用三维仿真进行采场分析和设计.pdf

2 0 1 0 年 1 0 月 第 3 9 卷第 5 期 中国矿山工程 Chi n a Mi n e Eng i n e e r i n g 0e t ． ． 2 01 0 Vo 1 ．39 No ． 5 用三维仿真进行采场分析和设计 S t o p e a n a l y s i s a n d d e s i g n b y u s i n g t h r e e d i me n s i o n a l s i mu l a t i o n 黄文福 潘 洛 铁 矿， 福 建 漳 平3 6 4 4 0 5 摘要 以潘洛铁矿 2 号矿体为例介 绍 了采场的三维建模过程 、 采矿 方法、 参数 的选择及取得的效果。 关键词 三维 ； 模型 ； 矿 柱； 采矿 方法 Abs t r a c t To o k NO． 2 o r e b o dy o f Pa n l uo I r o n Mi ne a s e xa mp l e ，t hi s pa p e r i nt r o du c e d t h e mo de l i n g o f t h r e e -d i me n s i o na l s i mu l a t i o n ， mi n i n g me t h o d a n d p a r a me t e r s e l e c t i o n ， a n d t h e o b t a i n e d e f f e c t ． Ke y wo r ds t h r e e -d i me ns i o n；mo d e l ；mi n e pi l l a r ；mi ni n g me t ho d 1 前 言 随着科技的不断发展 ， 3 D仿真技术 日趋完善和成 熟。在采矿工程领域 ， 运用三维模拟仿真技术对采场进 行采矿方法 的设计 目前还 比较少 ， 笔者对此进行 了实 验 ， 效果还是令人满意的， 较以往的C AD二维设计 ， 矿体 的空问位置形态表现直观 ， 各种工程的布置也很 明了。 在空 问定位方 面较传统二维平 面设计有 很大的改观 。 本文就 以潘洛铁矿的4 0 m中段 2 号矿体为例 ， 应用国产 的3 D m i n e 软件的方法和过程进行介绍。 2 设计前提条件 1 潘洛铁矿是位于戴 云山脉 中麓 的一个中小型铁 矿 ， 主生产采用竖井开拓 系统。单翼对角式通风 ， 井 口 标高 2 1 0 m， 井底标高 2 7 ． 5 m ， 井下分 1 3 0 、 1 0 0 、 7 0 、 4 0 m四 个 中段， 中段高度 3 0 m， 单层罐笼提升 ， 矿井设计生产能 力 2 0 万 t ， 井下用 Z K 7 6 ／ 2 5 0 架线 电机车和Y C C 1 ． 2 - 6 侧 卸矿车运输。振动放矿机出矿。 2 矿 区内地层 自石炭系至第 四纪均有 出露 ， 铁矿 主要赋存于石炭系船 山组灰岩二叠系栖霞组灰岩中以 及灰岩和林地组粉砂岩的交界面构造带 ， 灰岩多变质为 大理岩 ， 部分交代成矽卡岩。区内岩浆岩发育 ， 岩体遍 及全 区， 以燕 山期酸性花 岗岩和花 岗斑岩为主 ， 在标高 1 0 0 m以下裂 隙发育程度不高 ， 但花岗岩体对矿体影响比 较大， 使矿体产状变化大， 其岩株岩墙对矿体穿插比较 强烈 。 