基于CMS及DIMINE的矿柱回采爆破设计优化＊

戴兴国 黄 毅 白 瑛

（中南大学资源与安全工程学院 长沙 410083）

对于采用充填法二步骤回采的矿山，由于在一步骤矿房采场在回采过程中，钻孔、爆破或矿房采空区围岩的冒顶、片帮的原因，使矿柱的实际形态很不规则，难以确定矿柱的实际边界，影响到二步骤矿柱采场的爆破设计，导致难以合理地布置炮孔，从而在矿柱采场爆破回采过程中崩落一步骤采场充填体，造成矿柱回采的贫化损失加大，资源回收率降低，严重威胁资源的高效回收和矿山的可持续发展.但传统的测量方法难以准确掌握矿柱的实际形态，本文运用先进的三维激光探测系统CMS测量技术和DIMINE软件准确确定了二步骤矿柱采场的实际形态，为后一步基于DIMINE的矿柱回采爆破设计提供了可靠边界依据.

1 研究矿山现状及问题的提出

1.1 矿山概况

某铜矿主矿体（1＃矿体）呈似层状、透镜状产出，长1 820m，宽平均500m，水平投影宽度204～882m，矿体走向NE35°～40°，倾向随围岩产状分别向北西、西南倾斜.矿体埋藏赋存标高为－690～－1 007m，大部分位于－730m以下.矿体最大厚度100.67m，平均厚34.16m.矿石含铜品位平均为1.02%，平均含硫17.6%，铜金属储量100万t以上，是一个特大型矽卡岩型铜矿体.

矿体沿走向划分成盘区，盘区长为矿体的宽度，宽100m，再将每个盘区间隔划分成18m宽的矿房和矿柱，相邻盘区之间暂留20m宽的隔离矿柱（见图1），其中双号采场为一步骤矿房采场，单号采场为二步骤矿柱采场.开采分3步骤进行：第一步采盘区矿房；第二步采盘区矿柱；第三步采盘区间的隔离矿柱，回采顺序为“隔一采一”，各回采步骤均采用嗣后充填的阶段空场法.第一步骤采场开采完毕后用尾砂胶结充填，第二、三步骤采场开采完毕之后用尾砂或低标号的尾砂胶结充填［1］.

1.2 问题的提出

该铜矿经过近8年的开采，目前50～56线盘区的第一步骤矿房采场已基本回采充填完毕，为了保持矿山生产的衔接和出矿量的均衡稳定，在回采其他盘区矿房采场的同时，也同步开采50～56线盘区的二步骤矿柱采场.但由于一步骤矿房开采存在不同程度的超挖或欠挖情况，导致二步骤待采矿柱的实际形态极不规则，影响到矿柱回采的爆破设计.

2 CMS空区测量和分析

2.1 CMS空区测量

空区探测系统（cavity monitoring system，CMS）是加拿大Optech公司生产的一种基于激光的三维空区探测系统，主要用于井下巷道、硐室及采空区的精密探测，可有效地获得空区的实际边界 .因此，采用CMS系统辅助矿柱回采爆破设计可以很好地解决上述问题.通过对待采矿柱周围采场空区的探测，可以准确地掌握矿柱的实际边界，从而为矿柱回采的爆破设计提供可靠的边界依据［2－3］.

本文以图1中的52－15＃矿柱采场作为研究对象，通过对矿柱采场52－15＃两侧相邻已回采完毕的52－14＃和52－16＃矿房采场进行空区测量和数据处理，得到两个采场的空区模型如图2所示，采用DIMINE报告实体体积功能，计算出其空区体积分别为54 330m3和49 628m3.

2.2 空区测量结果分析

将创建好的52－14＃和52－16＃设计采场DIMINE模型与探测空区模型复合，即可从三维空间上获得采场边界对比效果（见图3）.对于52－14＃采场，通过对比分析不难看出：（1）采场凿岩硐室顶板垮落较少，可以判断在回采过程中凿岩硐室顶板基本没有大面积垮落现象；（2）采场周边存在不同程度的超挖现象，局部还比较严重；（3）从上述模型对比中还可以明显看出，采场4个周边存在一定程度的欠挖现象.而对于52－16＃采场，采场爆破控制效果较好，硐室顶板基本没有大面积跨落，周边超挖现象不明显，但存在较多的欠挖现象.

图2 52－14＃和52－16＃采场空区的CMS探测图

图3 52－14＃和52－16＃设计采场模型与探测空区模型边界对比

在52－14＃和52－16＃采场回采过程中，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设计采场边界不相吻合，存在超挖或欠挖现象.为准确掌握各采场回采后的超挖量，在已建立好图3模型的基础上，通过DIMINE软件实体建模模块下的三维布尔运算功能，得出52－14＃和52－16＃采场超挖部分的空间形态见图4.经计算得出52－14＃采场的超挖量为4 286m3，52－16＃采场的超挖量为716m3.

图4 52－14＃和52－16＃采场周边超挖部分实体模型

3 矿柱三维可视化建模

DIMINE是中南大学长沙迪迈科技公司开发的大型矿用三维软件.该软件采用三维可视化技术，以数据库技术、三维实体建模技术和地质统计学方法等为基础，实现了从矿床地质建模、储量计算等工作的可视化.DIMINE应用领域包括矿业中地质、测量、采矿以及数据管理等多个环节［4－6］.

相邻两侧采场的超挖使得二步骤矿柱采场52－15＃的实际形态极不规则，对其回采爆破设计产生较大影响.因此，建立52－14＃和52－16＃矿房采场的超挖或垮落影响后的52－15＃矿柱采场的实体模型是确定回采爆破控制边界的重要步骤.

