基于DIMINE的无底柱采矿回采设计.pdf

第3 l 卷第3 期 2 0 1 1 年0 6 月 矿冶工程 M I N I N GA N DM E T A L L U R G I C A LE N G I N I E E R I N G V 0 1 ．3 l №3 J u n e2 0 l l 基于D I MIN E 的无底柱采矿回采设计① 董子良1 ’2 ’3 ，王李管1 ’2 ”，毕林1 ’2 ，3 1 ．中南大学资源与安全工程学院，湖南长沙4 1 0 0 8 3 ；2 ．中南大学数字矿山研究中心，湖南长沙4 1 0 0 8 3 ；3 ．长沙迪迈信息科技有限公司，湖南 长沙4 1 0 0 8 3 摘要运用D I M I N E 软件在三维环境中对某铁矿的无底柱崩落法进行回采设计。首先导入地质剖面图，通过不规则三角网生成 地质体模型。然后导入实测巷道数据生成巷道模型。切割矿体及岩体模型形成采场模型，在采场模型中设置炮孔剖面生成爆破边 界和扇形炮孔。对炮孔进行自动装藜并计算装药量。最后进行炮排和进路出图并计算技术经济指标。通过运用D I M I N E 软件，快 速准确地在三维环境下完成了无底柱采矿设计。 关键词采矿；数字矿山；分段崩落法；无底柱采矿；回采设计；爆破设计；三维环境 中图分类号T D 8 5 3文献标识码A文章编号0 2 5 3 6 0 9 9 2 0 1 1 0 3 0 0 2 6 0 4 S t o p i n gD e s i g nf o rN o n - p i l l a rM i n i n gB a s e do nD I M I N E D O N GZ i l i a n 9 1 ，2 ，一，W A N GL i ．g u a n l ，2 一，B IL i n l ，2 ，3 1 ．C o l l e g eo f R e s o u r c e sa n dS a f e t yE n g i n e e r i n g ，C e n t r a lS o u t hU n i v e r s i t y ，C h a n g s h a4 1 0 0 8 3 ，H u n a n ，C h i n a ；2 ．R e s e a r c h C e n t e ro f D i g i t a lM i n e ，C e n t r a lS o u t hU n i v e r s i t y ，C h a n g s h a4 1 0 0 8 3 ，H u n a n ，C h i n a ；3 ．C h a n g s h aD i g i t a lM i n el n eL t d ， C h a n g s h a4 1 0 0 8 3 ，H u n a n ，C h i n a A b s t r a c t D I M I N Es o f t w a r ei su s e di nt h es t o p i n gd e s i g nf o rn o n p i l l a rc a v i n gm i n i n go fi r o n o r em i n e ．F i r s t l y ，g e o l o g i c s e c t i o n a ld r a w i n gi si m p o r t e di n t oD I M I N Es o f t w a r e ．g e o l o g i cb o d ym o d e lc a nb ep r o d u c e d 访t 1 1T I N 。T h e nl a n e w a y m o d e l sc a nb eg e n e r a t e db yi m p u t i n gt h em e a s u r e dd a t aa n ds t o p em o d e l sc a nb eg e n e r a t e db yc u t t i n go r e b o d ya n dr o c k m o d e l s ．B l a s t i n gb o u n d a r ya n d f a n h o l e sc a nb eg e n e r a t e db yd i s p o s i n gs e c t i o no fb l a s t h o l e s ．