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矿山采空区对开拓系统影响的定性分析及快速呈现
2019-02-18
采空区是矿山安全生产的重大隐患,尤其一些小型民营矿山,井下采空区错综复杂, 对矿山的安全生产影响较大。开拓巷道作为矿山生产的咽喉,必须布置在采空区移动影响范围之 外,确保安全可靠。小型民营矿山常采用较低成本的斜井开拓,斜井工程很难直观从平面上分析与 采空区的相互关系。在Autocad 平台下,通过建立矿山开拓系统和采空区实测的三维立体图,可直 观呈现采空区与开拓系统的空间关系。在Autocad 内以空间体形式展示采空区移动影响范围,可 快速定性分析采空区对开拓系统的影响,为矿山安全生产作出决策。
Serial No. 597 January. 2019 现ꢀ 代ꢀ 矿ꢀ 业 MODERN MINING 总第 597期 2019 年 1 月第 1 期 矿山采空区对开拓系统影响的定性分析及快速呈现 孙丽军 中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司) ( ꢀ ꢀ 摘ꢀ 要ꢀ 采空区是矿山安全生产的重大隐患,尤其一些小型民营矿山,井下采空区错综复杂, 对矿山的安全生产影响较大。 开拓巷道作为矿山生产的咽喉,必须布置在采空区移动影响范围之 外,确保安全可靠。 小型民营矿山常采用较低成本的斜井开拓,斜井工程很难直观从平面上分析与 采空区的相互关系。 在 Autocad 平台下,通过建立矿山开拓系统和采空区实测的三维立体图,可直 观呈现采空区与开拓系统的空间关系。 在 Autocad 内以空间体形式展示采空区移动影响范围,可 快速定性分析采空区对开拓系统的影响,为矿山安全生产作出决策。 关键词ꢀ 采空区ꢀ 开拓系统ꢀ 空区影响ꢀ 定性分析 DOI:10. 3969 / j. issn. 1674-6082. 2019. 01. 016 ꢀ ꢀ 采空区已成为目前矿山开采的一项重大安全隐 ꢀ ꢀ 小型矿床许多属“鸡窝矿”,赋存分散、规模小、 [2] 患,一旦发生坍塌,垮落的岩石会掩埋人员、设备设 施或堵塞巷道造成人员被困。 据统计,2003—2013 年,我国金属非金属地下矿山共发生采空区坍塌事 故 20 起,死亡 88 人,采空区危害不容忽视。 形态复杂、变化大 。 且有时由于地质资料深度不 足,生产开拓中又有一些零星矿体发现。 造成井下 开采形成的采空区分布杂乱,空间关系复杂。 采空 区和开拓井巷尤其是斜井井巷的相关影响关系更是 无法快速直观判断。 采用三维激光扫描仪对井下采 空区的分布形态进行全景扫描,将采空区进行三维 数字化,可确定采空区空间分布状态。 同时在 Auto- cad 平台下建立矿区开拓系统三维模型和采空区影 响范围模型,可快速直观确定采空区与开拓井巷的 相互影响关系。 1 ꢀ 概ꢀ 述 矿山开拓井巷是指为开发地下矿床,从地表向 地下掘进一系列井巷通达矿体,便于人员出入以及 把采矿机械设备、器材等运往各采区工作面;同时把 采出的矿石由井下运往地表,使地表与矿床之间形 成一条完整的运输、提升、通风、排水、动力供应等生 [ 1] 产服务井巷 。 本项目以某小型矿山作为研究对象,在 Autocad 平台下构建矿山开拓井巷三维模型,对矿山ꢁ100 ~ 作为联系井上井下人员的重要通道,开拓井巷 的安全畅通至关重要。 部分小型民营矿山为节约投 资费用,常常采用斜井开拓,而且随着开采延深,斜 井采用多段折返。 部分民营矿山开拓方式统计见表 ꢁ 150 m 水平间的采空区利用 CMS 设备三维扫描, 输出 DXF 格式导入到 Autocad 中与开拓井巷三维模 型拟合,直观呈现采空区与井巷的空间立体关系,将 采空区在不同水平的影响范围以三维体显示,为矿 山快速分析决策采空区对开拓井巷的影响提供了参 考。 1 。 表 1ꢀ 部分民营矿山开拓方式 生产规模 开拓方式 矿山名称 斜井/ 条 / (万 t/ a) 繁昌李店铁矿 繁昌铭德铁矿 繁昌杨山铁矿 繁昌前山铁矿 铜陵华金矿 斜井 竖井—斜井 平硐—竖井—斜井 斜井 6 6 3 4 7 3 4 6 2 ꢀ 矿山现状 4 某矿山采用竖井—斜井开拓,空场法采矿。 