張占升，張建華，安 龍

(1.內(nèi)蒙古金陶股份有限公司，內(nèi)蒙古 赤峰 024327；2.東北大學(xué) 深部金屬礦山安全開采教育部重點(diǎn)實驗室，遼寧 沈陽 110819)

基于CMS的采場回采質(zhì)量評價方法及應(yīng)用研究

張占升1，張建華1，安 龍2

(1.內(nèi)蒙古金陶股份有限公司，內(nèi)蒙古 赤峰 024327；2.東北大學(xué) 深部金屬礦山安全開采教育部重點(diǎn)實驗室，遼寧 沈陽 110819)

針對傳統(tǒng)采場回采質(zhì)量評價中相關(guān)數(shù)據(jù)難于獲取，回采質(zhì)量指標(biāo)只能靠經(jīng)驗來推測的現(xiàn)狀，提出了基于CMS的采場回采質(zhì)量評價方法。該方法運(yùn)用CMS三維激光探測系統(tǒng)準(zhǔn)確獲取采場回采過程中的三維空間數(shù)據(jù)，基于三維空間數(shù)據(jù)處理技術(shù)，應(yīng)用geomagic軟件構(gòu)建采場回采過程中的3D數(shù)據(jù)庫，并通過引入礦體采空區(qū)復(fù)合三維模型，精確地得到了采場的超、欠挖量，進(jìn)而獲得采場回采過程中的貧化和損失等參數(shù)。將該方法應(yīng)用到金廠溝梁金礦7181采場，得到其爆破后采場礦石的損失率為22.5%，貧化率為7.11%，為該采場的爆破參數(shù)優(yōu)化提供了相應(yīng)的數(shù)據(jù)支撐。

空區(qū)三維激光探測系統(tǒng)(CMS)；回采質(zhì)量；三維建模；采空區(qū)

在金屬礦山的回采過程中，受采場巖石穩(wěn)定性，采礦方法的選擇，開采設(shè)備，爆破技術(shù)以及人員施工等因素的影響，易造成采場周邊的超、欠挖，導(dǎo)致礦石的損失和貧化，大量的礦石丟失，極大地影響了礦山企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和服務(wù)年限。特別對于在黃金礦山中占有相當(dāng)比重的薄礦脈開采，其采場的超、欠挖所對礦石的損失貧化影響更大[1]。因此，越來越多的礦山企業(yè)將采場回采質(zhì)量指標(biāo)的控制作為其生產(chǎn)中的重中之重，通過對采場回采質(zhì)量控制及調(diào)整，降低回采過程中礦石的損失貧化，能夠節(jié)省礦山生產(chǎn)成本，增加生產(chǎn)過程中的投入產(chǎn)出比例，對于礦山企業(yè)全面質(zhì)量管理有著重要的意義。但是傳統(tǒng)上由于受到探測手段的限制，在獲取采場的回采數(shù)據(jù)過程中常常不能獲得精確的數(shù)據(jù)，導(dǎo)致回采質(zhì)量指標(biāo)只能靠經(jīng)驗來推測，得到的評價值多為定性的參考值，嚴(yán)重影響了礦山生產(chǎn)計劃的制定和生產(chǎn)過程的管理。近年來隨著新的探測手段特別是精確的三維激光掃描系統(tǒng)的出現(xiàn)為獲得準(zhǔn)確的回采質(zhì)量評價指標(biāo)提供了堅實的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)[2-5]。本文基于三維激光探測系統(tǒng)CMS，采用三維空間數(shù)據(jù)處理技術(shù)，構(gòu)建礦山采場的實測3D數(shù)據(jù)庫，通過對該數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的可視化挖掘，建立精確的采場回采質(zhì)量評價指標(biāo)，為礦山采場的采礦方法優(yōu)選，結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化以及爆破參數(shù)優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。

1 采場空間數(shù)據(jù)的獲取與3D數(shù)據(jù)庫的建立

1.1 采場空間三維信息獲取

1.1.1 空區(qū)監(jiān)測系統(tǒng)CMS

空區(qū)三維激光探測系統(tǒng)(Cavity Monitoring System，簡稱CMS)是加拿大Optech公司生產(chǎn)的一種基于激光的空區(qū)精密探測系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要用于井下巷道、硐室及采空區(qū)的精密探測，特別是在危險和人員無法進(jìn)入的空區(qū)探測中，采用CMS系統(tǒng)探測效率高，探測結(jié)果可視化效果好。探測成果可用于建立空區(qū)三維模型、確定礦柱采場的實際邊界、計算采空區(qū)體積等。CMS由激光掃描頭、電源、數(shù)據(jù)收發(fā)器、手持式控制器及相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理軟件組成，如圖1所示。