Ac h a r g ed e s i g na n dc h a r g e q u a n t i t yc a l c u l a t i o nw i l lb ea u t o m a t i c a l l yc o m p l e t e db yD I M I N E ．A tl a s t ，D I M I N Ec a no u t p u td r a w i n g so fb l a s t h o l e s a r r a n g e m e n ta n da c c e s ss e c t i o n ，a l s ot e c h n i c a la n de c o n o m i ci n d i c a t o r sC a nb ec a l c u l a t e d ．I ti sc o n c l u d e dt h a tw i t ht h e h e l po fD I M I N E ，a3Dd e s i g nc a nb eq u i c k l ya n da c c u r a t e l yc o m p l e t e df o rn o n p i l l a rm i n i n g ． K e yw o r d s m i n i n g ；d i g i t a lm i n e ；s u b l e v e lc a v i n g ；n o n p i l l a rm i n i n g ；s t o p i n gd e s i g n ；b l a s t i n gd e s i g n ；3 De n v i r o n m e n t 采矿工程是我国现代工业发展的保障。随着国民 经济的快速发展，采矿业的规模也在很大程度上得以 扩大。采矿工程的作业对象是不同种类的金属、非金 属矿床，不同的矿床的产状、大小、品位、矿石分布情况 及围岩的物理性质各有不同⋯。而传统的采矿C A D 和C A S S 成图系统在二维环境下很难真实反映矿体的 埋藏位置及形状。在计算矿石储量方面不但计算方法 繁琐而且精度不高。因此急切需要在三维环境下进行 地质建模和采矿设计。运用D I M I N E 数字化矿山软 件，就可以轻松地在三维环境下建立矿床、围岩、工程 等各种模型，在各种模型上进行采准、切割和爆破设 计，并且可以通过三维模型的二维转换进行出图，达到 指导生产的目的。 1 D I M I N E 软件功能概述 D I M I N E 数字矿山系统是由长沙迪迈信息科技有 限公司软件开发团队在全面研究了国内外数字矿山软 件 如M i c r o M i n e 、D a t a M i n e 、S u r p a c 等 和我国矿山实 际需求的基础上，自主开发出的一整套适用于各类金 属矿山和非金属矿山的数字化平台系统。 D I M I N E 软件主要可以实现以下几部分功能①通 过地质剖面图生成三维矿体、岩体、断层等模型；②地 质勘探数据的录入、解译，块段模型的估值与储量计算； ③采准切割工程设计，地下矿开采单体设计，回采爆破 设计；④露天矿开采设计；⑤地下矿生产计划编制。 通过运用数据库技术、三维表面和实体建模技术、 地质统计学方法、三维模拟技术和虚拟现实技术， ①收稿日期2 0 1 0 - 1 2 - 2 3 作者简介董子良 1 9 8 5 一 ，男，河北秦皇岛人，硕士研究生，主要研究方向为数字化矿山和矿山安全。 万方数据 第3 期董子良等基于D I M I N E 的无底柱采矿回采设计 D I M I N E 软件完全具备了实时性、模拟性、安全性、经济 性等数字矿山的特征‘2 1 。 2 矿山工程概述 某铁矿山矿床均为第四系黄土及河床卵石层所覆 盖，盖层厚度自西向东逐渐增加，石炭二叠纪含煤岩系 主要分布在矿区东部，中奥陶统马家组灰岩层主要分 布2 线以西，层厚5 0 0 ～7 8 0m 。矿床主要由闪长玢 岩、磁铁矿、矽卡岩及角砾岩所构成。矿体埋深1 3 4 ～ 6 7 9m ，走向近呈东西向，9 线以西渐转变向北西方向， 长16 2 0m ，宽9 2 3 7 6m 。矿厚最大为1 9 3 ．7m ，平均 为1 2 ．2m 。矿层由上而下分为8 层，其中F e ，层为最 大，占全区总储量的8 4 ．7 ％，F e 。层次之。矿体形态产 状多受背斜构造的影响，呈透镜状、分枝复合状等，厚 度变化大。 3 无底柱分段崩落法回采设计 3 ．1 矿床及岩体模型的建立 在进行无底柱回采设计前，根据矿山提供的地质 资料，运用D I M I N E 软件建立矿体、围岩模型，用来计 算矿体中矿石量和金属量。 