国外矿山的数字化建设研究论文

金属矿地下连续开采技术研究摘 要：改革以来我国的金属矿开采技术得到了很大的发展，尤其在金属矿地下开采方面生产工艺已经接近世界先进水平。本文系统介绍了金属矿地下连续开采的基本知识及开采工艺。并且例举了新疆金属矿地下连续开采的工程实例，对地下金属矿连续开采的目前状况进行了分析，以供广大矿业工作人员参考。 关键词：地下金属矿；连续开采；技术 一、金属矿地下连续开采的基本情况 采矿是通过矿堆的采准、切割和回采三个工艺流程将矿石从地下矿床开采出的过程。采矿方式分地上开采和地下开采两种。近年来，我国地下开采的金属矿山逐渐增多，地下开采的各个工序基本实现了由机械化操作取代手工作业，开采自动化程度明显提高。地下连续开采技术是我国目前地下采矿的先进技术。地下连续开采有两种主要方式，一是当矿体硬度较小时，开采时各个工序连续平行进行施工。二是当矿体硬度大时，开采时分成若干个施工段，不同施工段的各个工序连续平行进行施工，这需要在开采时做好各个工序间的协调工作。 国外地下采矿装备系列齐全，配套完整，机械化程度也高，从凿岩、装药到转运，全部实现了机械化配套作业，各道工序无需手工体力操作，无繁重体力劳动，装备无轨化、液压化、自动化程度较高。地下无轨采矿工艺是目前国际先进采矿工艺技术的标志。国外目前先进的采矿装备已完全实现了无轨化、液压化。在自动化方面，已成功地应用了无人驾驶、机器人作业等新技术。 二、金属矿地下连续开采工艺 1.在对大块矿岩开采时，为提高开采的效率，连续进行落矿、出矿、运输等工艺的回采施工。回采时采用前进式推进顺序，施工过程中不留矿柱。采用这种连续开采的工艺可提高开采效率，经济适用，方便矿块的控制管理和采矿设备调配，将来发展潜力很大。 2.在对地下矿石进行后处理时，采用专门的运输机连续进行矿石的出矿、转运、提升等工艺的施工。使地下矿石开采、运送达到一体化。采用这种工艺可以加快开采速度，近几年来，该工艺应用较广。 3.如果开采的矿岩硬度较大，开采具有一定的难度，可采用连续采矿机实现掘进、挖掘、落矿、出矿、转运等工艺过程的连续化施工。目前，有关专家对这种采矿工艺的研究取得了很大的进展，使其应用前景更加广阔。 三、金属矿山地下连续开采的问题及处理措施 我国自90年代以后，随着科学技术的不断发展，在地下连续开采技术研究方面取得了重大的突破，多项地下连续开采技术已经应用在矿山中。同世界先进国家相比，仍有一定的差距。目前矿山开采中还存在某些问题急需解决。有的矿山在采矿时，将采矿分为矿石和矿柱两个步骤，将收矿柱放在开采矿石后面。这种采矿方法存在如下不足之处：矿柱质量难以保证，所留矿柱截面形态各异，抗压强度低，易产生破坏。矿柱回收结果不理想，能正常回收的矿柱较少，不但浪费了资源，而且降低了采矿效率，延长了采矿作业时间，对地下采矿的经济效益产生很大影响。并且由于采矿步骤多，在管理上也产生许多困难。为了解决上述问题，有关专家不懈的努力，研究出地下连续开采无矿柱法。这种地下连续采矿施工方法如下：将步骤划分成矿段，不留矿柱，回采单元用矿段表示，采用将切割槽割在矿段中部，并把振动机布置在结构底部出矿的方法。矿石由振动车搬运，连续进行出矿、运矿的作业。崩矿过程中及时进行回填，平行进行采切、回采、充填的作业，使采矿工作连续不间断的施工。地下连续无矿柱采矿的实施，表明我国地下金属矿开采技术进入一个新的层次。使矿柱回收困难的问题得到很好的解决，加快了采矿的时间，避免了国家资源的浪费，提高了地下采矿的经济效益。由于减少了采矿步骤且使采矿各工序衔接紧密，连续不间断的开采，为采矿集中管理带来便利，使劳动效率大幅增长。回采时工序安排合理，连续开采，还解决了深部矿体开采时因为地压较大引起的围岩失稳问题。极大的促进了我国矿山开采的现代化进程。另外，地下连续开采的规范还不够完善，各地区对采矿的标准和要求还不统一，虽然重视开采新技术的研究，但对设备的配套及工艺的优化重视程度还不够，对新型设备的推广还不够完善。必须在有关部门的领导下，完善采矿规范标准，加强连续工艺的优化与设备的合理配套。建立与连续开采相适应的理论体系。在不断开发研制新型设备的同时，注重对新型设备的推广应用。使我国的金属矿地下连续开采进一步向现代化迈进。 四、地下连续采矿技术的应用 新疆某铁矿年产矿石能力20万吨。矿区属丘陵地带，气候干燥，夏季雨水较多，年平均降雨量毫米，冬季气温较低区域内未有大的河流，矿区地震烈度为6度。经勘察矿区深层土质为岩石，浅层为砂砾层。矿床为缓倾斜矿床，矿体为脉状矿体。地下开采的日产量为3000吨。采用地下连续开采方案，用胶带运输机连续运输，地下开采按由上往下的顺序开采。 将整个矿块划分为一个回采单元，矿块厚度即采场宽，相互采场之间不留矿柱，依次连续的进行采切、回采、充填三大工序，回采不允许在同一分层上进行，要分层进行，不同时进行相邻采场的采切。为避免开采时破坏四周土的应力，出现应力集中现象，影响围岩稳定，产生地面塌陷，设计对采空区采用非胶结充填方式处理，可以消除塌陷的危险。这种充填方式工程量较大，生产效率低，回采操作不便。后经专家研究决定，采用连续帷幕随时充填技术。该充填工艺施工时不留矿柱，开采各工序连接紧密，连续性好，而且作为支护的可压缩金属支座支护能力好。确保了采矿的安全，为出矿、转运和充填提供了方便。能对采空区进行及时迅速的回填。此采矿技术开采时采用将整体矿脉一体推进方式。主要的采切工程有：底盘转运巷道、切割巷、出矿漏斗及切割天井。地下连续采矿技术将回填空区用矿岩分离出的废石回填，采用了先进的矿浆输送方式。将深孔连续采矿技术、矿岩分离技术、矿浆输送技术等工艺与技术综合起来应用，实现了回采的高效率，经验证经济效益和社会效益良好。 五、金属矿地下连续开采未来的发展 我国的金属矿地下开采技术和过去相比虽然有了很大的进步，但要赶上并超过世界先进水平尚需不断发展，地下金属矿开采的大型化、数字化、连续化将是未来发展的主要方向。在采矿技术发展的同时需考虑社会效益和经济效益，研制并应用适合地下金属矿连续开采的技术，使矿山的开采与四周生态环境相谐调。有关部门还需组织专家加大对矿岩应力的研究，增加围岩的稳定性，以提高地下开采的安全性。还要加大对充填采矿法的推广力度，并且坚持朝快速化、环保化的方向发展。 六、结语 随着社会的发展，我国的采矿技术也不断进步。其中金属矿地下连续开采的技术已经接近世界先进水平，基本实现了金属矿地下连续开采的连续化和机械化。如何使我国的金属矿地下连续开采技术取得更大的进步，研究出更先进的金属矿地下连续开采技术，仍是广大矿业技术人员今后的努力目标。

