基于CMS的采空区探测及残矿回采

原广武 李杰林 张兴生(.西北有色地质勘查局七一七总队；.中南大学资源与安全工程学院；.吉林板庙子矿业有限公司)

基于CMS的采空区探测及残矿回采

原广武1李杰林2张兴生3
(1.西北有色地质勘查局七一七总队；2.中南大学资源与安全工程学院；3.吉林板庙子矿业有限公司)

阐述了空区探测系统(CMS)的工作原理和数据处理过程，并以某金属矿山为例，详细介绍了基于CMS的采空区探测技术和残矿的探测、回采设计过程。结果表明，CMS技术能有效解决采空区安全隐患，提高残矿资源的安全高效回收利用效率，增加矿山企业经济效益，在矿山实际生产中具有重要的推广应用价值。

CMS 采空区 残矿回采

在矿山开采活动中，由于采用空场法、非法开采、无规划的乱采滥挖等各种原因，在一些矿山周边留下了大量的规模不等的采空区，这些空区致使矿山开采条件恶化，矿柱变形破坏、相邻作业区采场和巷道维护困难等地压现象频繁出现，同时引发大面积的冒落和岩移，引起地表塌陷、采空区积水等，已经成为影响矿山安全生产的最主要的危害源之一。此外，在矿山生产中，矿石贫化率和损失率将直接影响到矿山的经济效益和矿产资源回收利用。如何精确地管理和控制矿产资源开采的贫化率、损失率指标，是矿山生产经营管理活动中的重点和难点。近年来，随着激光三维测量技术以及 Surpac、Micromine、Vulcan、3Dmine、DIMINE、Datamine等三维矿业软件的推广应用，为采空区精确探测及残矿回采提供了有效途径。

1 采空区激光三维测量原理

激光三维测量亦称空区探测系统(Cavity Monitoring System, CMS)，最早是由加拿大Optech公司生产的一种基于激光的空区探测系统，主要用于地下巷道工程及采空区的三维数字测量成图，探测空区效率高，探测结果可视化效果好。在西方发达矿业国家应用较早，在我国也已经成为地下采空区测量的一种常用方法，探测成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，计算残矿储量，沿任意方向和位置切剖面，从而进一步用于指导采空区充填、矿柱爆破设计、回采贫损控制以及空区稳定性分析等相关采矿管理和控制过程，具有操作简单、使用安全、数据全面、精度可靠的优点[1-2]。

CMS的工作原理是通过激光逐点扫描测量、实测系统定位点坐标和数据后处理得到碎部点的空间三维坐标，测程为百米级，精度为厘米级；CMS由激光扫描头、控制箱、支撑固定杆、控制器及数据处理软件构成(使用便携式电脑)，CMS系统构成见图1。

图1 CMS系统构成

CMS在开始工作之前，会依据补偿器自动设定初始位置，工作开始后根据电机步进角度值(水平电机角度范围为360°，纵向电机角度范围为290°)和激光距离值，然后计算确定出目标点位在系统默认坐标系中的三维坐标，仪器中心位置坐标为(0,0,0)，设定初始位置方向为起始方向(0°00′00″)，扫描原理见图2。

图2 CMS扫描原理

根据全站仪测量的前视觇标(距离激光扫描头近端点，或激光扫描头红点)和后视觇标三维坐标(距离激光扫描头远端点)，通过CMS自带PosProsess软件进行后处理，即可得到矿山坐标系统三维数据文本文件，再利用第三方三维矿业软件就可完成无人采空区的三维建模工作，CMS数据处理流程见图3。

2 基于CMS的采空区探测

2.1 工程概况

某金属矿山设计规模为2 000 t/d，采用斜坡道开拓方式。矿体及近矿围岩主要为硅化构造角砾岩，主矿体属隐伏矿体,赋存标高为700～330 m，倾角为50°～65°，为“T”型不规则的厚大透镜状体。矿体走向长390～310 m，水平厚7.1～66.6 m，平均真厚度为16.1 m。根据地质资源和开采技术条件，设计采用了分段空场嗣后充填采矿法[3]。

图3 CMS采空区探测数据处理流程

分段高度为20 m，采场宽度为20 m，采用中深孔爆破落矿，底部结构为铲运机出矿平底结构，为了保证人员安全，利用遥控铲运机进入采空区铲运矿石，直接装入汽车运至地表。出矿完毕后，利用CMS测量采空区，最后采用尾砂胶结充填采空区。

