空间位置形态表现直观，各种工程的布置也很明了。在空间定位方面较传统二维平面设计有很大的改观。本文就以潘洛铁矿的40m中段2号矿体为例，应用国产的3Dmine软件的方法和过程进行介绍。

2 设计前提条件

（1）潘洛铁矿是位于戴云山脉中麓的一个中小型铁矿，主生产采用竖井开拓系统。单翼对角式通风，井口标高210m，井底标高27.5m,井下分130、100、70、40m四个中段,中段高度30m，单层罐笼提升，矿井设计生产能力20万t，井下用ZK7-6/250架线电机车和YCC1.2-6侧卸矿车运输。振动放矿机出矿。

（2）矿区内地层自石炭系至第四纪均有出露，铁矿主要赋存于石炭系船山组灰岩二叠系栖霞组灰岩中以及灰岩和林地组粉砂岩的交界面构造带，灰岩多变质为大理岩，部分交代成矽卡岩。区内岩浆岩发育，岩体遍及全区，以燕山期酸性花岗岩和花岗斑岩为主，在标高100m以下裂隙发育程度不高，但花岗岩体对矿体影响比较大，使矿体产状变化大，其岩株岩墙对矿体穿插比较强烈。

（3）2号矿体分布在4～8勘探线，北边被花岗斑岩切割，呈NW-SE方向展布。矿体呈似层状，走向150°～330°，倾向NE，倾角10°～43°。本次涉及的40中段储量约60万t，矿体厚度0.66～47m，平均约10m。

（4）矿体顶板以大理岩和矽卡岩为主，其次为花岗斑岩和黄铁矿体，底板以矽卡岩为主，其次为花岗斑岩，局部为砂岩大理岩。矽卡岩的抗压强度119.08MPa,普氏硬度f=12，稳固；大理岩抗压强度77MPa，f＞8,中等至稳固；花岗岩致密坚硬，稳固。统计2号矿体顶板矽卡岩占32.5%，大理岩占50%，花岗斑岩2.5%，底板矽卡岩占75%，花岗斑岩10%，砂岩5%。矿体为磁铁矿体，抗压强度52～86MPa,稳固。矿岩在100m标高以下裂隙发育程度不高，一般小于5%。

3 矿块的三维建模

矿块的三维建模是设计的第一步，是后续设计的基础，依据所提交的地质报告和测量数据，建模采用3Dmine或者surpac等都可以，过程基本相同，以采用其中方法之一的数据库建模模式为例简要介绍：首先建立数据库，并分别建立钻孔定位表，钻孔测斜表，钻孔岩性表，钻孔化验表；然后制作钻孔相关的文本数据或者EXCEL表格;把表格数据导入数据库中，经过修改和校对编辑后，编辑好的数据就可以显示，不过在显示前还必须进行设置，主要设置矿体岩体显示颜色，孔口显示风格文字标注等，这样基本就可以显示钻孔的三维实体和见矿部位的位置品位等信息。要形成矿体实体还要将各个剖面的矿体边界分别圈定后，通过线段间建立三角网将各剖面矿体边界相连形成矿体的实体模型。图1是此次设计2号矿体40m中段标高至70m中段标高矿体完成后的模型。从模型可以看出矿体中部内凹且倾角平缓，6线位置矿体较厚，矿体产状变化较大，倾角在12°～43°之间变化，厚度变化也较大，薄的地方约2m，厚的地方35m左右，将矿体等厚度图做出，可以看到矿体有两处矿体大于12m区域，见图2。另外还需将矿体底板等高线图做出，见图3及图4（图3为平面视角，图4为侧视），可见矿体底板各处较为起伏，整体倾角变化较大，底板的等高线大致沿走向分布，沿倾向方向两端较陡，中部平缓形成一个缓坡。这些都为选择采矿方法和布置底板上的电耙溜井工程提供了依据。

4 采矿方法的选择

图1 2号矿体40～70m实体模型图

图2 矿体厚度分布图

图3 矿体底板等高线平面图

图4 矿体底部DTM表面及各剖面形态

通过前面描述看出，该矿体总体处于中厚矿体，但是矿体各处厚度变化很大，不少地方厚度较薄，较厚的地方主要为4″线和6线的两块区域，对于中厚矿体的采矿早期曾经采用中深孔分段崩落采矿法，但是由于没有形成最初的覆盖岩层，爆下的矿石抛至空区无法装运。另外矿体的厚度、倾角、走向及夹石受构造影响和花岗斑岩穿插影响严重，变化较大，这样给中深布孔增加很大难度，贫化也比较严重。后来经过试验还是浅孔落矿比较适合矿山情况，工艺也比较容易为工人掌握，基本解决了贫化和回采率低的问题。2号矿体的采矿方法选择，根据矿体厚度倾角变化大，单一方法都不是很理想。因此确立基本原则：厚度小于8～10m部分用房柱采矿法，大于8～10m的地段用留矿法或者全面留矿法。根据矿体厚度分布图，在厚度大于12m区域布置留矿采矿法，底部结构采用二次电耙巷的结构，出矿过程矿石经漏斗—电耙巷—溜井—振动放矿机到中段运输巷的矿车，电耙道间距为10～12m，电耙两侧漏斗交错布置间距5～6m。其余矿体较薄部位可20m间隔先布置电耙道兼做探矿，并在电耙道漏斗中施工上山以探测矿体厚度，如果矿体厚度大于10m，就加密电耙道为间隔10m，用留矿法采矿；如果矿体较薄小于8m，就将电耙道改作为拉底巷道，变成矿房宽度为10～20m的房柱法直接开采，不再掘进斗穿斗颈。这样可以增加采矿方法的应变性,以适应该矿床产状变化大的特点。溜井以布置在剖面的运输巷两侧为主，见图5。电耙道的布置则以矿体底板等高线为依据，沿走向和矿体底板标高布置。电耙道布置的三维视图见图6。