1.矿山概况

该矿山位于云南省玉溪市新平县老厂乡。矿山属海底火山喷发沉积变质中厚缓倾斜高温矿床。矿体走向为东—西北西西,走向长约1800m,倾向南西,倾斜宽约1600m,倾角20°~35°,呈层状、似层状产出。矿区共有3个含铁铜矿体(I3,I2,I1)和4个含铜铁矿体(Ic,Ib,Ia,I0),自上而下分别为Ic→I3→Ib→I2→Ia→I1→I0,Ic顶板至I0底板约135m。埋藏深度160~750m,标高821~-29m,其中I3,I2含铁铜矿体规模大,是主要的开采对象,矿石主要金属矿物为黄铜矿、磁铁矿,主要脉石矿物为碳酸盐类(白云石为主)、黑云母,矿石整体较稳固,f=8~14,矿岩爆破性能较差。矿区主要断裂:F1,F2,F3,F5。铜矿主要工业指标:边界品位≥;夹石剔除厚度≥2m;可采厚度≥1m。铁矿主要工业指标:TFe边界品位≥20%;夹石剔除厚度≥2m;可采厚度≥2m。

2.地质数据库构建

收集矿床的原始地质资料,并进行数字化处理,建立孔口表、测斜表和样品表,完成前期的数据整理工作。各数据表结构见如下3表。

孔口表包含的信息表

测斜表包含的信息表

样品表包含的信息表

上述3个表生成后,可在Dimine中建立地质数据库。包括以下4步:①将生成后的Excel文件另存为TXT制表符分割文件类型;②将另存为TXT制表符分割文件导入Dimine;③数据的有效性校验和修改;④建立各个文件之间的关联,生成地质数据库。

