許龍星，張兵兵

(宏大爆破工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，廣州 510623)

迪邁三維礦山軟件(DIMINE軟件)是數(shù)字化礦山建設(shè)的重要方面，有助于提高工作效率，改善工作方式，提高勞動生產(chǎn)力[1]。目前，可利用迪邁軟件實(shí)現(xiàn)爆破設(shè)計(jì)的智能化及數(shù)字化，并輸出爆破設(shè)計(jì)方案[2]。同時(shí)，利用迪邁軟件實(shí)現(xiàn)了采礦方法的真三維設(shè)計(jì)，三維可視化效果好，顯著提高了工作效率[3]；采用迪邁軟件的建模功能及編制模塊，有效地指導(dǎo)了露天礦山生產(chǎn)計(jì)劃的設(shè)計(jì)，優(yōu)化了采掘計(jì)劃，顯著提高了生產(chǎn)效率[4-5]。

此外，在露天礦山采空區(qū)建模及處理方面，CMS洞穴掃描測量和迪邁軟件的綜合采用，三維可視化效果好，可較好地獲取采空區(qū)的真實(shí)參數(shù)，并生成實(shí)體模型，為采空區(qū)處理提供依據(jù)[6-7]。而露天礦山采空區(qū)具有隱蔽性強(qiáng)、建模困難等問題，嚴(yán)重威脅著礦山安全生產(chǎn)工作。本文旨在重建露天礦山采空區(qū)的實(shí)體模型，分析采空區(qū)的相關(guān)參數(shù)，并對其進(jìn)行有效的爆破處理。

1 采空區(qū)處理難點(diǎn)分析

大寶山礦為大型露天多金屬礦山，早期采用井工開采，分布著眾多的地下巷道及采空區(qū)，此外，早期民采盜采現(xiàn)象普遍，難以有效制止。后期為了更為有效地回收礦石及安全生產(chǎn)，改用了露天開采模式。礦山賦存鐵、銅硫礦、鉛鋅礦及氧化礦等，經(jīng)濟(jì)價(jià)值較高。但井下開采遺留的采空區(qū)始終制約著礦山的安全管理工作，且采空區(qū)所在范圍內(nèi)礦石的品位較高，若不能及時(shí)處理，將造成高質(zhì)量礦石的不必要浪費(fèi)。而露天采空區(qū)隱蔽性強(qiáng)、探測困難，需要結(jié)合現(xiàn)有圖紙進(jìn)行比對分析，一些民采空區(qū)無相應(yīng)的地質(zhì)參考資料，使得處理難度進(jìn)一步加大。因此，有效地獲取采空區(qū)的位置及相關(guān)參數(shù)，重構(gòu)采空區(qū)真實(shí)形態(tài)，是保證處理效果的首要步驟，傳統(tǒng)的探測手段難以實(shí)現(xiàn)這一目的?？偟膩碚f，目前存在以下問題：

1)由于露天礦山開采規(guī)模大、勞動強(qiáng)度高，且采空區(qū)所在區(qū)域極易存在一定的變形，早期探測認(rèn)為處在安全階段的采空區(qū)，可能由于時(shí)效性，采空區(qū)頂板及兩幫處在持續(xù)變形階段，甚至已經(jīng)嚴(yán)重坍塌。

2)采空區(qū)隱蔽性強(qiáng)，內(nèi)部復(fù)雜程度不定，傳統(tǒng)手段難以有效地獲取采空區(qū)的真實(shí)形態(tài)，從而無法準(zhǔn)確獲取采空區(qū)的范圍及相關(guān)參數(shù)，難以達(dá)到全面分析采空區(qū)內(nèi)部賦存環(huán)境的目標(biāo)。

3)采空區(qū)探測后，傳統(tǒng)的礦山軟件難以有效構(gòu)建采空區(qū)實(shí)體模型，且目前主要依靠潛孔鉆機(jī)的炮孔鉆孔情況進(jìn)行爆破方案的制定，耗時(shí)長，存在一定的偏差，難以實(shí)現(xiàn)高效率的爆破作業(yè)。此外，不能及時(shí)獲知采空區(qū)存在狀態(tài)，可能對作業(yè)人員及現(xiàn)場設(shè)備構(gòu)成威脅。

若這些問題得不到較好的解決，則導(dǎo)致后期爆破處理方案難以較好確定，浪費(fèi)了大量的人力物力。同時(shí)，露天采場部分采空區(qū)既是重大安全隱患源，也是高品位礦石集聚地，為了實(shí)現(xiàn)安全施工及提高資源采出率，采空區(qū)的處理效果必須得以保證。