建立矿体和围岩模型的主要依据是地质剖面图上 的地质信息，将地质剖面图 主要是C A D 文件 按照 真实位置导入到D I M I N E 软件三维设计窗口里，然后 按照最小周长法、最小面积法等不同的三角化剖分算 法，将处在不同勘探线位置上的剖面图中矿体轮廓线 框连接生成不规则三角网实体模型，在矿体的端部按 地质报告的要求，以勘探线间距一半的距离进行点尖 灭或线尖灭，如图1 所示。然后以相同的方法作出岩 体模型，然后运用布尔运算将岩体模型和矿体模型中 间重叠部分删除，确保矿石与岩石完全分离，以便分别 计算矿石量与岩石量。利用已经品位估值的块段模型 来计算矿体内金属量。 图l 矿体模型 3 ．2 采准工程模型的建立 根据矿体产状及围岩稳固程度，在厚大的矿体情 况下，分段高度确定为5 0m ，运输大巷沿矿体走向布 置，回采巷道垂直于走向布置，沿走向6 0 ～7 0m 布置 溜矿井。 采用无底柱分段崩落法进行采矿时，关键是要控 制采场结构参数，只有选择合理的分段高度和进路间 距才能做到最大限度的回采矿体，尤其是处理脊部残 留矿石问题。可根据崩落矿石放出椭球体的参数来确 定分段高度和回采巷道中心距，使其崩落的矿体形状 和放出椭球体轮廓尽量相符。 为了有效地增加开采强度、减小掘采比和控制采 场地压，目前采用无底柱分段崩落法生产的矿山正趋 向于增大分段高度与进路间距。国外采用无底柱分段 崩落法的矿山，都向加大结构参数的方向发展。瑞典 已经发展到分段高度3 0m ，进路间距平均2 5m b J 。 基于随机介质放矿理论和无底柱分段崩落放矿实 验，以及本矿山凿岩设备能力、凿岩精度和装药技术等 确定分段高度1 5m ，进路间距1 8m 。在此结构参数 下，可以保证矿石的低贫化率和高回采率[ 4 ] 。在 D I M I N E 中将采场的结构参数输入到三维设计窗口，并 且生成巷道实体模型，如图2 所示。对比传统的二维 设计，此功能更加精确、简便、快捷。因为传统的二维 环境下采矿设计只能一次设计一个中段平面，而 D I M I N E 软件可以同时在不同高程上作出开拓系统。 图2 开拓进路工程与矿体模型 3 ．3 无底柱采场划分 采用无底柱分段崩落法进行采矿时，一般以一个 流经服务的范围划分为一个矿块，溜井间距主要根据 运输设备的能力和矿体产状决定。通过D I M I N E 软件 中实体分割的功能可以将已经作好的矿体和岩体模型 按照中段高度和采场边界进行矿块的划分，从而生成 万方数据 矿冶工程第3 l 卷． 采场模型。配合进路巷道模型即可进行回采爆破设 计‘5 | ，如图3 所示。 图3 一1 1 0m 中段3 。采场及进路巷道模型 本文选取一1 1 0n l 水平3 ’采场作为回采设计单 元，本采场位于9 s ～1 0 s 勘探线之间，东临一1 1 0i n 水 平9 ’采场，西依5 。采场，为延长上盘运输巷服务时问， 采场控制长7 21 1 1 ，宽4 0m ，采场控制面积28 8 0m 2 。 此采场属于F e ，矿体，采场顶板标高一9 5m ，底板标高 一1 0 8m 。采场矿体最大厚度1 3m ，最小厚度3m ，矿 体走向为E W l 2 8 0 ，倾向为2 10 5 8 ’0 2 ”，倾角3 5 0 ～7 0 0 。 本采场矿体无成矿后期的构造性破坏，矿体的连续性 较好。主要金属矿物为磁铁矿，黄铁矿次之，脉石矿物 主要为透辉石、绿泥石、其次是方解石和滑石等。 4 炮孔设计及进路剖面出图 拥有了采场模型、进路巷道和品位块段模型后，就 可以利用D I M I N E 软件进行无底柱采场的爆破设计。 4 ．1 设计炮孔排位 炮孔排位设计主要是指确定排炮间距和炮孔左右 控制范围大小。不同矿山生产经验和实验室模拟结果 显示，在1 5m 1 8m 的采场结构参数下设置进路爆破 步距为2m ，切巷爆破步距为1 ．7m ，既可以达到损失 贫化指标，又可以保证切割槽爆破后形成合适的自由 面和补偿空间，如图4 所示。在D I M I N E 软件中选择 图4俯视状态下进路与切巷的排位线和中心线 需要生成炮孔排位线的巷道中心线，然后输入炮排间 距即崩落步距和炮孔控制范围，在三维空间的真实位 置会自动生成炮排线和控制边界。 4 ．2 生成爆破边界 在完成切巷和进路排位线设计后，爆破设计的第 二步是在这些排位线的竖直方向上生成爆破边界。爆 破边界是用来限制炮孔长度的界限。设计爆破边界的 主要参数有本水平边孔角、上水平边孔角和左右控制 范围。边孔角是无底柱分段崩落法爆破设计中重要的 参数，根据矿体物理性质和矿石流动特性来确定。在 一1 0 0m3 。