从 5 上至下有 +100, +50,0 , ꢁ40, ꢁ50, ꢁ100, ꢁ118, ꢁ 竖井—斜井 斜井 15 3 1 50,ꢁ180,ꢁ200,ꢁ230 m 等各中段。 主要开拓工程 牛形坞铜矿 # 为竖井(+142 ~ ꢁ50 m):矿山主提升井。 1 斜井( + ꢀ ꢀ 孙丽军(1980—),男,副所长,高级工程师,243000 安徽省马鞍 142 ~ +50 m):矿山辅助进风井。 回风斜井(+145 ~ 山市经济技术开发区西塘路 666 号。 # + 40 m):矿山专用回风井。 2 盲斜井( +50 ~ ꢁ50 7 1 总第 597 期 现代矿业 2019 年 1 月第 1 期 # # m):与 1 斜井配合,为辅助进风井。 3 盲斜井( ꢁ50 平以下ꢁ180,ꢁ200,ꢁ230 m 中段正在开展采准工 作。 矿山ꢁ100 m 中段以上采空区已进行了相关治 理,ꢁ100 ~ ꢁ150 m 中段间新增空区分布状况不明, 且对斜井等工程的影响无法确定。 该矿山开拓系统 纵投影见图 1。 ~ ꢁ150 m):与井下ꢁ100 m 中段、ꢁ118 m 中段沟通。 盲斜井( ꢁ50 ~ ꢁ230 m):与井下 ꢁ150, ꢁ180, ꢁ 00,ꢁ230 m 中段沟通。 # 4 2 目前ꢁ150 m 中段以上已回采结束,ꢁ150 m 水 图 1ꢀ 某矿山开拓系统纵投影 3 ꢀ 采空区状况 为准确布置测点及空区测量工作有序顺利开 形成的空区实体模型及读取的体积数据过程见图 2 ~ 图 7。 展,首先对矿山井下采空区进行了现场踏勘,并分别 对ꢁ150 和ꢁ118 m 中段采空区进行了编号。 现场踏 勘ꢁ150 m 中段有 3 个采空区,分别命名为 YCZ-150- 1 、YCZ-150-2、YCZ-150-3。 ꢁ118 m 中段采空区编号 为 YCZ-118-1。 三维激光空区监测系统(Cavity Monitoring sys- tem,CMS)是基于激光扫描原理开发的可用于地下 矿山的空区激光探测系统,其功能是采集空间数据 信息(三维坐标 X、Y、Z),对于人员无法进入的溶 洞、矿山采空区等,可用此设备扫测其内部数据,为 矿山采掘规划、生产安全提供决策所需数据,既能辅 助消减安全隐患,也可辅助减少矿体浪费。 采用 CMS 空区测量系统对矿山井下ꢁ150 m 中段 3 个采 空区和ꢁ118 m 一个采空区进行了测量。 图 2ꢀ YCZ-150-1 空区实体模型 直接将 CMS 系统测量数据转换的 DXF 图形文 件直接导入 AutoCAD 内,可圈出各空区在 X-Y 平面 内的最大平面投影。 在 X-Z 平面内可读取各空区 回采的最大高度。 各空区的空间分布状况见表 2。 将测量数据转换为 DXF 格式图形文件,利用 3 DMine 矿业软件,将空区表面模型形成实体模型, 4 ꢀ 采空区及开拓系统三维数字化 最后直接读取实体体积,即为采空区的体积。 最终 根 据矿山ꢁ150m以上各中段平面现状图,在 7 2 ꢀ ꢀ 孙丽军:矿山采空区对开拓系统影响的定性分析及快速呈现ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2019 年 1 月第 1 期 表 2ꢀ 空区空间分布状况 最长 最宽 空区最高标高 空区高度 体积 空区名称 3 / m / m 15 20 24 13 / m / m 16 45 44 31 / m YCZ-150-1 YCZ-150-2 YCZ-150-3 YCZ-118-1 25 30 41 26 ꢁ128. 139 ꢁ98. 971 ꢁ100. 112 ꢁ83. 401 2 403. 019 16 586. 098 22 552. 251 3 004. 114 AutoCAD 中赋予各中段巷道高程,通过指定路径拉 伸或扫掠形成各中段巷道实体。 根据主要开拓工程 井口井底高程,在 AutoCAD 中指定相关路径通过拉 伸或扫掠命令建立主要开拓工程三维实体。 将各中 段巷道实体与主要开拓工程三维实体组合形成矿山 图 3ꢀ 读取实体体积 [ 3] 开拓系统三维立体图 ,见图 8 所示。 