復(fù)雜露天銅礦床三維可視化開采工藝優(yōu)化技術(shù)研究

馬永亮，王利崗，張 達，張 旭

(1.江西銅業(yè)股份有限公司城門山銅礦，江西 九江 332100；2.北京礦冶科技集團有限公司，北京 100160；3.天河道云(北京)科技有限公司，北京 100176)

江西銅業(yè)股份有限公司城門山銅礦是一座已探明的以銅硫為主、伴生金銀鋅鉬鐵等多金屬的大型銅礦床，礦石儲量達2.2億t，且遠(yuǎn)期找礦潛力巨大[1]；但礦石性質(zhì)復(fù)雜，礦區(qū)內(nèi)分布有表內(nèi)外各類型大小礦體226個，既有原生銅礦物黃銅礦、各種黝銅礦，又有次生銅礦物輝銅礦、藍(lán)輝銅礦、銅藍(lán)等，礦石品位復(fù)雜，品位變化系數(shù)一般為3～5倍，局部高的甚至達到8～10倍，不同礦體含銅斑巖礦的氧化率從7%～22%不等，要實現(xiàn)資源的高效利用必須依靠精細(xì)化的開采工藝。另外，礦區(qū)工程水文地質(zhì)條件復(fù)雜，風(fēng)化深度大，巖溶發(fā)育，絕大部分礦體在侵蝕基準(zhǔn)面以下，采剝過程中礦坑涌水量大，開采過程中必須密切關(guān)注穿爆等工藝對邊坡穩(wěn)定性的影響。

礦山根據(jù) “穩(wěn)定一期，建設(shè)二期，推動三期，打造國內(nèi)效益領(lǐng)先型露天銅礦山”的發(fā)展愿景和戰(zhàn)略定位，自2003年一期正式投產(chǎn)后，經(jīng)營業(yè)績逐年穩(wěn)步提升，2007年擴建二期工程，日處理礦石7 000余t，目前正籌劃啟動日處理礦石15 000 t三期工程。在此期間，礦山的供配礦管理、采剝工程量驗收、生產(chǎn)進度現(xiàn)狀獲取等工作經(jīng)歷了生產(chǎn)工藝由簡單到復(fù)雜、生產(chǎn)組織由離散到綜合的發(fā)展過程，現(xiàn)有的工藝技術(shù)和粗放的管理模式在時效上越發(fā)不足以支撐礦山面臨的日益復(fù)雜、快速變化的生產(chǎn)模式，因此必須探索新的工藝技術(shù)手段來實現(xiàn)精細(xì)化高效安全開采。

1 三維激光掃描技術(shù)

1.1 技術(shù)原理

三維激光掃描技術(shù)是一門新興的測繪技術(shù)，是測繪領(lǐng)域繼GPS技術(shù)之后的又一次技術(shù)革命，三維激光掃描技術(shù)又稱“實景復(fù)制技術(shù)”[2]，三維激光掃描儀采用非接觸式高速激光進行測量，在復(fù)雜的空間環(huán)境下對被測露天礦采場進行快速掃描測量作業(yè)，獲得點云數(shù)據(jù)，經(jīng)過對海量點云數(shù)據(jù)進行三維重構(gòu)可以高精度再現(xiàn)被測礦山采場的開采現(xiàn)狀。

目前三維激光掃描儀主要采用TOF脈沖測距法(Time of Flight)[3-4]，其掃描測量的原理是三維激光掃描儀內(nèi)置激光器發(fā)出一個激光脈沖信號，經(jīng)被測對象表面漫反射后，沿幾乎相同的路徑反向傳回到接收器，根據(jù)激光沿路徑傳輸?shù)臅r間差，可以計算目標(biāo)點與掃描儀之間的距離s，角度編碼器同步測量每個激光脈沖橫向掃描角度觀測值α和縱向掃描角度觀測值θ，通過上述參數(shù)即可計算目標(biāo)點的坐標(biāo)[5-8]，如圖1所示。

圖1 采用脈沖測距法計算目標(biāo)點坐標(biāo)Fig.1 The 3D coordinates of TOF method

根據(jù)三角函數(shù)計算目標(biāo)點P的坐標(biāo)如下：

三維激光掃描測量一般使用掃描儀內(nèi)部的坐標(biāo)系統(tǒng)，為三維立體坐標(biāo)系，默認(rèn)儀器中心位置坐標(biāo)為(0，0，0)。