1.1.2 三維激光掃描原理

圖1 CMS系統(tǒng)組成

圖2 三維激光掃描技術(shù)原理

三維激光掃描的技術(shù)原理如圖2所示，其中的測距系統(tǒng)采用激光脈沖飛行時間法測距，伺服系統(tǒng)的關(guān)鍵部件是步進(jìn)電機(jī)。整個系統(tǒng)的功能和運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制為：計算機(jī)和機(jī)載軟件與嵌入式操作系統(tǒng)進(jìn)行交互，完成掃描參數(shù)的設(shè)置以及有關(guān)數(shù)據(jù)的顯示；嵌入式操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)完成對激光源、伺服控制系統(tǒng)、回波處理系統(tǒng)的控制以及與計算機(jī)的通信；伺服控制系統(tǒng)主要控制大、小電機(jī)及細(xì)分電路，小電機(jī)帶動鏡面旋轉(zhuǎn)，從而改變激光束的出射角度，完成線掃描，大電機(jī)則負(fù)責(zé)帶動小電機(jī)、激光源等從當(dāng)前一幀移動到下一幀；光電轉(zhuǎn)換器件將返回的光信號轉(zhuǎn)換為電信號；回波處理系統(tǒng)則對光電轉(zhuǎn)換后的波形進(jìn)行采集取樣和分析，進(jìn)而獲得掃描對象上某一點(diǎn)(X，Y，Z)。1.1.3 三維空間數(shù)據(jù)獲取原理

三維激光掃描系統(tǒng)通過內(nèi)置伺服驅(qū)動馬達(dá)系統(tǒng)精密控制激光掃描頭的轉(zhuǎn)動，使脈沖激光束沿橫軸方向和縱軸方向快速掃描。如圖3所示，通過數(shù)據(jù)采集獲得測距觀測值S，精密時鐘控制編碼器同步測量每個激光脈沖橫向掃描角度觀測值a和縱向掃描角度觀測值θ。激光掃描三維探測一般使用儀器內(nèi)部坐標(biāo)系統(tǒng)，X軸在橫向掃描面內(nèi)，Y軸在橫向掃描面內(nèi)與X軸垂直，Z軸與橫向掃描面垂直，由此可得到三維激光測點(diǎn)坐標(biāo)的計算公式(式(1))。

(1)

1.2 采場空間三維模型構(gòu)建

CMS現(xiàn)場測試完畢后，掃描記錄下來的數(shù)據(jù)是3D激光的幾何模型數(shù)據(jù)，因此首先應(yīng)通過CMSV400軟件將幾何模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為用戶坐標(biāo)數(shù)據(jù)，以方便我們直接調(diào)用數(shù)據(jù)進(jìn)行三維建模。CMS掃描數(shù)據(jù)的處理過程如圖4所示。

圖3 三維空間數(shù)據(jù)獲取原理

圖4 CMS掃描數(shù)據(jù)處理過程

在得到了原始掃描數(shù)據(jù)后即可以利用第三方軟件進(jìn)行采場空區(qū)三維模型的創(chuàng)建。常用的建模軟件有逆向工程軟件geomagic，polyworks，以及常規(guī)的礦業(yè)軟件surpac、Datamine等。考慮到geomagic軟件作為數(shù)字形狀采樣以及處理的專業(yè)軟件，其具有的強(qiáng)大復(fù)雜形狀處理能力及高效的曲面生成能力，更加有利于采空區(qū)復(fù)雜表面模型的創(chuàng)建，因此，本文選用geomagic軟件創(chuàng)建采場空區(qū)的三維模型。將得到的僅僅包含空間點(diǎn)X、Y、Z坐標(biāo)的.txt文件直接導(dǎo)入到geomagic軟件中，利用其封裝與填充功能完成采空區(qū)三維模型的創(chuàng)建。生成的采空區(qū)三維模型如圖5所示。