2.2 采空区探测及结果

采用CMS对某地下金属矿山660 m中段2#、4#、6#、8#、10#采空区进行了激光三维扫描测量，并使用相关软件对测量数据进行处理和三维建模，采空区和分段采场设计可采矿体资源模型见图4，通过计算得到各个采空区的回采矿体体积和资源量(见表1)，进而精确地管理和控制矿产资源开采的超欠挖率、贫化率、损失率等各项指标[4-5]。

图4 采空区与设计可采矿体资源模型

表1 采空区回采资源量

3 基于CMS探测结果的残矿回采设计

通过以上对采空区CMS三维激光扫描结果的处理和分析，可以确定矿柱实际边界,计算残矿储量。基于CMS采空区探测计算后的部分残矿资源体平面图及资源统计表分别见图5和表2。

图5 残矿资源体平面

表2 残矿资源统计

以该矿山640 m中段5#采场为例,进行残矿资源体计算及残矿体回采设计。根据地质矿体模型和采场结构参数，首先设计出采场爆破矿体模型[6]，见图6(a)及图7(a)。该采场采用中深孔崩矿回采完毕后，利用CMS完成了该采空区的三维激光测量，得到采空区模型[7]，见图6(b)及图7(b)。将采空区模型与采场设计爆破矿体进行差集布尔运算，得到设计爆破矿体损失部分[8]，见图6(c)及图7(c)。通过查看和分析可知，残留矿体部分主要在西南方向。取主要部分残矿资源矿体D(图6(d)及图7(d))作为残矿回收利用的首要部分进行回采设计，这部分位于640 m 中段地质资源圈定矿体靠近断层的凸出位置，占全部设计爆破矿体损失部分的78%；而位于东北

方向爆破矿体损失部分的残矿将在该中段临近采空区采矿设计中加以回收利用，占全部设计爆破矿体损失部分的9%；其余13%即为采矿损失。

图6 差集布尔运算流程及结果平面

图7 差集布尔运算流程及结果剖面

根据残矿体(图6(d))附近已有的工程情况，进行了回采设计， 见图8。通过回采实践，该残矿体回收矿石2 613 t，品位为3.93 g/t，提高了矿产资源利用率，增加了矿山经济效益，取得了预期效果。

4 结 语

通过CMS系统在采空区探测及残矿回收中的实践应用，进一步表明了CMS系统是井下采空区精密探测的有效手段，探测结果能很好地指导采空区充填、残矿回采、矿石贫化率和损失率控制等相关采矿设计和管理过程，具有广阔的推广应用前景。

[1] 张朝雷,宋卫东,付建新,等.CMS及三维可视化技术在采空区探测中的应用研究[J].现代矿业,2011,504(4)：95-97

[2] 李同鹏,王亨炎,娄广文.CMS探测系统在采空区测量中的应用与实践[J].金属矿山,2010,39(4):110-113

[3] 郭金锋.分段空场嗣后充填采矿方法的试验研究[J].江西有色金属，2000，14(3):8-10.

[4] 周智勇，陈建宏，周科平.Surpac Vision软件在矿床建模中的应用[J].矿业工程,2004，2(4):56-58.

[5] 龚元翔，王李管，张海军，等.基于MICROMINE系统的露天矿山三维可视化技术研究[J].中国钼业，2007，31(4):13-16.

[6] 罗周全,张 保,刘晓明,等.基于CMS精密探测的采场贫化损失计算方法[J].金属矿山,2007,376(10)：84-88.

[7] 过 江,古德生,罗周全.金属矿山采空区3D激光探测新技术[J].矿冶工程,2006,26(5):16-19.

[8] 罗周全,鹿 浩,袁节平,等.CMS辅助金属矿山采空区回采技术研究[J].有色金属:矿山部分,2008,60(6):1-4.

Goaf Detection and Residual Ore Mining Based on CMS

Yuan Guangwu1Li Jielin2Zhang Xingsheng3

(1.Division 717 of Northwest Nonferrous Geological Exploration Bureau;2.School of Resources and Safety Engineering,Central South University;3.Jilin Banmiaozi Mineral Company Co., Ltd.)

The operating principle and data processing process of cavity monitoring system(CMS) is expounded. Taking a metal mine as the research example, the goaf detection technology and residual ore detection, mining design are analyzed in detail. The research results show that, the CMS technology can effectively solve the potential safety hazard of goaf, improve the safety recycle efficiency of residual ore resources and increase the economic benefits of mining enterprises. Therefore, the CMS technology has important application value in the actual production in mines.

Cavity monitoring system, Goaf, Residual ore mining

2014-08-16)

原广武(1967—)，男，工程师，721012 陕西省宝鸡市金台区金台大道5号。