三維激光掃描測量儀在開始工作之前，會依據(jù)補償器自動設(shè)定初始位置，在已知儀器中心點坐標(biāo)(x0，y0，z0)和儀器初始化方位(θ，儀器初始化后初始方位與用戶坐標(biāo)系中北方位夾角)的情況下，通過平移、旋轉(zhuǎn)，把觀測點的坐標(biāo)數(shù)據(jù)換算至用戶坐標(biāo)系統(tǒng)[9-11]。

(Xn，Yn，Zn)為用戶坐標(biāo)系中的各測點坐標(biāo)。利用網(wǎng)格技術(shù)將點云坐標(biāo)連接成曲面，就形成了觀測露天礦采場的三維圖像。

1.2 技術(shù)優(yōu)劣分析

三維激光掃描技術(shù)與全站儀、GPS/RTK等傳統(tǒng)測量技術(shù)手段相比，具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1)由于露天礦山邊坡曲面的不規(guī)則性，傳統(tǒng)測量方式需要在被測區(qū)域范圍內(nèi)選取一定數(shù)量的地形特征點，其測量成果的準(zhǔn)確性主要依賴于特征點數(shù)量、立尺點位以及選取的區(qū)域范圍等；而三維激光掃描技術(shù)可以快速、高精度獲取海量點云數(shù)據(jù)，對被測區(qū)域進行高密度的三維立體掃描，較傳統(tǒng)測量方式高出幾個數(shù)量級的采樣率，使得測量結(jié)果完全貼近實物，計算結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

2)傳統(tǒng)測量方式需要人員到被測邊坡測點放置靶標(biāo)或?qū)嵉販y量，邊坡復(fù)雜的環(huán)境使得人員作業(yè)難度和風(fēng)險加大，作業(yè)效率低下；而三維激光掃描技術(shù)屬于非接觸式測量，主動發(fā)射掃描激光，且不需要反射棱鏡、不受被測空間限制，能夠高效完成危險目標(biāo)、人員難以企及等情況下被測空間的準(zhǔn)確測量。

3)傳統(tǒng)測量方式外業(yè)效率低，內(nèi)業(yè)計算方法復(fù)雜且自動化程度低，而三維激光掃描技術(shù)能做到以實景再現(xiàn)的方式高精度實時生成被測成果，測得數(shù)據(jù)為全數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，易于后期處理及輸出，效率大大提高。

4)傳統(tǒng)測量方式獲得的只有測繪數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)解讀需要專業(yè)的理論基礎(chǔ)，礦山管理者只能從數(shù)據(jù)上進行判斷，無法直觀了解采場邊坡的實際狀況；而三維激光掃描技術(shù)能夠獲取高精度海量點云數(shù)據(jù)，生成高分辨率三維模型，并能夠與實時影像進行復(fù)合疊加形成彩色實景模型，與礦山邊坡生產(chǎn)實際情況完全貼合，數(shù)據(jù)結(jié)果直觀準(zhǔn)確。

2 三維可視化開采工藝優(yōu)化實踐

采用某型三維激光掃描儀對城門山銅礦采場進行掃描，共架設(shè)三個測站，分別位于露天采場的三個制高點，僅用時1 h就完成三站測量，獲取點云數(shù)據(jù)14 042 269個，準(zhǔn)確還原了整個城門山銅礦露天采場的三維形態(tài)，經(jīng)拼接后的點云數(shù)據(jù)如圖2所示，將三維點云數(shù)據(jù)與真實影像進行疊加，還可以形成真彩色點云數(shù)據(jù)(圖3)。

圖2 拼接后的露天采場點云數(shù)據(jù)Fig.2 Point cloud data of open pit after splicing

圖3 經(jīng)影像貼圖的真彩色點云數(shù)據(jù)Fig.3 True color point cloud data after image map

2.1 采場現(xiàn)狀模型更新

通過后處理軟件的過濾功能，可以將采場上作業(yè)的機械設(shè)備以及其他噪點濾除，生成的三維模型如圖4所示。

圖4 采場三維模型Fig.4 Three-dimensional model of open pit stope

露天礦山開采過程中，礦坑內(nèi)臺階剝離和道路走向等隨生產(chǎn)進度不斷發(fā)生變化，及時更新礦區(qū)模型對準(zhǔn)確掌握生產(chǎn)狀況及校準(zhǔn)礦山測量意義重大。采用三維激光掃描技術(shù)，可在開采前對采場進行掃描并建立模型，開采后再次對新采區(qū)域進行掃描建立模型，通過對開采前后的模型進行聯(lián)合疊加，更新后可以得到準(zhǔn)確的采場現(xiàn)狀模型(圖5)。