3.矿床表面模型构建

(1)断层表面模型

所研究的矿床是一个地质构造十分复杂的矿床,该矿床被矿区内40条错综复杂的断层将其切割成许多小矿体。在建立断层模型之前,通过各个勘探线剖面图和包含有断层线的中段地质平面图对断层进行分析和整理,将图纸上断层信息导入Dimine系统软件中。然后整理断层线,并对每条断层按走向分别建立三维模型。

(2)矿体表面模型

矿体表面模型的建立通过各个剖面上的矿体轮廓线进行,将各个剖面上的矿体轮廓线经过分类整理后导入Dimine数字化矿山软件系统中,然后根据三维钻孔数据空间品位显示情况修正确定矿体轮廓线,然后将每个矿体的轮廓线相互连接,生成矿体表面模型,如下图所示。

矿体表面模型的建立

通过轮廓线建立的表面,相邻剖面上轮廓线的点之间是通过直线连接的,而在实际当中,断层面很可能是空间曲面,因此,会出现断层和矿体之间一些不吻合的情况,包括矿体超出断层和矿体与断层有空隙等。为了确保断层模型和矿体表面模型之间完全吻合,需要将断层表面模型和矿体表面模型进行布尔运算,把超出的部分矿体用断层面切掉,把与断层有空隙的矿体延伸过断层后,再用断层将超出部分切掉,从而确保矿体与断层之间的无缝吻合。

如下图所示,矿体的两个分支中,一个超出断层;另一个没有接触到断层。此时需要将未接触到断层的矿体分支的外推距离适当增大,使其超过断层,然后进行布尔运算将超过部分切掉,最终得到完全吻合的矿体和断层。

在矿体模型建立过程中,剖面上距离较近的两个轮廓线与相邻剖面上对应的轮廓线分别进行表面重建时,两个表面模型可能会在空间出现相交部分。而在实际当中这种相交是不可能存在的,相交的矿体部分对矿量计算、切割平剖面图,以及块段模型的建立等都是有影响的。为了能够较为真实地反映矿体的空间关系,在建模过程中,需要将相交的矿体进行布尔运算,切割出相交的部分,使矿体模型之间达到完全吻合。矿体模型之间的布尔运算方法与矿体和断层间的布尔运算一样,但不同的是,在矿体模型之间的布尔运算中只在有相交部分的模型之间进行。最终建立好的断层和矿体表面模型如下图所示。

矿体与断层之间的位置关系

布尔运算后的矿体和断层

矿体与断层表面模型

4.矿床块段模型及储量计算

(1)矿床块段模型

建立矿床块段模型首先要确定块段模型范围和单元块尺寸,确定的范围需包括整个矿床,单元块尺寸依采矿方式确定。本矿床的块段模型范围和单元块尺寸参数见下表。

块段模型范围和单元块尺寸参数表

(2)原始样品数据统计分析

原始样品数据统计分析,包括样品中的铜、全铁、可熔铁、金、银的品位值分布直方图和各种数据统计特征值,其中有关铜、铁的直方图见下图,统计特征值见下表。

钻孔原始样品铜元素品位直方图

钻孔原始样品元素统计表 单位:%

钻孔原始样品全铁元素品位直方图

钻孔原始样品可溶铁元素品位直方图

(3)特异值处理

目前,通常使用的方法是将特高品位替换为临界值。特高品位可通过直方图辅助经验数据进行识别。本矿床确定Cu的特高品位临界值为3%。

(4)样品组合及其统计分析

组合样长度取原始样品长度平均值。样品组合后的元素直方图见下图,统计特征值见下表。

钻孔组合样品元素统计表 单位:%

钻孔组合样品铜元素品位直方图

从以上图、表中可以看出,与原始样品的统计参数相比,元素品位的平均值和标准差在样品组合前后基本保持一致,这说明样品经过特高品位处理和组合后变化较小。

(5)变差函数的计算与拟合

本矿床的变差函数计算分两步:第一步进行实验变差函数计算;第二步进行理论变差函数拟合。依据本矿床特点按走向、倾向、厚度3个方向进行变差函数的计算分析。最终拟合的理论变差函数曲线如下图所示,参数见下表。

钻孔组合样品全铁元素品位直方图

钻孔组合样品可溶铁元素品位直方图

Cu走向方向理论变差函数拟合

Cu倾向方向理论变差函数拟合

变差函数计算参数表

使用Cu理论变差函数模型用普通克里格法进行交叉验证,根据交叉验证结果计算,其误差均值ME为,均方差MSE为,均方差率MSER为。

采用相同的方法分别计算TFe和SFe的实验变差函数,并进行拟合,得到的理论变差函数参数为:TFe,球状模型,C0=个方向的变程参数a分别为51,30,18;SFe,球状模型,C0=个方向的变程参数a分别为47,27,17。