图 4ꢀ YCZ-150-1 体积报告 图 8ꢀ 矿山开拓系统三维立体图 将 CMS 系统测量数据转换的 DXF 图形文件依 次导入 AutoCAD 中,建立采空区三维实体。 可直观 看出各采空区空间状态,见图 9 所示。 图 5ꢀ YCZ-150-2 体积报告 图 9ꢀ 采空区分布立体图 图 6ꢀ YCZ-150-3 体积报告 5 ꢀ 采空区对开拓系统影响分析 为了直观判断采空区对开拓系统的影响,首先 将开拓系统三维立体图与采空区分布立体图组合, 见图 10 所示。 从组合图中,直观看出采空区均未与 开拓工程贯通。 为了进一步分析采空区的移动影响范围是否会 影响到开拓工程,根据采空区实测模型,圈定出采空 区在 X-Y 平面内最大外围轮廓,然后根据矿山实际 观测移动角,将采空区最大外围轮廓线按照移动角 图 7ꢀ YCZ-118-1 体积报告 7 3 总第 597 期 现代矿业 2019 年 1 月第 1 期 图 12ꢀ 采空区在地表的移动影响范围 6 ꢀ 结ꢀ 论 图 10ꢀ 采空区与开拓系统立体图 [ 4] 利用三维激光扫描系统对井下采空区测量,将 分别在ꢁ50 m 中段和地表圈定出移动影响范围 , 测量数据导入 3Dmine 和 Autocad 软件,可对空区体 积和空间分布状态精确数字化。 同时对于开拓系统 繁杂的矿山,通过建立矿山开采系统立体模型,结合 采空区实体模型,可直观分析判断相互影响关系,为 矿山技术人员安全利用开拓工程提供快捷直观的判 断。 将影响范围导入 AutoCAD 中形成影响范围实体。 [ 5] 将该移动影响范围实体与图 10 组合分析 ,从图 1 1 中可直观判断ꢁ118 m 中段部分巷道已进入采空 # # 区影响范围。 从图 12 中可直观判断 1 斜井和 2 斜 井均进入采空区影响范围。 参ꢀ 考ꢀ 文ꢀ 献 [ [ [ [ [ 1]ꢀ 采矿设计手册编委会. 采矿设计手册[ M]. 2 卷. 北京:中国建 筑工业出版社,1987. 2]ꢀ 杨德栋,王ꢀ 娜. 关于小型矿山健康发展的对策建议[J]. 中国 矿业,2007,16(11):13-19. 3]ꢀ 孙丽军. Autocad 平台下的矿山井巷三维建模[ J]. 金属矿山, 2 016(10):132-135. 4]ꢀ 黄ꢀ 敏,李夕兵,等. 基于三维建模技术的矿山移动范围圈定 J]. 矿冶工程,2009,29(4):5-9. 图 11ꢀ 采空区在ꢁ50 m 水平的移动影响范围 按照国家相关规程,开拓工程位于移动影响范 围内时,将无法使用。 因此矿山ꢁ150 m 以下生产 时,为确保系统安全,深部开拓系统需重新规划。 [ 5]ꢀ 张玲燕. 广西大厂铜坑锡矿 91 号矿体与采空区及探采工程系 统三维数字化研究[D]. 昆明:昆明理工大学,2006. ( 收稿日期 2018-10-09ꢀ 责任编辑ꢀ 徐志宏) ■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■ 化规律[J]. 煤炭学报,2012(12):1953-1959. 12]ꢀ 朱家胜,张兆威. 基于水力压裂法的补连塔矿初次放顶技术 分析[J]. 煤矿安全,2018(2):77-80. ꢀ ꢀ (上接第 59 页)2017(12):84-89. [ [ [ [ [ [ [ [ [ [ [ 6]ꢀ 黄小朋,张鹏鹏,闫耀飞. 矿井坚硬顶板定向水力压裂技术研 究[J]. 中国煤炭,2017(7):55-57. 13]ꢀ 任苏迪,孙连胜. 水力压裂技术在综采工作面初次放顶中的 应用[J]. 煤炭工程,2017(8):81-84. 7]ꢀ 康红普,司林坡,苏ꢀ 波,等. 煤岩体钻孔结构观测方法及应用 [ J]. 煤炭学报,2012(12):1949-1956. 8]ꢀ 秦江涛,陈玉涛. 高压水力割缝和压裂联合增透技术及应用 J]. 矿业安全与环保,2016(12):29-31. 14]ꢀ 冯钰鑫. 定向水力压裂治理冲击地压的研究及应用[J]. 能源 与环保,2017(7):205-209. 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