3 2 号矿体分布在4 - 8 勘探线 ， 北边被花 岗斑岩切 割 ， 呈 N W S E方 向展布 。矿体 呈似 层状 ， 走 向 1 5 0 。 ～ 第5 期 黄文福 用三维仿真进行采场分析和设计 3 3 0 。 ， 倾 向N E ， 倾角 1 O 。 ～ 4 3 。 。本次涉及的 4 0 中段储 量约6 0 万t ， 矿体厚度 0 ． 6 6 ～ 4 7 m， 平均约 1 0 m。 4 矿体顶板以大理岩和矽卡岩为主， 其次为花 岗斑岩和黄铁矿体 ， 底板以矽卡岩为主 ， 其次为花岗 斑 岩 ， 局部 为 砂 岩 大理 岩 。矽 卡 岩 的抗 压强 度 1 1 9 ． 0 8 MP a ， 普 氏硬 度 l 2 ， 稳 固 ； 大理 岩抗压 强度 7 7 MP a ， 8 。 中等至稳 固； 花岗岩致密坚硬， 稳 固。统 计 2 号矿体顶板矽卡岩 占3 2 ． 5 ％， 大理岩 占5 0 ％， 花 岗斑岩 2 ． 5 ％， 底板矽卡岩 占7 5 ％， 花岗斑岩 1 0 ％， 砂 岩 5 ％。矿体 为磁铁矿体 ， 抗压强 度 5 2 ～ 8 6 MP a ， 稳 固。矿岩在 1 0 0 m标高以下裂隙发育程度不高 ， 一般 小于5 ％。 3 矿块的三维建模 矿块的三维建模是设计的第一步 ， 是后续设计 的基础 ， 依据所提交的地质报告和测量数据 ， 建模采 用 3 D mi n e 或者 s u r p a c 等都可 以， 过程基本相 同， 以 采用其中方法之一 的数据库建模模式为例简要介 绍 首先建立数据库 ， 并分别建立钻孔定位表 ， 钻孔 测斜表 ， 钻孔岩性表 ， 钻孔化验表 ； 然后制作钻孑 L 相 关的文本数据或者 E XC E L表格； 把表格数据导人数 据库中， 经过修改和校对编辑后， 编辑好的数据就可 以显示 ， 不过在显示前还必须进行设置 ， 主要设置矿 体岩体显示颜色 ， 孔 口显示风格文字标注等 ， 这样基 本就可以显示钻孑 L 的j 三 维实体和见矿部位 的位置品 位等信息。要形成矿体实体还要将各个剖面的矿体 边界分别圈定后 ， 通过线段问建立三角网将各剖面 矿体边界相连形成矿体的实体模型。图 1 是此次设 计 2 号矿体4 0 m中段标高至7 0 m中段标高矿体完成 后的模型。从模型可 以看出矿体 中部 内凹且倾角平 缓 ， 6 线位置矿体较厚 ， 矿体产状变化较大 ， 倾角在 1 2 。 ～4 3 。 之 问变化 ， 厚度变化也较大 ， 薄 的地方 约 2 m， 厚的地方 3 5 m左右 ， 将矿体等厚度图做 出， 可以 看到矿体有两处矿体大于 1 2 m区域 ， 见 图2 。另 外 还需将矿体底板等高线图做 出， 见 图3 及 图4 图 3 为平面视角 ， 图4 为侧视 ， 可见矿体底板各处较 为 起伏， 整体倾角变化较大 ， 底板的等高线大致沿走 向 分布 ， 沿倾 向方 向两端较陡 ， 中部 平缓形成一个缓 坡 。这些都为选择采矿方法和布置底板上的电耙溜 井工程提供了依据。 4 采矿方法的选择 通过前面描述看出 ， 该矿体总体处于中厚矿体 ， 图 1 2 号矿体 4 0 7 0 m实体模型图 图2矿体 厚度分布 图 图3 矿体底板等高线平面 图 图4矿体底部 D T M 表面及各剖面形 态 但是矿体各处厚度变化很大 ， 不少地方 度较薄， 较 厚 的地方主要为4 ” 线和 6 线的两块 区域 ， 对于中厚 矿体的采矿早期 曾经采用 中深孔分段崩落采矿法 ， 但是 由于没有形成最初的覆盖岩层 ， 爆下的矿石抛 至空区无法装运。