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矿山关键性技术的研究及应用

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《矿业科学学报》2017年第5期

摘要:矿山工程三维技术能够实现矿产开发、采矿设计、采矿工程、生产组织等的三维动态展示,是数字矿山的关键性技术。以实例的方式介绍了三维技术在矿山工程建设、矿产资源动态管理中的应用,总结出适合现代化矿山应用的新型矿山工程技术。

关键词:矿业工程;三维技术;数字矿山;工程技术

“数字矿山”是以矿山系统为原型,以地理坐标为参考系,以矿山科学技术、信息科学、人工智能和计算机科学为理论基础,以矿山测量和网络技术为支撑,建立起的一系列不同层次的系统模型、物质模型、力学模型、数学模型、信息模型和计算机模型等的兼并集成,可用多媒体和模拟仿真虚拟技术进行多维的表达[1]。目前,该系统在我国已经有了初步的应用,但局限于企业系统引入的完整性、计算机水平与资金投入等因素的制约,在应用上缺乏深度和广度,不能为矿产资源评估、矿山规划、设计优化等决策提供全面有效的信息数据。

1数字矿山的系统构成

数字矿山分为7个层次:(1)基础数据层。为实测数据,或设计数据,是各层的基础数据。(2)模型层。该层将基础数据加工为直观、形象的表述形式,并为设计与优化提供依据。(3)模拟与优化层。如采选工艺流程模拟、技术经济指标参数优化、设计与计划方案优化等。(4)设计层。该层把各环节优化过的数据转化为可执行方案或直接进行方案设计提供手段。(5)执行与控制层。如自动调度系统、质量指标参数自动监测与远程控制操作等。(6)管理层。包括MIS与办公自动化。(7)决策支持层。依据各层级的信息数据加工成果,就重大的设计、施工、投资等方案进行分析与预测,为决策者提供决策支持[2]。

2五矿矿业数字化矿山建设情况

2008年五矿矿业公司启动数字矿山建设,购置了三维矿业软件,以北洺河铁矿为试点,以已有的测量数据、钻孔数据、一次圈定、二次圈定数据、地质素描数据等为依据,建立地质三维模型、矿体三维模型、矿山工程三维模型、地表建构筑物三维模型。由于矿山生产活动动态快速变化,常规测量设备与手段效率低、精度低、采集数据量极其有限,并且数据本身的误差较大不能达到建模要求,加之采空区、放矿溜井、塌陷区等人员设备无法到达,无法准确完成数据采集,造成工程设计方案不能准确地为采矿做指导,设计因此经常需要修改,造成大量的工程浪费。采空区、放矿溜井、塌陷区等重点监控区域无法准确建立三维模型,无法真正实现空间管理,实现资源优化配置与安全管理,更不能科学编制生产计划,无法做到采场出矿质量精细化管理。为此,2014年五矿矿业公司引进并开发三维扫描技术,对矿山采矿工程、采空区、塌陷区进行三维扫描,这些问题才更好的得到了解决,该公司的数字矿山系统也从第二层上升到第三层建设,三维扫描测量成果的应用如图1所示,目前,利用三维激光扫描技术,该公司开展了地形图扫描、采掘工程放量验收、采场边坡变形测量、采空区实测、充填体变形监测、井巷巷道实测、主溜井破坏度实测等。目前,建有矿山矿体三维模型、地质构造三维模型、采空区三维模型、井巷工程三维模型、地表建构筑物三维模型、地表塌陷区三维模型、地面工业场区等三维模型,真实反映其相互间三维空间管理。以数字化矿山模型的应用实例为依据,展示其在资源储量动态管理、工程质量控制、采矿设计、采空区管理、主溜井修复方案等方面的研究与应用,论述数字化矿山成果的重要性以及发展方向。

3矿山数字化建设的研究与应用

3.1矿山三级矿量及资源量动态管理

根据一次圈定二次圈定的地质勘探资料、实际勘测数据建立地质勘查数据库、三维矿产资源模型、矿业工程实测模型,可以清晰准确的展示任意中段任意盘区的三级矿量保有情况,采掘现状,为下一步科学的进行施工组织决策提供参考依据。