通过布尔运算建立起矿柱的实体模型，将图2与52－15＃矿柱设计采场的DIMINE模型进行实体求差可以得到52－15＃矿柱实际模型（见图5）.为更便于观察，对该模型进行高度方向上间隔6m切片，形成5个矿柱外轮廓封闭线圈，图6所示为第三个切片3P形成的矿柱外轮廓线，经过测量可以发现最大超挖的尺度达到约3m.

图5 52－15＃矿柱采场实际模型

图6 3P剖面矿柱外轮廓线

4 DIMINE辅助矿柱回采爆破设计

该铜矿各步骤采场均采用V形堑沟受矿，无轨出矿设备出矿的底部结构，采场回采则采用下向深孔进行爆破落矿.所以，52－15＃采场的爆破设计主要包括2部分的设计：底部结构扇形中深孔拉底爆破设计和回采落矿下向深孔的爆破设计.二步骤采场的凿岩精度要求高于一步骤采场.凿岩过程中必须对每个孔的方位、方向、角度和深度加以严格控制，边界孔施工时一定要密切关注岩性变化.

4.1 底部结构拉底爆破设计

利用原有出矿巷道和出矿进路，在52－15＃采场的出矿进路底板以上2～3m处，沿该采场长轴方向，距离52－14＃采场边界约5m重新施工一条规格为3.8m×4.0m的拉底巷道，该巷道与堑沟巷道合一.通过SimbaH1354电动液压凿岩台车（机高为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，孔径76mm，爆破形成高为13.5m的V形堑沟，堑沟坡面倾角为45°.

通过DIMINE对矿柱模型进行切剖面处理，剖面间距1.6m，共生成48个准确反映矿柱实际边界和堑沟巷道轮廓线的剖面，然后利用DIMINE在各个剖面上进行炮孔设计，包括确定炮孔长度、炮孔孔径、堵塞长度以及装药量等［7］.图7所示为第35个剖面35P的扇形中深孔布置图，表1为对应35P剖面DIMINE生成的炮孔设计参数表.

图7 35P剖面扇形中深孔布置

表1 拉底爆破35P剖面扇形中深孔参数

4.2 下向深孔爆破设计

采场深孔采用Simba261高风压潜孔钻机下向垂直深孔凿岩，炮孔直径165mm.炮孔布置采用排距3m，孔间距为2.5～2.8m的垂直平行孔组成，局部部分采用的是倾斜孔，以控制矿柱底部的爆破块度，边界孔与充填体之间的间距控制在1.8～2.2m之间，炮孔至下部拉底层顶板，以达到拉底后深孔为通孔.施工时机心高度1.8m.在硐室一侧采场中部作为拉槽区，拉槽孔共17个，其中两个深孔不装药作为拉槽爆破自由面，拉槽采用VCR法爆破，爆破后形成一个长为16.4m，宽为6m，高为采场拉底层到凿岩硐室的切割立槽，下向深孔侧崩爆破是再以此切割槽为自由面进行侧向崩矿爆破.

通过DIMINE对矿柱模型每隔3m进行剖面，共生成26个剖面，然后利用DIMINE在各个剖面上进行炮孔设计，并生成了每个剖面上的爆破参数报告.图8所示为第三个剖面3P的深孔布置图.52－15＃采场共分23次爆破，为便于指导施工，在DIMINE生成的爆破设计报告的基础上，经过后期处理得出深孔设计的爆破参数见表2.

图8 3P剖面深孔布置

表2 深孔爆破参数表

矿柱采场的回采爆破效果显示，大块产出率低，爆破有害效应控制较好，对矿柱两侧的充填体破坏较小.说明通过DIMINE三维可视化爆破设计，爆破参数选取准确可靠，爆破效果较好，提高了矿柱的回收率.

5 结束语

如何充分、安全地回收资源，尤其是对稀有、贵重的以及战略性矿床资源是当前我国矿山所面临的重大课题之一.实践证明，利用CMS的测量，可以准确地测出空区的形态，再通过DIMINE软件的布尔运算功能方便地确定矿柱的实际形状和边界.在此基础上利用DIMINE进行爆破设计，可以优化矿柱回采的爆破设计质量，避免矿柱回采爆破中将两侧充填体崩落，有效降低矿柱回采工程中的贫化损失，达到安全高效回收矿柱资源的目的；同时，二步骤采场的安全高效回采也为该铜矿第三步骤隔离矿柱的回采提供了良好条件.可以预见，空区监测工具CMS结合三维可视化软件DIMINE的应用在我国矿山，尤其是深井矿山开采领域有很好的实用和推广价值.

［1］李冬青，王李管.深井硬岩大规模开采理论与技术－冬瓜山铜矿床开采研究与实践［M］.北京：冶金工业出版社，2009.

［2］刘晓明，罗周全，孟稳权.深井采场大规模垮塌三维探测及可视化计算［J］.中南大学学报：自然科学版，2011（1）：158－163.

［3］罗周全，杨 彪，吴亚军，等.采用CMS辅助矿柱回采爆破设计研究［J］.金属矿山，2007（3）：15－17.

［4］徐 海，罗周全，刘晓明.复杂巷道工程三维可视化建模方法研究及应用［J］.矿冶工程，2011（1）：19－23.

［5］李 宁，王李管，肖英才，等.基于DIMINE软件的矿柱回采设计研究［J］.现代矿业，2011（2）：19－21，36.

［6］蒋渊和，庞计来.基于DIMINE三维可视化技术在矿床地质中的应用［C］／／2010～2011年全国采矿科学技术高峰论坛，中国矿业，2010（19）：280－283.

［7］刘德民，解联库，杨志强，等.基于DIMINE的辅助矿柱回采爆破设计优化［J］.金属矿山，2011（5）：9－11.