另外矿体的厚度 、 倾角、 走向及夹 石受构造影响和花 岗斑岩穿插影响严重 ， 变化较大 ， 中国矿山工程 2 0 1 0 年 第3 9 卷 这样给 中深布孔增加很大难度 ， 贫化也 比较严重。 后来经过试验还是浅孔落矿 比较适合矿 山情况 ， 工 艺也 比较容易为工人掌握 ， 基本解决 了贫化和 回采 率低的问题 。2 号矿体 的采矿方法选择 ， 根据矿体 厚度倾角变化大 ， 单一方法都不是很理想 。因此确 立基本原则 厚度小于 8 ～ l O re部分用 房柱采矿法 ， 大于 8 ～ l o re的地段用 留矿法或者全面 留矿法 。根 据矿体厚度分布图， 在厚度大于 1 2 m区域布置留矿 采矿法 ， 底部结构采用二次电耙巷 的结构， 出矿过程 矿石经漏斗一电耙巷一溜井一振动放矿机到中段运 输巷的矿车 ， 电耙道问距为 1 0 ～ 1 2 m， 电耙两侧漏斗 交错布置 间距 5 6 m。其余矿体较薄部位可 2 0 m间 隔先布置电耙道兼做探矿 ， 并在电耙道漏斗 中施工 上山以探测矿体厚度 ， 如果矿体厚度大于 l O m， 就加 密电耙道为间隔 l O m， 用留矿法采矿 ； 如果矿体较薄 小于 8 m， 就将 电耙道改作为拉底巷道 ， 变成矿房宽 度为 1 0 ～ 2 0 m的房柱 法直接开采 ， 不再掘进斗穿斗 颈。这样可以增加采矿方法 的应变性， 以适应该矿 床产状变化大的特点。溜井以布置在剖面的运输巷 两侧为主 ， 见图 5 。电耙道 的布置则 以矿体底板等 高线为依据 ， 沿走 向和矿体底板标高布置。电耙道 布置的三维视图见图6 。 图5溜井布置图 图 6 2号 矿体 工 程布 置 图 矿柱的留设 全矿体通过条带柱进行分割 ， 条带 柱走 向方向沿剖面布置 ， 倾向上依据矿体斜 长 1 0 0 ～ 1 3 0 m则分割为 2 - 3 段 ， 条带柱整体构成井字型框架 结构 ， 保证稳定性 ， 隔离条带柱宽度为6 m， 柱 内施工 人行通风上山和上中段贯通 ， 间隔6 m施工采场联络 巷， 矿块 中加设点柱 ， 以增加采场稳定性。点柱直径 3 ～ 5 m， 间距 8 ～ 1 5 m。矿柱面积约 占矿房总面积 1 5 ％ 一 2 0 ％。具体矿柱的留设图见图7 。 图7 矿柱留设图 5 采矿方法结构参数及采准切割 1 留矿法 。矿块沿走 向布置 ， 阶段高度 3 0 m， 矿块走 向长度 5 0 m， 条带问柱宽 6 m， 底柱高度大于8 ～ 1 2 m， 电耙巷间距 1 0 ～ 1 2 m， 出矿 漏斗间距 5 - 6 m， 交 错布置 ， 斗颈倾角5 0 。 ， 漏斗上部开始 回采时形成拉 底 连通 各个 斗颈 。条 带状 矿柱 沿剖 面布 置 间距 5 0 m， 沿倾 向方 向间距为 3 0 ～ 5 0 m， 在每个 矿块 中加 点柱 ， 点柱问距 8 ～ 1 5 m， 点柱直径 3 - 5 m。如需要采 用点柱 留矿法时 即需要在矿柱 中布置行人通风天 井时 ， 点柱尺 寸需 8 m 8 m， 因为矿岩稳定性 良好 ， 经过有限元计算跨度可以在 2 0 m以内。