圖5 基于geomagic軟件建立的采場空間的三維模型

2 采場回采質(zhì)量指標(biāo)評價

總結(jié)目前的文獻(xiàn)能夠看出，采場的回采質(zhì)量多采用貧化率，損失率、采礦綜合成本和回采工班效率四個指標(biāo)表示，特別是貧化率和損失率指標(biāo)更是常用來反映礦山企業(yè)生產(chǎn)管理水平和經(jīng)濟(jì)效果的一項重要技術(shù)指標(biāo)。過去，由于無法準(zhǔn)確獲取采場的實際邊界數(shù)據(jù)，其貧損指標(biāo)的核算往往只能參照設(shè)計圖估算，其估算結(jié)果很難真實反映實際采礦的損失貧化狀況，用于生產(chǎn)指導(dǎo)的作用相應(yīng)降低[6]?，F(xiàn)在借助于三維激光掃描設(shè)備所建立的礦山采場三維模型，即可精確地計算出各個采場回采的損失貧化指標(biāo)[7-10]。礦石的損失率計算見式(2)。

(2)

式中：P為礦石損失率；Q為采場的礦石儲量；D為采下礦石損失量。

礦石貧化率計算見式(3)。

(3)

式中：r為礦石貧化率；Q’為實際采下的礦石量；R為實際采下的廢石量。

由式(2)、式(3)可以看出，為了準(zhǔn)確的計算出礦石的損失率和貧化率，需要得到采場的超、欠挖量。其計算過程如下：首先需要將回采單元實體模型與采空場的實體模型合并，通過建立的復(fù)合模型能夠很好的顯現(xiàn)出采場的超挖和欠挖情況，如圖6所示；然后利用geomagic軟件分別得到回采單元實體模型體積V回采單元，采空場實體模型體積V采空場以及合并后模型體積V合并模型，通過相應(yīng)的布爾運(yùn)算即可以得到精確的采場超欠挖量。計算方法見式(4)、式(5)。

(4)

(5)

圖6 實際空區(qū)邊界與原設(shè)計采場邊界對比

3 金廠溝梁金礦采場回采質(zhì)量指標(biāo)評價

金廠溝梁金礦18#礦脈位于9120勘探線與9180勘探線之間，礦體呈脈狀，連續(xù)性較好，礦體總體走向330°，傾向240°，傾角60～75°。礦體礦化長度700m，厚度2m左右。礦山采用中深孔落礦方式回采。采用CMS三維激光空區(qū)探測系統(tǒng)，基于礦山采場的3D數(shù)據(jù)庫進(jìn)行采場回采質(zhì)量的評價，進(jìn)而優(yōu)化回采結(jié)構(gòu)參數(shù)及爆破參數(shù)。

3.1 建立采場的3D數(shù)據(jù)庫

以金廠溝梁金礦六采區(qū)七中段7182采場為研究對象，根據(jù)其七中段與六中段脈內(nèi)巷道以及探礦天井對礦體的揭露情況，對礦體的產(chǎn)狀及形態(tài)進(jìn)行精確測量。并以測量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建立了該中段的礦體三維模型與巷道三維模型。該模型為回采單元的劃分與計算提供了相應(yīng)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

對7182采場首次中深孔爆破后的空區(qū)進(jìn)行三維激光掃描。掃描完成后，采用CMSV400控制軟件輸出包含采空場x、y、z坐標(biāo)值的.txt文件，并將該文件直接導(dǎo)入到geomagic軟件中，即可以得到采空區(qū)的三維模型。如圖7所示。將掃描得到的空區(qū)三維坐標(biāo)真實化，與所建立的礦體三維模型進(jìn)行復(fù)合，得到了7182采場首次爆破實際探測空區(qū)模型與設(shè)計回采模型的復(fù)合圖，如圖8所示，根據(jù)所建立的7182采場回采3D數(shù)據(jù)庫即可以精確地進(jìn)行采場回采質(zhì)量指標(biāo)的評價。

圖7 爆破后采場三維空區(qū)形態(tài)

圖8 實際探測空區(qū)模型與設(shè)計回采模型復(fù)合圖

3.2 損失貧化指標(biāo)計算

1)采場損失率計算，通過建立的礦體采空區(qū)復(fù)合模型與采空區(qū)實體模型，利用geomagic軟件中的差、并、交命令去除兩個實體模型的公共部分，最終得到爆破完成后礦體的欠挖礦量，通過geomagic軟件中的實體體積功能得出7182礦塊首次爆破的回采單元體積為43.75m3，爆破后空區(qū)體積為36.37m3，復(fù)合模型體積為46.21m3，通過計算得到首次爆破的采場欠挖礦量為：V欠挖=V合并模型-V空場模型=46.21-36.37=9.84m3。

