基于C-ALS的三維激光掃描技術在采空區探測中的應用

東龍賓，王少泉，藺帥宇，龐 森，喬洪斌

(1.中冶北方(大連)工程技術有限公司，遼寧 大連 116600；2.新疆鋼鐵雅滿蘇礦業有限責任公司，新疆 哈密 839000)

金屬礦采空區具有隱蔽性，自身失穩造成的直接災害及次生災害種類繁多，危害極大[1-2]。大量未處理的采空區嚴重影響井下開采的安全，已成為金屬礦山重大危險源之一，國務院安委會、國家安監總局已經出臺大量條文規定，要求加強采空區監測和治理[3-4]。及時準確的對地下采空區進行定位與探測，是進行采空區穩定性分析和災害控制的前提。在采空區探測方面，根據探測技術的不同原理，探測技術可分為電法、電磁法、非電法及地震波法等。美國在探測方法及探測技術方面處于世界領先水平，全面發展了各類物理探測方法；日本則在工程物探技術方面處于世界領先地位，尤其是地震波法；我國早期主要采用工程鉆進的方法進行采空區探測，工程量大，而且效果較差。

隨著采空區的復雜性和數量日益增多，工程技術人員對探測精度的要求也逐漸提高，地球物理勘探手段得到的結果不能對采空區處理產生實質性的作用，所以應用高精度的三維激光掃描為代表的精細探測技術已經成為未來采空區探測技術發展趨勢[5-7]，該方法能精確地探測出采空區的三維形態及空間位置。其中應用比較廣泛的設備有CMS空區激光探測系統和C-ALS空區激光探測系統。許多學者也已經做了大量實踐，比如，王運敏等[8]通過CMS對石人溝鐵礦采空區進行了掃描，獲取了空區的形態，為空區處理和礦柱回采提供了依據。彭林等[9]采用C-ALS三維激光掃描系統對采空區實施精準探測，建立了采空區可視化模型，并對采空區進行了穩定性分析。馬玉濤等[10]總結了C-ALS系統的應用優勢，并在安慶銅礦成功進行了應用。黃彬等[11]通過C-ALS采空區探測，獲取了采空區的三維信息。王麗君等[12]應用CMS激光探測系統，實現了采空區的精密探測和三維建模。李群等[13]利用三維激光掃描系統對空區進行三維激光探測，并利用3DMine 軟件建立采空區的三維實體模型，并進行空區穩定性分析等，取得了較好的效果。

本文依托礦山現場條件復雜性和適應性，運用空區激光自動掃描系統C-ALS，對現場采空區的三維形態進行了精確探測，建立采場現狀的三維模型，為采空區處理、礦山實際生產提供可靠的基礎資料。

1 C-ALS采空區三維激光測試系統

由英國MDL公司研制的地下空區三維激光掃描儀C-ALS，是一種可以對采空區進行三維測量的設備(如圖1所示)。操作簡單，探頭直徑5 cm，可通過鉆孔進入采空區，將掃描儀深入空腔后，會根據設置自動以360°的視角對空區進行環狀掃描，取得高密度的“點云”，所得的結果為三維可視的空腔內部(如圖2所示)。在軟件當中，三維空腔點云具有真實的方位與坐標數據，真實的體積與范圍值，可以輕松的量測與分析，多次掃描結果可以拼接成完整的空腔點云，為最終處理提供最直觀的參考依據。設備掃描范圍半徑為150 m，精度為±5 cm，分辨率1 cm，豎直方向掃描范圍-90°～+90°，水平方向掃描范圍0°～360°。掃描結束后，通過CavityScan軟件，可以將獲取的點云轉換成常用軟件的格式，面對眾多礦業軟件，都可以無縫連接，比如Auto CAD、3DMine、Surpac、Cass、Dmine、Micromine等。

2 雅滿蘇鐵礦應用實踐

2.1 采空區探測

雅滿蘇鐵礦井下首采階段820～880 m中段礦房采礦方法為有底部結構淺孔留礦法，經過多年開采，共形成13個采空區，如圖3所示。由于空區暴露時間長，受地壓影響作用，礦巖發生變形，穩固性變差，采空區誘發地面沉陷、失穩坍塌、巖爆、沖擊地壓、垮塌沖擊波等災害的可能性及不確定性制約著下階段礦體的開采。因此為進行下階段生產，課題組對其中具備探測條件的11個采空區進行了探測工作。

圖1 C-ALS套裝圖Fig.1 C-ALS package diagram

圖2 工作過程示意圖Fig.2 Schematic diagram of the working process

掃描方式：水平掃描，垂直方向采用3°增益角，利用CavityScan、Geomagic Studio對探測數據進行處理，獲取了每個空區的形態、體積、空間位置以及直接關系到采空區穩定性的上盤圍巖暴露面積等信息，通過布爾運算還可獲取間柱形態。為節約篇幅，我們在表1中列舉了其中5個采空區探測結果，由探測結果可知，1#采空區和3#采空區之間礦柱已經破壞，采空區已經連通；3#、5#、7#和9#采空區體積較大，且之間礦柱較窄；17#采空區頂柱已經破壞，在回風巷道底板形成“天窗”；21#和21#西采空區還有較多存窿礦石，且空區已經連通。

圖3 820 m中段采空區分布示意圖Fig.3 Schematic diagram of the distribution of goaf in the middle section of 820 m

空區編號空區實測形態體積/萬m3采空區實測尺寸/m長度寬度高度上盤圍巖實測暴露面積/m2頂柱實測暴露面積/m2連通情況1#3.485.115.848.62 135372與3#空區連通3#4.086.921.342.92 746635與1#空區連通5#3.243.017.264.21 643653獨立空區7#2.841.015.243.31 633545獨立空區9#2.439.020.047.41 565518獨立空區

2.2 三維實體模型構建

采空區上部為原有露天采場(已經閉坑)，采空區處理過程中必須考慮采空區與露天采場的空間關系以及對露天采場的影響。基于采空區探測結果，結合3DMine三維礦業工程軟件，建立了采空區群、露天采場、現有巷道的耦合三維模型，實現礦山現狀的三維可視化，為實現采空區信息集成管理、安全生產提供了重要基礎，如圖4所示。

圖4 采空區、開拓系統及露天采場復合圖Fig.4 Composite view of goaf, development system and open pit

3 結論

本文在總結采空區探測技術的基礎上，采用三維激光掃描設備C-ALS，精確地獲取了雅滿蘇鐵礦采空區的三維空間信息，使采空區模型趨于真實，為后續采空區處理相關工作提供了重要數據。研究主要結論包括：

1)精細探測是實現采空區可視化的重要手段，通過C-ALS激光探測系統，獲取了采空區三維形態、體積、空間位置、頂板暴露面積等關鍵信息，建立了開拓系統、露天采場及采空區群的三維復合圖，實現了礦山三維現狀的可視化。

2)C-ALS探測系統操作方便靈活，與其他三維掃描系統相比，探頭直徑僅有50 mm，可通過小直徑鉆孔下放測量，現場適應性強，且探測人員無需進入空區，操作安全，具有很好的推廣應用價值。

3)本研究成果的應用可大大提高采空區穩定分析的準確性，同時也可為下階段采空區處理方案的炮孔布置優化、措施巷道施工等提供重要的依據。