三維激光掃描技術(shù)在三道莊礦復(fù)雜采空區(qū)探測(cè)中的應(yīng)用

張金柱， 彭府華

(1.洛陽(yáng)欒川鉬業(yè)集團(tuán)股份有限公司， 河南 洛陽(yáng)市 471500； 2.長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙 410012； 3.國(guó)家金屬采礦工程技術(shù)研究中心， 湖南 長(zhǎng)沙 410012)

0 引 言

20世紀(jì)八九十年代，受大量私人民采等其它混亂開(kāi)采影響，導(dǎo)致我國(guó)地下礦山出現(xiàn)大量采空區(qū)，礦體變得千瘡百孔。21世紀(jì)國(guó)家開(kāi)始陸續(xù)禁止這些不正規(guī)的私人開(kāi)采，并開(kāi)始對(duì)資源進(jìn)行整合，統(tǒng)一規(guī)劃開(kāi)采。前期混亂開(kāi)采形成的采空區(qū)給后期開(kāi)采帶來(lái)了嚴(yán)重的安全隱患。這些采空區(qū)的位置和形態(tài)往往很難確定，這是由于前期私人開(kāi)采不規(guī)范，設(shè)計(jì)資料不全，甚至沒(méi)有設(shè)計(jì)資料，同時(shí)，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的雨水和自然作用等影響，地下采空區(qū)出現(xiàn)垮塌，相互貫通等現(xiàn)象[1-2]。

為了合理回收殘礦資源，近年來(lái)出現(xiàn)了許多“地下轉(zhuǎn)露天開(kāi)采”的礦山，這種方法可以實(shí)現(xiàn)厚大殘礦資源的高效回采，但同時(shí)前期地下開(kāi)采形成的采空區(qū)也給露天開(kāi)采帶來(lái)了更大的安全隱患。由于地下采空區(qū)位置和形態(tài)不明，很可能發(fā)生開(kāi)采臺(tái)階突然垮塌，造成在其上方作業(yè)的設(shè)備和人員出現(xiàn)傷亡事故。因此，如何提前確定露天開(kāi)采境界下方采空區(qū)的位置和形態(tài)是進(jìn)行安全生產(chǎn)的重中之重。本文介紹了三維激光掃描技術(shù)在三道莊礦空區(qū)探測(cè)中的應(yīng)用，意在解決礦山不明采空區(qū)探測(cè)問(wèn)題，同時(shí)為國(guó)內(nèi)外其它相似礦山提供參考。

1 工程背景

三道莊礦位于河南省欒川縣，礦山從20世紀(jì)六十年代開(kāi)采進(jìn)行地下開(kāi)采，八九十年代出現(xiàn)了幾十家單位同時(shí)開(kāi)采的混亂局面，2002年后開(kāi)始對(duì)資源進(jìn)行整合并統(tǒng)一規(guī)劃開(kāi)采。根據(jù)礦體的賦存條件以及前期開(kāi)采情況，制定了露天開(kāi)采方案。前期地下開(kāi)采形成了約1800萬(wàn)m3，面積120萬(wàn)m2的采空區(qū)，這些采空區(qū)具有以下特點(diǎn)：

(1) 由于缺乏設(shè)計(jì)資料，很多采空區(qū)位置和形態(tài)不明確；

(2) 由于前期地下開(kāi)采區(qū)域礦石品位高，設(shè)計(jì)預(yù)留部分礦柱被偷采，導(dǎo)致采空區(qū)與設(shè)計(jì)資料不符；

(3) 受長(zhǎng)期雨水、自然風(fēng)化和爆破震動(dòng)等因素影響，部分礦柱發(fā)生了垮塌，導(dǎo)致采空區(qū)貫通現(xiàn)象嚴(yán)重。

露天境界下方存在大量采空區(qū)給露天開(kāi)采帶來(lái)了極大的安全隱患，2005年以后，地表臺(tái)階發(fā)生多次垮塌，塌陷面積達(dá)40萬(wàn)m2，最大塌陷深度達(dá)80 m，造成了人員傷亡和設(shè)備損失等安全事故。因此，提前對(duì)開(kāi)采境界下方采空區(qū)進(jìn)行精確探測(cè)是三道莊礦安全生產(chǎn)的前提和重中之重[3-5]。

2 三維激光掃描技術(shù)簡(jiǎn)介[6-8]

2.1 三維激光掃描技術(shù)原理

三維激光掃描技術(shù)是建立在激光測(cè)距原理基礎(chǔ)上，掃描過(guò)程中，三維激光掃描儀發(fā)射出一束激光脈沖，激光到達(dá)空區(qū)邊界后反射回儀器，記錄激光到達(dá)時(shí)間T，同時(shí)激光掃描儀可以任意旋轉(zhuǎn)激光脈沖橫向掃描角度值β和縱向掃描角度值α(見(jiàn)圖1)。通過(guò)建立坐標(biāo)系統(tǒng)，由此可以得到目標(biāo)點(diǎn)P點(diǎn)的坐標(biāo)計(jì)算公式。