图5 溜井布置图

图6 2号矿体工程布置图

矿柱的留设：全矿体通过条带柱进行分割，条带柱走向方向沿剖面布置，倾向上依据矿体斜长100～130m则分割为2～3段，条带柱整体构成井字型框架结构，保证稳定性，隔离条带柱宽度为6m，柱内施工人行通风上山和上中段贯通，间隔6m施工采场联络巷，矿块中加设点柱，以增加采场稳定性。点柱直径3～5m，间距8～15m。矿柱面积约占矿房总面积15%～20%。具体矿柱的留设图见图7。

图7 矿柱留设图

5 采矿方法结构参数及采准切割

（1）留矿法。矿块沿走向布置，阶段高度30m,矿块走向长度50m,条带间柱宽6m,底柱高度大于8～12m，电耙巷间距10～12m，出矿漏斗间距5～6m，交错布置，斗颈倾角50°，漏斗上部开始回采时形成拉底连通各个斗颈。条带状矿柱沿剖面布置间距50m，沿倾向方向间距为30～50m，在每个矿块中加点柱，点柱间距8～15m，点柱直径3～5m。如需要采用点柱留矿法时（即需要在矿柱中布置行人通风天井时），点柱尺寸需8m×8m，因为矿岩稳定性良好，经过有限元计算跨度可以在20m以内。2号矿体模型内留矿法这里主要用在4″线上部和6线附近较厚矿体。采场用浅眼分层落矿，采场每次放矿应小于每次落矿量40%，其余暂留采场以垫作工作平台，遇到矿体倾角变缓，采场辅以电耙，即成为全面留矿法。留矿法总体技术经济指标：矿块生产能力100～150t/d，贫化率5%，回收率80%以上，炸药单耗0.31kg/t。

（2）房柱法。矿房长度50m，每个矿房宽度10～18m，点柱直径4m，沿矿房长轴方向的间距为8～15m，5～7个矿房间留条带隔离矿柱。底柱高度大于5m，保证足够溜井高度。一个矿房布置一个集中放矿溜井，沿走向布置时布置于剖面上的运巷旁，绞车硐室也随同布置，具体如4″线到5线下部的矿体平缓，厚度较薄，用沿走向的房柱法。而4线～4″线矿块则用沿倾向布置，溜井改沿走向布置在矿体下盘，主运巷做相应改动跟进成沿脉方向。绞车硐室布置在切割上山下端上盘，上山沿矿房中心线先行施工，以作通风和爆破自由面用。将上山一次拉底扩开，再自下而上分层浅眼落矿回采，矿石直接由采场耙到溜井中经振动放矿，部分留作垫高以作工作平台。作业时保证各个作业面间隔10～15m以上。房柱法总体技术经济指标：采场生产能力120～150t/d，凿岩效率40～50m/台班，运搬效率120～150t/台班，贫化率4%～5%，损失率15%～20%，炸药0.2～0.3kg/t，雷管0.3～0.5个/t。

最后，矿体的工程布置结合三维实体和矿体底板等高线及矿体厚度布置，矿柱留设亦是尽量沿着底板等高线，以利于电耙巷道的布置。各工程布置见图6。

以上全矿块指标：全2号矿体（40m中段）采切比13.26m/kg，43.35m3/kt，矿石回收率80%～90%（包括矿柱回收）。

6 矿柱回采和通风

留矿法：在矿房开采刚结束时，在顶柱中先施工切割天井以作爆破自由面，在上中段运输巷不保留情况下，连同上中段底柱一同爆破下来，矿石进入矿房。间柱在顶柱采下后爆破回收。或者底柱直接在电耙巷道内向安装绞车一端后退式回采，浅眼落矿，出矿用电耙，回采工作面前倾60°。房柱法：条带柱分割成间断矿柱回采，点柱视情况抽取回收。

新鲜风流由40m中段进入，经沿剖面布置的上山进入采场由采场另一侧的上山排至上中段。取巷道摩擦阻力系数0.015Ns2/m4，经过计算40m中段东部主开拓巷风流量为8.5m3/s，风速1.5m/s，可同时施工3个采场。

7 结语

40m中段2号矿体采用带二次电耙巷的浅孔留矿法结合房柱采矿法，对于矿体变化有较强适应性，总体技经指标合理，不论矿体倾角和厚度如何变化，都能随之调整变化，较之矿山初期采用的崩落采矿法，贫化和损失均大幅度减小，工艺简单易于操作且符合实际情况。采用三维设计可以对各种实体空间位置比较清晰直观地展现和有利于工程布置，对采矿方法的选择和矿块的切分也颇为有益。另外说明的是各种图纸和工程在空间位置上可以任意叠加、取消和更改，在需要的各种图层上工作也可直接捕捉三维点，给设计带来了很大方便，总体上三维采场设计效果令人满意，是值得推广的。

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

黄文福（1974-），男，采矿工程师，从事采矿工程技术管理工作。