圖5 采場現(xiàn)狀模型更新Fig.5 Updating of stope status model

2.2 采剝量高效驗收

露天礦山的剝巖量及出礦量一般按月、季度進行定期驗收，并與生產(chǎn)計劃進行校對核準(zhǔn)，以便及時掌握生產(chǎn)動態(tài)，為下一步產(chǎn)量調(diào)整及生產(chǎn)資金計劃等工作提供判斷依據(jù)。現(xiàn)代礦山企業(yè)的精細(xì)化管理，要求對開采成本進行細(xì)分，根據(jù)工程包含的剝離、采礦、鏟裝、運輸?shù)炔煌瑑?nèi)容以及作業(yè)區(qū)域和運輸距離的不同等因素，制定不同的作業(yè)單價和施工區(qū)域單元，這就要求每個驗收時段內(nèi)不僅要計算采剝總量，而且還需要對各平臺各出礦點的方量進行細(xì)化統(tǒng)計，這大大增加了測繪工作量，傳統(tǒng)測量手段很難滿足這種測繪需求。

采用三維激光掃描技術(shù)，使用后處理軟件中內(nèi)置的三角形聯(lián)網(wǎng)法(DTM 法)計算模塊進行準(zhǔn)確方量計算，采用采場模型進行總方量計算，還可以根據(jù)采場兩期模型或不同開挖作業(yè)區(qū)域的小范圍數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確分區(qū)計算各區(qū)域的采掘方量，并可同時統(tǒng)計挖方量和填方量，數(shù)據(jù)成果以XLS表格格式輸出，滿足了小范圍短時段采掘方量快速統(tǒng)計驗收的需求，如圖6所示(以定高程為例)。

圖6 分區(qū)域方量計算Fig.6 Subregional square calculation

2.3 爆堆統(tǒng)計分析

露天爆破參數(shù)優(yōu)化可大大提高礦山生產(chǎn)管理水平，帶來顯著的經(jīng)濟效益，爆破后的爆堆參數(shù)可以作為優(yōu)化爆破的直接依據(jù)，因此爆堆測量的準(zhǔn)確性至關(guān)重要。爆破后的爆堆為不規(guī)則松散體，傳統(tǒng)測量方式需要人員到達爆堆上進行數(shù)據(jù)采集，人身安全得不到保障，作業(yè)效率低下，數(shù)據(jù)特征點和采樣密度也無法準(zhǔn)確反映爆堆完整形態(tài)；而利用三維激光掃描技術(shù)的非接觸測量，可以做到人員在安全區(qū)域高效完成數(shù)據(jù)采集工作，且高密度點云可以極好呈現(xiàn)爆堆的細(xì)節(jié)特征，可實現(xiàn)爆破量的精確統(tǒng)計。

通過現(xiàn)場采集的爆堆點云數(shù)據(jù)，可快速建立爆堆模型，并通過應(yīng)用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)，快速勾畫和提取爆破邊界線，據(jù)此建立去除爆堆后的模型(圖7和圖8)。

通過前后模型對比，可快速計算單次爆破方量數(shù)據(jù)，為爆破參數(shù)優(yōu)化提供準(zhǔn)確依據(jù)。

圖7 勾畫出爆破邊界線的爆堆模型Fig.7 Blasting boundary line in ore heap model after blasting

2.4 邊坡安全監(jiān)測

利用不同時期的采場邊坡三維掃描數(shù)據(jù)及模型，通過比對兩期模型之間的距離差值統(tǒng)計，可準(zhǔn)確分析邊坡變形情況，還可以人工劃定關(guān)注區(qū)域的具體點位，進行變形位移曲線、變形速度曲線分析等，大大提高了邊坡穩(wěn)定性感知能力，如圖9所示。

圖8 去除爆堆后的模型Fig.8 Model of removing ore heap after blasting

圖9 邊坡變化比對分析Fig.9 Comparison and analysis of slope change

3 結(jié)論

通過將三維激光掃描技術(shù)特長應(yīng)用到露天礦山生產(chǎn)測繪數(shù)據(jù)的高效獲取領(lǐng)域，實現(xiàn)了復(fù)雜露天銅礦床的三維可視化開采工藝優(yōu)化，形成了以三維激光掃描儀為主體的開采工藝優(yōu)化技術(shù)，提高了礦山管理者對露天礦山生產(chǎn)態(tài)勢的準(zhǔn)確把控能力，為實現(xiàn)智能化露天采礦提供了一種行之有效的技術(shù)手段。此外，三維激光掃描技術(shù)還可應(yīng)用于礦山排土場、尾礦庫等應(yīng)用場合，具有廣泛的應(yīng)用前景。