Cu厚度方向理论变差函数拟合

(6)克里格估值

单元块品位插值的临近数据搜索区域为一个椭球体,椭球体长半轴、次半轴和短半轴的长度一方面要考虑变差函数的变程,另一方面要考虑勘探网度的影响。椭球体过小会导致单元块没有临近数据或临近数据不够,块段模型则会产生空白单元块,影响估值效果。椭球体各个轴的方向与对应变程所属的变差函数方向一致,即长轴方向与矿床走向一致,次轴和短轴分别与倾向和厚度方向一致。

块段模型的单元块在实际插值过程中,不是一次全部完成插值的,通常要按照探明的(331)、控制的(332)和推断的(333)3个不同等级进行临近数据的搜索,搜索椭球体的大小根据控制程度高低由小到大,这样更符合矿山实际生产需要,计算出来的品位值能够更好地满足生产需要。每次插值时,搜索椭球体各个半轴的长度取决于到单元块最近的相邻工程之间的距离和矿床各个方向变差函数的变程。

如下图所示,考虑最特殊情况,当单元块距离某一个工程很近时,单元块受到两侧工程的控制,即单元块的品位值由两侧工程的样品数据决定,此时椭球体长半轴的长度等于工程间距,如图中的椭圆A,B和C,分别代表不同控制程度的搜索范围。对于矿体边部的单元块搜索椭球体一般只能搜索到矿体内侧的一个工程的样品,如图中的椭圆D,此时单元块的资源量类别为推断的。

综合矿床勘探网度和变差函数变程,根据资源等级类型确定用于Cu元素插值的临近数据搜索参数为:探明的,椭球长半轴50m,次半轴50m,短半轴25m,最小工程数为2;控制的和推断的,椭球尺寸逐次扩大1倍,其中推断的最小工程数为1。确定好搜索参数即可对块段模型进行克里格品位插值。

搜索椭球体长半轴长度与工程间距的关系

(7)矿床储量计算

利用建立的模型,对矿床中各元素按照不同的标准进行平均品位、矿石量、金属量统计,计算出各个不同边界品位和标高的平均品位、矿石量和金属量(计算结果从略)。

RTK技术在矿山地质工程测量中的应用研究论文

矿山地质工程建设而向信息化趋势，以高端科技为手段展开地质测量，实现了区域资源优化分配及调度控制。RIK技术作为矿山地质工程建设新支撑，为测绘人员提供了更为完整的技术应用平台，加强了区域地质结构测量范围管理力度，提高了区域内部资源规划与开发的可持续性。

1、RIK技术特点

实时动态控制系统(RTK)是一种新的常用的RIK测量方法，与以前的静态、快速静态、动态测量都需要事后进行解算才能获得厘米级的精度不同，为工程放样、地形测图，各种控制测量带来了新曙光，极大地提高了户外作业效率。

(1)兼容性。RTK技术的关键在于数据处理技术和数据传输技术，RTK定位时要求基准站接收机实时地把观测数据及己知数据传输给流动站接收机。RIK系统由此兼容了CIS, CPS, RS等实用性控制技术，能够为矿山勘察与作业提供科学的指导。

(2)无线性。随着通信科技快速发展，无线传感器技术得到了普及化应用，其与路由器共同构建成新型传输模式，体现了数字通信技术应用的先进性。RIK技术作为无线网络的新技术，可以结合不同算法对网络路由传输进行控制，帮助用户选定最优化数字运算方式，解决了传统无线传输平台的不足。

2、基于RIK矿山测量系统设计

(I)图形结梅“RIK技术”是信息时代的变革趋势，也是诸多产业机构协调发展的新方式，利用信息技术带动事业发展是必然决策。结合“RIK技术”发展内涵，对矿山测量功能升级趋势及改造对策进行总结，提出切实可行的改造方案。煤矿地质测量空间信息管理系统的建立为各采矿企业设计、生产、通风、调度、安全、救护、机电、运输等其他应用系统提供一个基础的数据及图形管理平台。

(2)模型结构。矿山测量建设关系着安全，以RIK技术为基础构建定向测量系统，可实时掌握相关的数据信息，降低定向测量操作的失误率。设计定向测量系统要考虑多方而内容，以“高效率、高进度、高水平”为标准展开一系列的测量活动。系统的建立能够实现地质、测量成图的自动化，实现地质、测量有关计算、管理的自动化;及时准确地根据三维勘探、钻探、井下揭露等最新资料和信息，高效准确地修改各种生产图件。