2)礦石貧化率計算，應(yīng)用geomagic軟件對復(fù)合模型與礦體模型進(jìn)行布爾運(yùn)算處理，即可以得到爆破完成后空區(qū)的超挖礦量，通過geomagic軟件的實體體積計算功能計算得到首次爆破的采場超挖礦量為：V超挖=V合并模型-V設(shè)計模型=46.21-43.75=2.46m3。

通過計算分析發(fā)現(xiàn)，在礦體下盤處出現(xiàn)了較大程度上的欠挖量，導(dǎo)致下盤炮孔的有效利用率低。再下次爆破時應(yīng)有針對性地調(diào)整爆破參數(shù)，有效控制下盤礦石的回收指標(biāo)。

4 結(jié) 論

1)基于三維激光掃描探測系統(tǒng)CMS，應(yīng)用三維空間數(shù)據(jù)處理技術(shù)，建立了基于礦山3D數(shù)據(jù)庫的采場貧損控制新思路。即由三維激光掃描探測系統(tǒng)CMS獲取回采空區(qū)的三維空間數(shù)據(jù)，基于三維空間數(shù)據(jù)處理技術(shù)，建立回采空間的的三維模型，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行采礦優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)礦產(chǎn)資源的經(jīng)濟(jì)、安全、高效地回采。

2)基于礦山3D數(shù)據(jù)庫，建立了采場回采質(zhì)量指標(biāo)的精確計算方法，通過引入礦體采空區(qū)復(fù)合三維模型，可以精確計算出采場的超、欠挖量。并以此為基礎(chǔ)精確地得到了采場的損失貧化指標(biāo)。

3)將以上方法應(yīng)用于金廠溝梁金礦7182采場，得到其爆破后采場礦石的損失率為22.5%，貧化率為7.11%，并分析出現(xiàn)該結(jié)果的原因，為下一步爆破參數(shù)的優(yōu)化提供了數(shù)據(jù)支撐。

[1] 羅貞焱.基于CMS探測的采空區(qū)三維可視化系統(tǒng)研究[D].長沙：中南大學(xué)，2010.

[2] 夏永華，方源敏，孫宏生，等.三維激光探測技術(shù)在采空區(qū)測量中的應(yīng)用與實踐[J].金屬礦山，2009(2)：112-113，127.

[3] 韋方景.采空區(qū)激光探測技術(shù)在銅坑礦的研究與應(yīng)用[J].湖南有色金屬，2009(1)：55-58.

[4] 李同鵬，王亨炎，婁廣文.CMS探測系統(tǒng)在采空區(qū)測量中的應(yīng)用與實踐[J].金屬礦山，2010(4)：110-113.

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Evaluation method of the stope extraction quality based on CMS and its application

ZHANG Zhan-sheng1，ZHANG Jian-hua1，AN Long2

(1.Jintao Mining Co.，Ltd.，Chifeng 024327，China；2.Key Laboratory of Ministry of Education on Safe Mining of Deep Metal Mines，Northeastern University，Shenyang 110819，China)

For the status that relevant data is difficult to obtain and the quality indicators on stoping relys on experience in traditional stope mining quality evaluation.An evaluation Method about the quality of stope mining is proposed based on CMS.This (method) obtain 3D spatial data about stoping process accurately by using 3D laser detectiong system(CMS), and it based on data processing of Three-dimensional space, build a 3D database about stoping process by using the software of geomagic, and get the value(data) of overbreak and underbreak by introducing the complex three-dimensional model of the ore and the gob, then get the parameter of dilution and losses during stoping process.The method was applied to the 7181 Gold stope of Jinchanggouliang ,get the rate of ore loss is 22.5%, the dilution rate 7.11%, this provided appropriate data support for blasting parameter optimization of this stope.

cavity monitoring system (CMS)；the extraction quality；3D modeling；goaf

2014-05-18

張占升，男，內(nèi)蒙古金陶股份有限公司副總經(jīng)理。

TD 853.4

A

1004-4051(2015)05-0149-04