2 采空區(qū)實(shí)體模型構(gòu)建及參數(shù)確定

2.1 采空區(qū)實(shí)體建模

對于采空區(qū)的處理而言，實(shí)體建模是關(guān)鍵所在。通過構(gòu)建采空區(qū)模型，實(shí)現(xiàn)三維可視化操作，對確定采空區(qū)的位置及尺寸極為有利。在施工現(xiàn)場的炮孔中下放鉆孔式三維激光儀，三維激光儀自帶的360度高精度鏡頭可有效獲取采空區(qū)的形態(tài)及相關(guān)參數(shù)，并以密集點(diǎn)云的形式輸出。大寶山礦661采空區(qū)經(jīng)三維激光掃描得到的密集點(diǎn)云如圖1所示，其自帶坐標(biāo)方位信息，包含坐標(biāo)及高程等，可較好地達(dá)到采空區(qū)定位的目的。三維數(shù)字化礦山軟件迪邁軟件功能強(qiáng)大，三維可視化效果好，帶有點(diǎn)云輸入功能，可將點(diǎn)云通過三角網(wǎng)連接，短時(shí)間內(nèi)可重構(gòu)采空區(qū)模型，并進(jìn)行實(shí)體驗(yàn)證(圖2)。

圖1 采空區(qū)點(diǎn)云分布 Fig.1 Point cloud distribution of goaf

圖2 采空區(qū)的實(shí)體模型Fig.2 Solid model of goaf

2.2 采空區(qū)參數(shù)

參照礦區(qū)表面模型，可以清楚了解采空區(qū)的分布位置，如圖3所示。同時(shí)，迪邁軟件含有測量的眾多命令操作，可對重構(gòu)的采空區(qū)實(shí)體模型進(jìn)行有效的量測，進(jìn)而確定采空區(qū)的長度、面積及體積等，如表1所示。此外，通過現(xiàn)場鉆孔巖粉取樣，送往化驗(yàn)室進(jìn)行礦石品位分析，再將品位化驗(yàn)結(jié)果導(dǎo)入迪邁軟件中的數(shù)據(jù)庫，可對采空區(qū)內(nèi)部的礦石進(jìn)行品位估值操作，獲取礦石儲量；也可進(jìn)行高品位與低品位礦石及巖石的界限劃分，通過現(xiàn)場放點(diǎn)即可實(shí)現(xiàn)礦巖分裝分運(yùn)，有助于指導(dǎo)現(xiàn)場施工與生產(chǎn)。

圖3 采空區(qū)與地表的空間關(guān)系Fig.3 Spatial relationship between goaf and surface

表1 采空區(qū)參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

長沙礦山院在大寶山礦做了大量的采空區(qū)探測及穩(wěn)定性分析工作，通過不斷總結(jié)，給出了大寶山礦露天采空區(qū)的經(jīng)驗(yàn)判別式：

h=0.71b-1.02

(1)

式中：h—最小保安層厚度，m；b—最大跨度，m。

通過計(jì)算可得，h=18.505 m，采空區(qū)頂板厚度12.2 m小于標(biāo)準(zhǔn)值18.505 m，頂板仍處于可施工狀態(tài)；為了及時(shí)消除安全隱患，確保礦區(qū)安全生產(chǎn)工作，需要及時(shí)處理。

3 采空區(qū)爆破方案的自動化設(shè)計(jì)

3.1 采空區(qū)爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的爆破設(shè)計(jì)主要是依據(jù)現(xiàn)場拉線布孔，其工作量大、流程繁瑣、勞動強(qiáng)度大、人力成本高，無法滿足采空區(qū)及時(shí)處理的要求。迪邁軟件自帶露天礦山爆破設(shè)計(jì)功能，可按照設(shè)計(jì)參數(shù)實(shí)現(xiàn)自動布孔、裝藥、填塞、連網(wǎng)等操作。

前期采用正常臺階中深孔爆破，為后期采空區(qū)處理提供自由面。在進(jìn)行采空區(qū)爆破方案設(shè)計(jì)時(shí)，首先對鉆孔參數(shù)、孔網(wǎng)參數(shù)及藥量設(shè)計(jì)方面進(jìn)行參數(shù)設(shè)置?，F(xiàn)場實(shí)測發(fā)現(xiàn)最小抵抗線為4.0 m，采空區(qū)所處地形存在一定的起伏，由于采空區(qū)的潛在威脅較大，將爆破的基本參數(shù)設(shè)置為：孔網(wǎng)參數(shù)為4.0 m×4.5 m，選用2#巖石炸藥及銨油炸藥，底部采用沙袋形成2.5 m的空氣間隔，頂部采用巖粉填塞4.5 m，兩間隔裝藥結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 采空區(qū)炮孔裝藥結(jié)構(gòu)示意圖[8]Fig.4 Blasthole structure schematic diagram of goaf

