基于無人機(jī)航測技術(shù)的露天礦山采空區(qū)精細(xì)化驗(yàn)收

張兵兵 許龍星 張 璞 張崗濤

（宏大爆破工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，廣東 廣州 510623）

露天礦山遺留的采空區(qū)給安全管理工作帶來了極大的挑戰(zhàn)，針對采空區(qū)處理，三維激光掃描儀、綜合物探技術(shù)、高密度電法以及綜合探測等技術(shù)被應(yīng)用于采空區(qū)的精密探測［1-4］，為獲取隱伏采空區(qū)的位置及相關(guān)參數(shù)提供了極大幫助，有助于準(zhǔn)確分析采空區(qū)潛在的危害程度。在采空區(qū)處理的安全評價(jià)方面，數(shù)值模擬軟件如FLAC3D、ANSYS等，被應(yīng)用于分析采空區(qū)處理前后的安全處理效果評價(jià)［5-6］；在工程實(shí)踐中，采空區(qū)充填率和遺留采空區(qū)體積等相關(guān)指標(biāo)的可操作性更強(qiáng)，崔曉榮等［7］認(rèn)為在充填率大于85%時(shí)，表明采空區(qū)在爆破作用下的處理效果良好。在實(shí)際情況中，露天礦山采空區(qū)處理效果評價(jià)主要采用的是經(jīng)驗(yàn)法，通過觀察爆堆的宏觀外在表象，分析采空區(qū)坍塌程度，判定其是否處于安全狀態(tài)。經(jīng)驗(yàn)法主要依賴于技術(shù)管理人員的現(xiàn)場工作經(jīng)驗(yàn)，具有一定的局限性，難以實(shí)現(xiàn)精細(xì)化評價(jià)與驗(yàn)收，故需要引入更為有效的技術(shù)手段。

無人機(jī)航測技術(shù)在采空區(qū)等重大安全隱患的排查與分析方面，具有安全性好、可靠性高、效率高等顯著優(yōu)勢，可真實(shí)反映被測區(qū)域的地形地貌三維信息，已被廣泛應(yīng)用于露天礦山開采設(shè)計(jì)與安全管理領(lǐng)域［8-10］。在無人機(jī)精度評估方面，三維模型精度、成圖結(jié)果精度是評估的主要方面；章夢霞等［11］分析了露天礦區(qū)特點(diǎn)，采用低空無人機(jī)遙感測繪技術(shù)生成了礦山的三維數(shù)字模型，滿足1∶2 000比例尺成圖精度要求。馮雅秀［12］討論了傾斜攝影建模、三維重構(gòu)及精度評估的指標(biāo)，通過工程實(shí)踐，認(rèn)為航測精度如三維模型精度、DSM及DOM精度均符合三維建模要求。在無人機(jī)數(shù)據(jù)處理方面，康玉霄等［13］詳細(xì)分析了無人機(jī)數(shù)據(jù)處理流程及關(guān)鍵技術(shù)細(xì)節(jié)，包括航線規(guī)劃、像控點(diǎn)布置、數(shù)據(jù)解算與模型分析，為有序開展無人機(jī)航測工作提供了參考。上述研究表明：通過無人機(jī)航測技術(shù)得到的三維模型精度滿足實(shí)際生產(chǎn)需求，已成功應(yīng)用于露天礦山的生產(chǎn)實(shí)踐中。

通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，無人機(jī)航測技術(shù)在采空區(qū)方面的應(yīng)用研究相對較少，尤其是在采空區(qū)處理效果評定方面。通過應(yīng)用無人機(jī)航測技術(shù)，可得到采空區(qū)爆前爆后兩期真實(shí)三維數(shù)據(jù)，進(jìn)行影像模型信息與實(shí)際處理效果的匹配分析，有助于實(shí)現(xiàn)采空區(qū)的精細(xì)化評價(jià)與驗(yàn)收，為此，本研究結(jié)合實(shí)例對此進(jìn)行分析。

1 采空區(qū)處理效果精細(xì)化驗(yàn)收的內(nèi)涵

現(xiàn)階段，尚缺乏爆破處理后露天礦山采空區(qū)評價(jià)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范；在工程實(shí)踐方面，采空區(qū)充填率與遺留采空區(qū)體積作為主要的評價(jià)指標(biāo)，兩者是通過公式計(jì)算得到相應(yīng)的參數(shù)，對比分析采空區(qū)處理前后的數(shù)據(jù)，進(jìn)而判定爆破后的采空區(qū)充填效果。