激光發(fā)射點(diǎn)O距離目標(biāo)點(diǎn)P的距離L為：

L=1/2cT

式中，c為激光在大氣中的傳播速度；T為激光發(fā)射后到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)反射返回的傳播時(shí)間。

待測(cè)目標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)為：

式中，L為激光發(fā)射點(diǎn)距離待測(cè)目標(biāo)點(diǎn)的距離；α為激光縱向掃描角度值；β為激光橫向掃描角度值。

圖1 三維激光掃描原理

2.2 三維激光掃描系統(tǒng)

三道莊礦為了解決采空區(qū)探測(cè)問(wèn)題，從英國(guó)MDL公司引進(jìn)了一套采空區(qū)三維激光自動(dòng)掃描系統(tǒng)C-ALS。該系統(tǒng)可以將激光探頭通過(guò)鉆孔進(jìn)入到空區(qū)內(nèi)部進(jìn)行掃描，掃描儀內(nèi)置導(dǎo)航模塊，可測(cè)量空區(qū)內(nèi)探頭的位置和方向。掃描儀可以360°全方位無(wú)盲區(qū)掃描，設(shè)計(jì)的水平和垂直掃描方式可以確保對(duì)采空區(qū)整個(gè)空間的掃描，表1為C-ALS系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)。通過(guò)自帶的軟件可以得到采空區(qū)的三維模型，并可以和CAD、Dimine和Surpac等常用數(shù)字礦山軟件進(jìn)行對(duì)接。

表1 C-ALS系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)

3 三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用實(shí)踐

3.1 空區(qū)掃描過(guò)程

將三維激光掃描頭通過(guò)連接桿放入鉆孔中，通過(guò)攝像頭視頻查看掃描頭是否進(jìn)入采空區(qū)內(nèi)，當(dāng)掃描頭進(jìn)入采空區(qū)后開(kāi)始掃描(見(jiàn)圖2)。掃描方式一般有水平方向和垂直方向掃描，為了保證空區(qū)掃描的準(zhǔn)確性，每次空區(qū)掃描時(shí)都要進(jìn)行水平方向和垂直方向掃描，掃描步長(zhǎng)增量為1°，掃描獲得的數(shù)據(jù)將保存至掃描控制儀中。

圖2 空區(qū)三維激光掃描

3.2 空區(qū)三維模型建立

將現(xiàn)場(chǎng)掃描獲得的采空區(qū)數(shù)據(jù)導(dǎo)入CavityScan 軟件中進(jìn)行處理，可以得到采空區(qū)的三維包絡(luò)圖(見(jiàn)圖3)。

同時(shí)，還可以將數(shù)據(jù)導(dǎo)入CAD、3Dmine等常用的數(shù)字礦山軟件中，獲得采空區(qū)的三維模型。圖4是通過(guò)將掃描獲得的數(shù)據(jù)導(dǎo)入3Dmine中得到的三道莊礦采空區(qū)三維模型圖。由此可以為礦山采空區(qū)穩(wěn)定性分析、采空區(qū)處理、臺(tái)階生產(chǎn)爆破設(shè)計(jì)提供直接技術(shù)參數(shù)，對(duì)于礦山安全生產(chǎn)具有重要的作用。

圖3 采空區(qū)三維包絡(luò)

圖4 三道莊礦采空區(qū)三維模型

4 結(jié) 論

(1) 三道莊礦受前期地下混亂開(kāi)采影響，在露天開(kāi)采境界下方存在大量不明采空區(qū)，給露天開(kāi)采帶來(lái)了極大的安全隱患，如何實(shí)現(xiàn)采空區(qū)的快速精確探測(cè)是礦山安全生產(chǎn)的重中之重。

(2) 三維激光掃描技術(shù)具有測(cè)量精度高、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，通過(guò)360°無(wú)盲區(qū)掃描，可快速準(zhǔn)確地獲得采空區(qū)位置、大小和形狀等參數(shù)。

(3) 通過(guò)將掃描獲得的采空區(qū)數(shù)據(jù)導(dǎo)入CAD、3Dmine等常用數(shù)字礦山軟件中，得到了三道莊礦采空區(qū)三維模型，為后續(xù)采空區(qū)穩(wěn)定性分析、采空區(qū)處理、臺(tái)階生產(chǎn)爆破設(shè)計(jì)等提供了直接技術(shù)參數(shù)，對(duì)于礦山安全生產(chǎn)具有重要的作用。

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