2 号矿体模 型内留矿法这里主要用在4 线上部和 6 线附近较厚 矿体 。采场用浅眼分层落矿 ， 采场每次放矿应小于 每次落矿量 4 0 ％， 其余暂留采场以垫作工作平台， 遇 到矿体倾角变缓 ， 采场辅 以电耙 ， 即成 为全面 留矿 法 。 留矿法 总 体 技术 经 济 指标 矿块 生 产 能力 1 0 0 ～1 5 0 t ／ d ， 贫化率 5 ％， 回收率 8 0 ％以上 ， 炸药单耗 0． 31 k g ／ t 。 2 房柱法 。矿房长度 5 0 m， 每个矿房宽度 1 0 ～ t 8 m， 点 柱直 径 4 m， 沿 矿房 长轴 方 向的 间距 为 8 ～ 1 5 m， 5 7 个矿房 间留条带隔离矿柱 。底柱高度大于 5 m， 保证足够溜井高度。一个矿房布置一个集中放 矿溜井， 沿走向布置时布置于剖面上的运巷旁 ， 绞车 硐室也 随同布置 ， 具体如4 ” 线到 5 线下部的矿体平 缓 ， 厚度较薄 ， 用沿走 向的房柱法 。而 4 线～ 4 线矿 块则用沿倾向布置， 溜井改沿走向布置在矿体下盘， 主运巷做相应改动跟进成沿脉方向。绞车硐室布置 在切割上山下端上盘 ， 上山沿矿房中心线先行施工， 以作通风和爆破 自由面用。将上山一次拉底扩开 ， 再 自下而上分层浅眼落矿回采 ， 矿石直接 由采场耙 到 溜井 中经振 动放矿 ， 部分 留作 垫高 以作工作平 台。作业时保证各个作业面间隔 1 0 ～ 1 5 m以上。房 柱法总体技术经济指标 采场生产能力 1 2 0 1 5 0 t ／ d ， 凿 岩效率4 0 ～ 5 0 m ／ 台班 ， 运搬效率 1 2 0 ～ 1 5 0 t ／ 台班 ， 贫化 率4 ％～ 5 ％， 损失率 1 5 ％～ 2 0 ％， 炸药 0 ． 2 ～ 0 ． 3 k g ／ t ， 雷管 0 ． 3 ～ 0 ． 5 个／ t 。 下转第4 3页 第5 期 邱俊 刚等 利用旧巷道封堵形成水仓控制排水时间 图 2混 凝 土墙 施 工 工 艺 图 关闭大阀门储水为维修提供宝贵时间。 4 排水方案实施效果 设置储水水仓后 ， 水仓容积扩大一倍多 ， 有能力 进行控制排水 ， 根据黄金供 电站的峰 、 平 、 谷用 电规 定 ， 7 3 0～1 1 O 0 、 1 8 O 0～2 3 O 0 为用 电蜂期 、 电价 约为 1 ． 0元／ k W h ， 1 1 O 0～1 8 O 0为用 电平 期 电 价 、 约为 0 ． 7 元／ k W h ， 2 3 O 0～7 3 0 为用 电谷期 、 电价约为O ． 4 元／ k w h 。由于有 了充足的水仓储水 保障， 控制在用电峰期的8 O 0～1 1 O 0 、 1 8 O 0 ～ 2 3 O 0 不开动水泵 ， 在用电谷期 的2 3 O 0～7 3 0 大量开泵 排水 ， 用 电平期 电 1 1 O 0～1 8 O 0 辅助排水 ， 使水泵 排水 用 电避开了用电高峰期 ， 每年可3 5 5 k Wx 4台 8 小时 3 0 天X 1 ． 0 0 ． 4 1 2 月 1 4 5 万元 。 同时， 在寺庄矿 区的供 电、 排水系统 、 地表排水 管路 突发破损时等出现的几次紧急故障中， 通过立 即关闭阀门断水 ， 提供 了充足的抢修时间 ， 保证了停 泵的安全时间。 