(3)管理结构。通信网络传输过程中，无线网形成了相对复杂的传输平台，各种路径数据传输至服务器之后，必须及时对无线信号及数据进行实时分析，才能掌握准确的数据处理结果。路由器作为无线传感网络的中转模块，其承载着更多逻辑数据运算程序，准确地抓住数据处理流程任务。在采矿企业生产处和各个矿分别建立相应的地质、测量管理系统，将原来手工处理的数据、图件等资料实现电子化处理。

(4)层次结构。结合地质测绘行业发展局势，利用集成技术辅助矿山勘察作业，体现了新技术用于产业规划的优势。系统按照三层客户/服务器结构(数据库层、应用服务层和用户界而层)和C/S + B/S二级管理模式进行系统整体设计，将整个系统按数据库、业务逻辑和用户界而三层功能进行组织。同时，以CIS, CPS, RS等技术平台，能够为矿业勘察与规划提供指导，实现了区域矿物资源的一体化建设。

3、地质测量中RIK系统的功能模块

由于人员、设备、技术等方而因素，通信监控系统存一些问题，限制了地质测量信号传输与控制性能。“RIK技术”是现代信息社会的风向标，任何产业发展与RIK系统形成了紧密关系，为了体现矿山测量设备在新网络格局中的应用价值，必须对矿山测量系统进行优化升级。RIK技术在矿山地质工程测量中的功能价值，主要应用功能体现在相关系统应用，具体包括:

(1)地质通信系统。选择一项可靠的无线通信技术是不可缺少的'，RIK技术在无线网络传输中体现了明显的优势，成为无线传感器网络路由算法常用的方式之一。结合RIK技术特点，选用网络路由算法主要思路，对算法系统设计、数据串口运行等，提出切实可行的网络操作方案。未来，RIK技术将朝着网络化、自动化、智能化等趋势发展，为用户建立更加全而的监控服务平台。基于RIK技术的无线传感器改造中，对路由算法系统设计进一步优化，加强无线通信网络结构改造力度，摆脱了传统系统网络化调控流程，这些都是RIK技术下路由算法系统结构性优化的先进性表现。

(2)地质数据网络系统。而对早期矿山测量设备结构的功能缺失，地质测量自动化必须要重新建立更具稳定性的功能作业平台，帮助用户进一步实现网络化运营目标，才能实现办公经营水平的一体化发展。该子系统在功能上划分为系统管理、数据录入、数据处理、数据查询、报表输出5个部分，采用C/S方式设计。系统充分考虑了煤矿地质测量空间信息多源化的需要。在数据内容上则以煤矿地质、水文地质、测量、采掘信息为基础，通过对生产技术信息的动态更新，及时准确地控制煤矿地质体的形态，动态反映井下生产的状况。

(3)地质结构分析系统。RIK系统是基于矿山测量设备的操控模式，其在推广RIK技术模式过程中，也要重视矿山测量功能升级与改造，才能体现出新时代与新设备的联合应用特点。地质测量系统是企业办公自动化核心部分，基于RIK技术时代可对地质测量系统功能进行升级改造，共同构建先进地质测量系统，体现RIK技术时代的技术特点。主要包括:①成分特征:独特的点型、线形、岩石符号、以及专业对象的表现形式;②时代特征:地层时代的先后顺序;③空间特征:地层和地层之间，地层和构造之间以及构造与构造之间的空间拓扑关系。

(4)地质远程管理系统。RIK是矿山测量定向测量的支撑技术，利用远程网络构建先进式定向测量体系，保持矿山地质信息传递与控制的和谐性。结合地质勘测设备改造趋势，RIK技术在定向测量作业中的应用，为矿山地质信息化建设提供可行性建议。该模块采用JavaScript技术编写，可根据用户的使用权限对服务器中存储的各类基础数据和图形文件进行更新与访问。管理层可直接通过网络下达指令，及时解决现场问题，指导煤矿生产。

4、结语

总之，矿山测量信息化水平关系着事业发展，不仅体现了当代信息技术发展趋势，也标志着测绘科技创新成果。而对信息化发展总体趋势，矿山地质工程测量也要建立科学的技术体系，以RIK技术为中心设定测量系统，成为推动区域地质改造建设的新方式。通过RIK技术设计现代化地质测量系统，将各个模块功能应用于具体的测量步骤，大大提升了矿山资源开发与利用效率，从而带动了矿山地质测量的一体化发展。