3.2工程施工质量检测

由于传统测量采用毛断法方式采集数据,只利用中线量取巷道的高度、宽度、到控制点的距离的方式,不仅速度慢,且采集数量极其有限,所以无法全面地反映出工程实际施工的质量情况,不能满足数字矿山的要求,利用三维激光扫描技术采集数据,建立巷道实测模型,利用其快速、便捷、大数据的特点,并通过三维矿业软件建立巷道真实模型。

3.3采空区验收、优化矿柱爆破设计

实际测量采空区现状,绘制三维实体模型,并参照盘区矿块的采准设计、回采设计,与模型进行合并,用类似于工程质量检测的方法进行对比,为爆破设计提供可靠的信息数据,有效降低了爆破震动对采空区充填体的破坏,在保证充填体安全的前提下,尽可能多地回收矿产资源。

3.4采空区顶板地压的安全风险评估

采空区的边帮受地压的影响存在垮落现象,如图5、图6所示,为了预防采空区边帮、顶板塌落冒顶对上部工程以及作业人员、设备造成伤害,以区域实测成果为基础数据,定期对采场的采空区变化情况以及采矿边界内顶部工程(凿岩巷道和充填耳洞)位置进行对比,对顶部工程的安全风险进行分析与评估。凿岩巷道底板与塌冒区边界距离为2.8~9.9m,最小距离仅为2.8m,采空区顶板冒落比较严重,并随时存在再次塌冒的危险,人与设备在巷道内作业内,随时处于危险状态,凿岩巷道应及时封闭并挂警示标志,禁止行人进入巷道内。

3.5地表塌陷区动态监测

采用崩落法采矿的矿山,地表将随着采矿活动的进行而不断的往下塌陷,人员与设备均不能够靠近,常规测量设备无法完成全面准确的数据采集,无法建立塌陷区模型。而利用三维激光扫描技术可以定期进行无接触的全面激光扫描,在安全区域快速获取塌陷区完整数据,并通过三维软件进行点云数据处理建立,不同测站数据的快速融合,如图9所示,三维模型进入三维矿业软件进行分析对比,获得塌陷区动态变化情况,可以及时准确的获取塌陷区变化的情况,并及时采取有效的措施,避免周边人员、设备、建构筑物遭受损失。

3.6为主溜井治理方案提供依据

主溜井是矿山运矿的主要途径,随着服务年限的增加,主溜井会出现不同程度的损坏,由于主溜井构造和服务的特殊性,人员无法进入了解内部情况,设计人员无法了解现场实际情况,来完成主溜井修复方案设计。利用三维激光扫描技术,快速完成主溜井破坏区域数据采集,实现主溜井虚拟模型数字化。

4结论与建议

(1)采用三维扫描技术采集数据,大幅度提高了数字化矿山成果的准确度、精度和密度,使采准设计、回采设计和中深孔爆破设计更加精准,爆破效果更好,技术经济指标有显著提升。(2)较大程度地提高了矿山的安全管理水平,避免了人员进入到采空区、地表塌陷区等危险地点作业,扫描速度快,可以配合遥控电铲、摇臂、遥控车进入到更深更远的地方工作。

(3)提高工程设计精度,很大程度地改善了爆破对充填体的破坏度,降低了残孔率、废孔率、二次爆破,提高回采率、降低贫化率、损失率,取得一定的经济效益。

(4)目前,五矿矿业公司正朝数字矿山系统第5个层次规划,把此数字化矿山技术成果应用到安全六大系统中,全面开展地表地容地貌的数字化建设与矿体模型、矿山工程模型相融合,将成果展示在调度大屏上,利用人员定位系统将人员位置定位在此模型上,同样实行人员分级,利用颜色分级,例如选厂设备检修,在调度室就可以清晰地看到有几人在维修,有无科长、段长、专家在,是否有其他的维修力量可以调配过来,减少维修时间。又如,如果井下某区域有塌方或者火灾,堵住了安全通道或者有被困人员,就可以在大屏上指挥人员疏散或者组织救援等。

参考文献

[1]刘立.现代矿山新趋势:自动化和智能化[J].矿山装备,2011(7):34-37.

[2]孟耀伟,田胜利,王山东.数字矿山框架及演进过程研究[J].现代矿业,2009(6):64-66.

作者:刘骥;刘楠祥 单位:五矿矿业控股有限公司

矿业科学学报责任编辑:张雨    阅读:人次