基于CMS的采场回采质量评价方法及应用研究

张占升，张建华，安 龙

(1.内蒙古金陶股份有限公司，内蒙古 赤峰 024327；2.东北大学 深部金属矿山安全开采教育部重点实验室，辽宁 沈阳 110819)

基于CMS的采场回采质量评价方法及应用研究

张占升1，张建华1，安 龙2

(1.内蒙古金陶股份有限公司，内蒙古 赤峰 024327；2.东北大学 深部金属矿山安全开采教育部重点实验室，辽宁 沈阳 110819)

针对传统采场回采质量评价中相关数据难于获取，回采质量指标只能靠经验来推测的现状，提出了基于CMS的采场回采质量评价方法。该方法运用CMS三维激光探测系统准确获取采场回采过程中的三维空间数据，基于三维空间数据处理技术，应用geomagic软件构建采场回采过程中的3D数据库，并通过引入矿体采空区复合三维模型，精确地得到了采场的超、欠挖量，进而获得采场回采过程中的贫化和损失等参数。将该方法应用到金厂沟梁金矿7181采场，得到其爆破后采场矿石的损失率为22.5%，贫化率为7.11%，为该采场的爆破参数优化提供了相应的数据支撑。

空区三维激光探测系统(CMS)；回采质量；三维建模；采空区

在金属矿山的回采过程中，受采场岩石稳定性，采矿方法的选择，开采设备，爆破技术以及人员施工等因素的影响，易造成采场周边的超、欠挖，导致矿石的损失和贫化，大量的矿石丢失，极大地影响了矿山企业的经济效益和服务年限。特别对于在黄金矿山中占有相当比重的薄矿脉开采，其采场的超、欠挖所对矿石的损失贫化影响更大[1]。因此，越来越多的矿山企业将采场回采质量指标的控制作为其生产中的重中之重，通过对采场回采质量控制及调整，降低回采过程中矿石的损失贫化，能够节省矿山生产成本，增加生产过程中的投入产出比例，对于矿山企业全面质量管理有着重要的意义。但是传统上由于受到探测手段的限制，在获取采场的回采数据过程中常常不能获得精确的数据，导致回采质量指标只能靠经验来推测，得到的评价值多为定性的参考值，严重影响了矿山生产计划的制定和生产过程的管理。近年来随着新的探测手段特别是精确的三维激光扫描系统的出现为获得准确的回采质量评价指标提供了坚实的数据基础[2-5]。本文基于三维激光探测系统CMS，采用三维空间数据处理技术，构建矿山采场的实测3D数据库，通过对该数据库系统进行相应的可视化挖掘，建立精确的采场回采质量评价指标，为矿山采场的采矿方法优选，结构参数优化以及爆破参数优化奠定基础。

1 采场空间数据的获取与3D数据库的建立

1.1 采场空间三维信息获取

1.1.1 空区监测系统CMS

空区三维激光探测系统(Cavity Monitoring System，简称CMS)是加拿大Optech公司生产的一种基于激光的空区精密探测系统。该系统主要用于井下巷道、硐室及采空区的精密探测，特别是在危险和人员无法进入的空区探测中，采用CMS系统探测效率高，探测结果可视化效果好。探测成果可用于建立空区三维模型、确定矿柱采场的实际边界、计算采空区体积等。CMS由激光扫描头、电源、数据收发器、手持式控制器及相应的数据处理软件组成，如图1所示。

1.1.2 三维激光扫描原理

图1 CMS系统组成

图2 三维激光扫描技术原理

三维激光扫描的技术原理如图2所示，其中的测距系统采用激光脉冲飞行时间法测距，伺服系统的关键部件是步进电机。整个系统的功能和运转机制为：计算机和机载软件与嵌入式操作系统进行交互，完成扫描参数的设置以及有关数据的显示；嵌入式操作系统负责完成对激光源、伺服控制系统、回波处理系统的控制以及与计算机的通信；伺服控制系统主要控制大、小电机及细分电路，小电机带动镜面旋转，从而改变激光束的出射角度，完成线扫描，大电机则负责带动小电机、激光源等从当前一帧移动到下一帧；光电转换器件将返回的光信号转换为电信号；回波处理系统则对光电转换后的波形进行采集取样和分析，进而获得扫描对象上某一点(X，Y，Z)。1.1.3 三维空间数据获取原理