5 结语 焦家金矿为解决寺庄矿区 目前水仓容量小 ， 必 须水泵连续排水 ， 存在用 电成本高和安全隐患的难 题 ， 通过调查分析 ， 巧妙借助废 旧巷道封闭混凝土墙 形成一个容积较大的储水水仓 ， 并通过设置放水 阀 门进行控制 ， 使其避开排水用电高峰期 ， 利用谷期大 量排 水 。 通过该方案利用用电峰平谷电费价差 ， 每年可 节省电费约 1 4 5 万元 ， 同时减少一个新增水仓 的施 工费用和时问， 并且在供电、 排水系统出现问题时可 提供充足的抢修时间， 经济效益和社会效益十分明 显 ， 对其他类似情况矿山具有借鉴作用。 [ 参考文献】 [ 1 ] 刘梅秀． 突水巷道的快速封堵技术【 J 】 _河北煤炭 ， 2 0 0 6 ， 4 ． 【 2 】 鲍杰用地面注浆法封堵巷道涌水f J 1 ． 江苏煤炭， 2 0 0 4 ， 1 ． [ 3 】 夏保 海等． 井 下施工挡水 墙 、 地 面打钻注浆 封堵涌水巷 道[ C ] ． 全国矿山建设学术会议 ， 2 0 0 4 ． 【 4 】 刘成林等．井下突水综合治理 矿山压力与顶板管理， 2 0 0 0 ． [ 5 ] 秦裕 彦等． 在动水 中施工挡水墙技术 问题 浅析 f M】 ．北 京 冶金工业 出版社 ， 1 9 9 4 ． [ 6 】 采矿手册编委 会采矿手册 2 [ M] 北京 冶金工业出版社， 1 9 9 0 ． 上接 第 4 0页 最后 ， 矿体的工程布置结合三维实体和矿体底 板等高线及矿体厚度布置 ， 矿柱留设亦是尽量沿着 底板等高线 ， 以利于 电耙巷道的布置。各工程布置 见 图 6 。 以上全矿块指标 全 2 号矿体 4 0 m中段 采切 比1 3 ． 2 6 m ／ k g ， 4 3 ． 3 5 m ／ k t ， 矿石回收率 8 0 ％～9 0 ％ 包 括矿柱 回收 。 6 矿柱 回采和通风 留矿法 在矿房开采刚结束时 ， 在顶柱 中先施工 切割天井以作爆破 自由面 ， 在上 中段运输巷不保 留 情况下 ， 连同上中段底柱一 同爆破下来 ， 矿石进入矿 房。间柱在顶柱采下后爆破 回收。或者底柱直接在 电耙巷道内向安装绞车一端后退式回采， 浅眼落矿， 出矿用电耙 ， 回采工作面前倾 6 0 。 。房柱法 条带柱 分割成间断矿柱回采 ， 点柱视情况抽取 回收。 新鲜风流 由4 0 m中段进入 ， 经沿剖面布置的上 山进人采场 由采场另一侧的上山排至上 中段。取巷 道摩擦阻力系数 0 ． 0 1 5 N s Z ／ m ， 经过计算 4 0 m中段东 部主开拓巷风流量为 8 ． 5 m ／ s ， 风速 1 ． 5 m ／ s ， 可同时施 工 3 个采场 。 7 结语 4 0 m中段 2 号矿体采用带二次电耙巷 的浅孔留 矿法结合房柱采矿法 ， 对于矿体变化有较强适应性 ， 总体技经指标合理 ， 不论矿体倾角和厚度如何变化 ， 都能随之调整变化 ， 较之矿山初期采用 的崩落采矿 法 ， 贫化和损失均大幅度减小 ， 工艺简单易于操作且 符合实际情况 。采用三维设计可以对各种实体空间 位置 比较清晰直观地展现和有利于工程布置 ， 对采 矿方法的选择和矿块 的切分也颇为有益。另外说 明 的是各种图纸和工程在空间位置上可 以任意叠加 、 取消和更改 ， 在需要 的各种 图层上工作也可直接捕 捉三维点 ， 给设计带来 了很大方便 ， 总体上三维采场 设计效果令人满意 ， 是值得推广的。