先采用基本孔網(wǎng)參數(shù)進(jìn)行自動化多孔布置，再結(jié)合軟件的單孔布置及炮孔編輯功能，實(shí)現(xiàn)炮孔設(shè)計(jì)的智能化。采空區(qū)邊界范圍采用單孔功能添加合適的加密孔；在設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，再結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。由于采空區(qū)的炮孔深度以鉆孔打穿采空區(qū)頂板為準(zhǔn)，在迪邁軟件中，則根據(jù)點(diǎn)云生成的實(shí)體模型進(jìn)行等深度炮孔設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)炮孔24個(gè)，炮孔起始標(biāo)高在685 m，深度暫定為18 m，以現(xiàn)場炮孔打穿深度為主。661采空區(qū)的頂板薄弱位置在采空區(qū)中部，故在采空區(qū)中部設(shè)置了1個(gè)起爆點(diǎn)。為了達(dá)到較好處理采空區(qū)的目的，采空區(qū)中部炮孔起爆延期時(shí)間為17 ms，爆區(qū)起爆延期時(shí)間分布在0～100 ms，爆區(qū)的炮孔設(shè)計(jì)如圖5所示。有效利用爆破振動效應(yīng)及巖石擠壓作用是處理采空區(qū)的關(guān)鍵所在，本次爆破設(shè)計(jì)中單段最大裝藥量為2 316 kg，單孔最大藥量為386 kg。

圖5 采空區(qū)炮孔布置形式及起爆網(wǎng)絡(luò)[8]Fig.5 Blasthole arrangement and detonating network of goaf

3.2 采空區(qū)爆破可行性分析

每個(gè)炮孔采用2發(fā)雷管進(jìn)行引爆，再采用地表雷管進(jìn)行起爆網(wǎng)絡(luò)的最終連接。起爆網(wǎng)絡(luò)連接后，利用軟件的起爆模擬功能對起爆網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了分析，避免了網(wǎng)絡(luò)連接錯(cuò)誤而造成嚴(yán)重的爆破事故，對于爆破安全工作十分有利。同時(shí)，分析了等時(shí)線分布情況，發(fā)現(xiàn)較為密集，處在合理范圍內(nèi)。此外，生成了采空區(qū)爆區(qū)的起爆時(shí)間分布圖，可以起到直觀判斷爆破設(shè)計(jì)是否合理的效果。各項(xiàng)流程完成后，導(dǎo)出采空區(qū)爆破設(shè)計(jì)方案，有助于進(jìn)行炸藥量及雷管等火工品用量統(tǒng)計(jì)，從而有序地安排爆破現(xiàn)場施工工作；也可分析設(shè)計(jì)方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，與實(shí)際用量形成比對，不斷優(yōu)化完善采空區(qū)爆破設(shè)計(jì)方案。

4 采空區(qū)處理效果分析

自動化布孔爆破后，現(xiàn)場施工中對炮孔的位置進(jìn)行了少許調(diào)整，使其更為貼合實(shí)際情況。爆破期間，采用視頻錄制裝置進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控分析，無沖炮現(xiàn)象產(chǎn)生，發(fā)現(xiàn)在爆破的瞬間，爆區(qū)明顯呈現(xiàn)強(qiáng)烈的下沉現(xiàn)象。安全等待時(shí)間后，現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)形成了一個(gè)顯著的礦坑，邊緣處塌陷現(xiàn)象明顯。采用測量儀器對爆破的范圍進(jìn)行了邊界采點(diǎn)，并與原有探測情況進(jìn)行了比對分析，認(rèn)為整體上采空區(qū)所在范圍已被成功爆破處理。同時(shí)，發(fā)現(xiàn)采空區(qū)局部區(qū)域的爆破巖石松散現(xiàn)象較為明顯，原因在于巖石碎脹系數(shù)的存在。較好地消除了661采空區(qū)的安全隱患，且回收的銅硫礦石品位較高，經(jīng)濟(jì)效益良好。應(yīng)用效果表明迪邁軟件在采空區(qū)處理方面優(yōu)勢明顯，可較好地實(shí)現(xiàn)采空區(qū)的實(shí)體建模及爆破處理，具有可行性。采空區(qū)爆破處理效果見圖6。

圖6 采空區(qū)爆破處理效果Fig.6 Effect of goaf blasting treatment

5 結(jié)語

1)采空區(qū)是露天礦山安全生產(chǎn)的重大危險(xiǎn)源，本文分析了大寶山露天礦采空區(qū)處理的難點(diǎn)所在，認(rèn)為采空區(qū)實(shí)體建模是成功處理的關(guān)鍵步驟。

2)結(jié)合三維激光掃描儀獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，利用迪邁軟件的點(diǎn)云生成實(shí)體模型功能，生成了661采空區(qū)的實(shí)體模型，得到了其范圍、跨度及面積等參數(shù)，并通過經(jīng)驗(yàn)公式判別認(rèn)為該采空區(qū)存在潛在危險(xiǎn)性，需及時(shí)進(jìn)行強(qiáng)制爆破處理。

3)采用迪邁軟件的露天礦山爆破設(shè)計(jì)功能，對爆區(qū)進(jìn)行了自動化的設(shè)計(jì)、裝藥、連網(wǎng)工序設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了起爆時(shí)間分析，確定了合理可行的技術(shù)方案。按照軟件生成的爆破方案進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)，采空區(qū)得以順利起爆，且效果良好，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。