三维激光扫描系统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。如图3所示，通过数据采集获得测距观测值S，精密时钟控制编码器同步测量每个激光脉冲横向扫描角度观测值a和纵向扫描角度观测值θ。激光扫描三维探测一般使用仪器内部坐标系统，X轴在横向扫描面内，Y轴在横向扫描面内与X轴垂直，Z轴与横向扫描面垂直，由此可得到三维激光测点坐标的计算公式(式(1))。

(1)

1.2 采场空间三维模型构建

CMS现场测试完毕后，扫描记录下来的数据是3D激光的几何模型数据，因此首先应通过CMSV400软件将几何模型数据转化为用户坐标数据，以方便我们直接调用数据进行三维建模。CMS扫描数据的处理过程如图4所示。

图3 三维空间数据获取原理

图4 CMS扫描数据处理过程

在得到了原始扫描数据后即可以利用第三方软件进行采场空区三维模型的创建。常用的建模软件有逆向工程软件geomagic，polyworks，以及常规的矿业软件surpac、Datamine等。考虑到geomagic软件作为数字形状采样以及处理的专业软件，其具有的强大复杂形状处理能力及高效的曲面生成能力，更加有利于采空区复杂表面模型的创建，因此，本文选用geomagic软件创建采场空区的三维模型。将得到的仅仅包含空间点X、Y、Z坐标的.txt文件直接导入到geomagic软件中，利用其封装与填充功能完成采空区三维模型的创建。生成的采空区三维模型如图5所示。

图5 基于geomagic软件建立的采场空间的三维模型

2 采场回采质量指标评价

总结目前的文献能够看出，采场的回采质量多采用贫化率，损失率、采矿综合成本和回采工班效率四个指标表示，特别是贫化率和损失率指标更是常用来反映矿山企业生产管理水平和经济效果的一项重要技术指标。过去，由于无法准确获取采场的实际边界数据，其贫损指标的核算往往只能参照设计图估算，其估算结果很难真实反映实际采矿的损失贫化状况，用于生产指导的作用相应降低[6]。现在借助于三维激光扫描设备所建立的矿山采场三维模型，即可精确地计算出各个采场回采的损失贫化指标[7-10]。矿石的损失率计算见式(2)。

(2)

式中：P为矿石损失率；Q为采场的矿石储量；D为采下矿石损失量。

矿石贫化率计算见式(3)。

(3)

式中：r为矿石贫化率；Q’为实际采下的矿石量；R为实际采下的废石量。

由式(2)、式(3)可以看出，为了准确的计算出矿石的损失率和贫化率，需要得到采场的超、欠挖量。其计算过程如下：首先需要将回采单元实体模型与采空场的实体模型合并，通过建立的复合模型能够很好的显现出采场的超挖和欠挖情况，如图6所示；然后利用geomagic软件分别得到回采单元实体模型体积V回采单元，采空场实体模型体积V采空场以及合并后模型体积V合并模型，通过相应的布尔运算即可以得到精确的采场超欠挖量。计算方法见式(4)、式(5)。

(4)

(5)

图6 实际空区边界与原设计采场边界对比

3 金厂沟梁金矿采场回采质量指标评价

金厂沟梁金矿18#矿脉位于9120勘探线与9180勘探线之间，矿体呈脉状，连续性较好，矿体总体走向330°，倾向240°，倾角60～75°。矿体矿化长度700m，厚度2m左右。矿山采用中深孔落矿方式回采。采用CMS三维激光空区探测系统，基于矿山采场的3D数据库进行采场回采质量的评价，进而优化回采结构参数及爆破参数。

3.1 建立采场的3D数据库

以金厂沟梁金矿六采区七中段7182采场为研究对象，根据其七中段与六中段脉内巷道以及探矿天井对矿体的揭露情况，对矿体的产状及形态进行精确测量。并以测量数据为基础，建立了该中段的矿体三维模型与巷道三维模型。该模型为回采单元的划分与计算提供了相应的数据基础。