采场中，确定本水平边孔角为5 0 。，上水平 边孔角为5 7 0 ，控制范围为9m 。然后通过炮孔排位线 所在面切割进路巷道和采场巷道实体模型，生成排炮 剖面线文件，再通过在软件中输入本水平和上水平边 孔角生成爆破边界线文件，如图5 所示。爆破边界生 成后，软件可以按照上接、崩落、左下转、右下转和掘进 附产5 个部分计算每个爆破排面的崩落矿量和金 属量。 图5 爆破边界参数 4 ．3 生成扇形炮孔文件 无底柱分段崩落法是在菱形布置的凿岩巷道中布 置向上的中深孔。炮孔的布置有扇形和平行两种排列 方式，要根据矿体力学性质、回采方案、凿岩设备能力 等来确定MJ 。本采场采用扇形孔布置。扇形孔包括 单中心和双中心两种布置方式，若使用一辆凿岩台车 则采用单中心扇形孔，双中心扇形孔最好由双机台车 来完成。这里的爆破参数为单中心扇形孔，孔底距 2 ．4 3 ．2m ，边孔角5 0 0 ，孔径为9 3m m 0 7J 。在D I M I N E 软件中输入上述爆破参数，在三维空间中会生成扇形 炮孔线文件。然后对炮孔进行自动装药，为了避免孔 口附近装药过于密集而产生的粉碎和眉线破坏现象， 装药采用交错结构，孔口部分装药最小间距大于孔底 距的1 ／2 ，如图6 和图7 所示。 万方数据 第3 期 董子良等基于D I M I N E 的无底柱采矿回采设计 炮孔编号 孔底距 装药显示 扇形炮孔 图6 扇形炮孔及装药 图7三维状态下扇形孔与爆破实体 4 ．4 炮孔剖面工程出图及技术经济指标计算 在完成回采爆破基本设计后，将三维设计结果转 移至二维环境，以便打印出图，指导现场采矿人员进行 施工。在D I M I N E 中可以把设计炮孔和进路剖面导人 到打印出图窗口，按照一定的比例进行缩放，最后打印 成图，见图8 。 { ‘f 旺5 骢3 乳2 龇‘ ■‘一t _ 5 ；艚．78 q ●矬．3 ‘2 4 ．5 j P ⋯t “‘十‘一 6 { 劓．2B 1 ．62 I ．I ‘2 1 ．5 { } 一一h 一一4 一 一一■ 7 { “ 2 ．札8r 1 8 ．2 一i 6 ’ ～一⋯一一一4 一一{ a { 舰37 m 11 59 。l t3 卜一f 一一J 9 r i O ．5 ∞51 1 ．3 ’1 0 ．7 } ⋯{ ⋯一- 一{ ⋯一一一_ 1 0 ，5 0 , 0 ，5 0 ．0 1 1 ．●l I ‘i - 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9 ． [ 3 ] 单仁亮．凿岩机入射应力波形的研究[ J ] ．东北工学院学报， 1 9 8 9 ，1 0 S u p p l l - 5 ． [ 4 ] 赵统武．冲击钻进动力学[ M ] ．北京冶金工业出版社，1 9 9 6 ． [ 5 ] 庞特里亚金J IC ．常微分方程 第六版 [ M ] ．林武忠等译．北 京高等教育出版社．2 0 0 6 ． 上接第2 9 页 5 结语 在三维环境下进行复杂地质体建模、采矿设计是 D I M I N E 软件的核心功能之一，D I M I N E 是第一个利用 三维技术进行无底柱崩落法回采设计的软件。在三维 环境下进行采矿设计，对于矿山设计人员来说，不但快 捷方便，而且表现直观。原来需要数月时间进行开采 设计，现在只需数天即可完成，大大节省了人力物力， 给矿山企业创造了更好的经济效益。随着采矿工程的 发展，越来越多的矿山企业需要进行数字化采矿， D I M I N E 软件的发展前景将会更加宽广。 参考文献 [ 1 ] 解世俊．金属矿床地下开采[ M ] ．北京冶金工业出版社，1 9 9 5 ． [ 2 ] 骆力．数字矿山特征及建设探析[ J ] ．金属矿山，2 0 0 9 5 3 6 3 9 ． [ 3 ] 张志贵．无底柱分段崩落法最优结构参数及确定准则探讨[ J ] ． 矿冶工程，2 0 0 4 ，2 4 1 4 6 ． [ 4 ]陈超，任风玉，杨丽．北沼河铁矿无底柱高效采矿方法研究 与实践[ J ] ．金属矿山，2 0 0 7 8 1 4 3 1 5 0 ． [ 5 ]王李管，何昌盛，贾明涛．三维地质体实体建模技术及其在工程 中的应用[ J ] ．金属矿山，2 0 0 6 6 5 8 6 2 ． 【6 ] 朱卫东，原丕业。鞠玉忠．无底柱分段崩落法结构参数优化主要 途径[ J ] ．金属矿山。2 0 0 0 9 1 2 1 6 ． [ 7 1 熊国华，赵怀遥．无底柱分段崩落采矿法[ M ] ．北京冶金工业出 版社，1 9 8 8 ． 万方数据