对7182采场首次中深孔爆破后的空区进行三维激光扫描。扫描完成后，采用CMSV400控制软件输出包含采空场x、y、z坐标值的.txt文件，并将该文件直接导入到geomagic软件中，即可以得到采空区的三维模型。如图7所示。将扫描得到的空区三维坐标真实化，与所建立的矿体三维模型进行复合，得到了7182采场首次爆破实际探测空区模型与设计回采模型的复合图，如图8所示，根据所建立的7182采场回采3D数据库即可以精确地进行采场回采质量指标的评价。

图7 爆破后采场三维空区形态

图8 实际探测空区模型与设计回采模型复合图

3.2 损失贫化指标计算

1)采场损失率计算，通过建立的矿体采空区复合模型与采空区实体模型，利用geomagic软件中的差、并、交命令去除两个实体模型的公共部分，最终得到爆破完成后矿体的欠挖矿量，通过geomagic软件中的实体体积功能得出7182矿块首次爆破的回采单元体积为43.75m3，爆破后空区体积为36.37m3，复合模型体积为46.21m3，通过计算得到首次爆破的采场欠挖矿量为：V欠挖=V合并模型-V空场模型=46.21-36.37=9.84m3。

2)矿石贫化率计算，应用geomagic软件对复合模型与矿体模型进行布尔运算处理，即可以得到爆破完成后空区的超挖矿量，通过geomagic软件的实体体积计算功能计算得到首次爆破的采场超挖矿量为：V超挖=V合并模型-V设计模型=46.21-43.75=2.46m3。

通过计算分析发现，在矿体下盘处出现了较大程度上的欠挖量，导致下盘炮孔的有效利用率低。再下次爆破时应有针对性地调整爆破参数，有效控制下盘矿石的回收指标。

4 结 论

1)基于三维激光扫描探测系统CMS，应用三维空间数据处理技术，建立了基于矿山3D数据库的采场贫损控制新思路。即由三维激光扫描探测系统CMS获取回采空区的三维空间数据，基于三维空间数据处理技术，建立回采空间的的三维模型，并在此基础上进行采矿优化设计，实现矿产资源的经济、安全、高效地回采。

2)基于矿山3D数据库，建立了采场回采质量指标的精确计算方法，通过引入矿体采空区复合三维模型，可以精确计算出采场的超、欠挖量。并以此为基础精确地得到了采场的损失贫化指标。

3)将以上方法应用于金厂沟梁金矿7182采场，得到其爆破后采场矿石的损失率为22.5%，贫化率为7.11%，并分析出现该结果的原因，为下一步爆破参数的优化提供了数据支撑。

[1] 罗贞焱.基于CMS探测的采空区三维可视化系统研究[D].长沙：中南大学，2010.

[2] 夏永华，方源敏，孙宏生，等.三维激光探测技术在采空区测量中的应用与实践[J].金属矿山，2009(2)：112-113，127.

[3] 韦方景.采空区激光探测技术在铜坑矿的研究与应用[J].湖南有色金属，2009(1)：55-58.

[4] 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(4)：110-113.

[5] 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(4)：95-97.

[6] 黄志国，罗周全，刘晓明，等.基于实测的采场回采质量数字评价方法[J].矿业工程研究，2009(3)：10-13.

[7] 罗周全，冯福康，沈玉众，等.基于CMS实测的采空区三维建模与回采可视化计算[J].中国钼业，2010(2)：19-23.

[8] 陈丹辉，韦雪莉，刘晓明.基于CMS空区探测的贫损控制技术[J].采矿技术，2010(4)：34-35,146.

[9] 曹帅，景泮印，宋卫东，等.CMS探测技术及Surpac软件在矿山损贫指标分析中的应用[J].黄金，2013(4)：32-35.

[10] 刘晓明.基于实测的采空区三维建模及其衍生技术的研究与应用[D].长沙：中南大学，2007.

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

张占升，男，内蒙古金陶股份有限公司副总经理。

TD 853.4

A

1004-4051(2015)05-0149-04