相比于傳統(tǒng)的采空區(qū)處理效果驗(yàn)收方法，基于無人機(jī)航測技術(shù)的露天礦山采空區(qū)精細(xì)化驗(yàn)收，不僅僅通過外在現(xiàn)象進(jìn)行評定，其“精細(xì)化”主要體現(xiàn)在：①通過無人機(jī)航測獲取采空區(qū)爆前爆后兩期三維模型，三維可視化效果好，帶有真實(shí)三維點(diǎn)云信息，安全可操作性好，細(xì)節(jié)紋理豐富；帶有高程點(diǎn)信息，能夠詳細(xì)地反映采空區(qū)爆前爆后的空間形態(tài)變化；②采空區(qū)反映在爆區(qū)三維模型中，使得采空區(qū)與爆區(qū)地形一一對應(yīng)，通過對比兩期三維模型，采空區(qū)的真實(shí)爆破處理效果得以清晰地展示；③通過在三維模型中圈定采空區(qū)的范圍及對比爆后的實(shí)際效果，有助于提高采空區(qū)處理效果評價(jià)的可靠性；④基于無人機(jī)航測得到的影像及三維模型信息，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際處理效果及實(shí)際挖裝反饋情況，可從多個(gè)方面綜合評判采空區(qū)的實(shí)際處理效果。

為有效分析地采轉(zhuǎn)露天復(fù)采礦山采空區(qū)的崩落爆破處理效果，需綜合以下信息進(jìn)行綜合評定：①爆破后盲采空區(qū)及廢棄巷道所在區(qū)域的崩落充填情況；②無人機(jī)錄制的爆破處理視頻影像及多角度航拍影像信息；③實(shí)際挖裝作業(yè)是否出現(xiàn)異常情況。

2 工程概況

大寶山礦早先主要采用空場法崩落采礦，產(chǎn)生了較多的采空區(qū)及巷道，雖然大部分采空區(qū)采用了廢石充填，但也遺留了較多未經(jīng)處理的采空區(qū)；并且早期礦山民采、盜采現(xiàn)象管控較難，造成礦石品位較高的區(qū)域存在一些無開采設(shè)計(jì)資料的盲采空區(qū)。后期為了提高資源回收率和安全生產(chǎn)管理水平，采用了露天開采模式，故這些遺留的有資料及無資料的采空區(qū)對采場安全生產(chǎn)帶來了較大威脅。

計(jì)劃爆破處理的649 m北部平臺下方存在廢棄的640 m平硐，由于此處礦石品位較高且地質(zhì)資料不全，按照“有疑必探，先探后采”的原則，在可疑區(qū)域提前安排一個(gè)25 m深的探孔，鉆至17.8 m時(shí)，出現(xiàn)打穿現(xiàn)象，空洞深度為3.4 m。及時(shí)采用三維激光掃描儀（C-ALS）進(jìn)行了探測，掃描發(fā)現(xiàn)采空區(qū)頂板為641.1 m，底板為631.5 m，頂板距離640 m平硐最薄處厚度僅為5 m，查閱原始資料顯示該采空區(qū)無相應(yīng)的地質(zhì)資料，故判定為盲采空區(qū)。相關(guān)參數(shù)如表1所示，640 m平硐及盲采空區(qū)所在的范圍如圖1所示。

長沙礦山研究院有限責(zé)任公司前期在大寶山露天礦進(jìn)行采空區(qū)大面積探測及潛在危險(xiǎn)性分析時(shí)，經(jīng)過大量數(shù)據(jù)驗(yàn)算，總結(jié)給出了較為貼合大寶山露天采場采空區(qū)實(shí)際情況的保安層經(jīng)驗(yàn)公式。探孔作業(yè)時(shí)鉆孔巖芯完整，相應(yīng)的保安層公式為

h=0.71b-1.02，

式中，h為保安層厚度，m；b為最大跨度，m。

計(jì)算得h=6.44 m，故認(rèn)為盲采空區(qū)相對安全，計(jì)劃在649 m層面隨臺階爆破協(xié)同處理，為下部平臺的持續(xù)推進(jìn)及盤活東西幫道路奠定基礎(chǔ)。

3 無人機(jī)航測技術(shù)應(yīng)用

為了高效準(zhǔn)確地判定爆破崩落后的盲采空區(qū)及廢棄巷道的處理效果，利用無人機(jī)進(jìn)行了兩期航測，即爆破前和爆破后，相應(yīng)的作業(yè)流程如圖2所示。

3.1 外業(yè)航測

本研究采用的大疆精靈4 RTK無人機(jī)為小型四旋翼高精度航測無人機(jī)，具備厘米級導(dǎo)航定位系統(tǒng)和高性能成像系統(tǒng)，搭載高清攝像頭，在低空攝影測量應(yīng)用方面優(yōu)勢明顯。在航測區(qū)域規(guī)劃方面［14-15］，采用5向航線飛行，軟件會自動在計(jì)劃航測區(qū)域的基礎(chǔ)上進(jìn)行適度擴(kuò)大，以確保傾斜攝影得到的航測數(shù)據(jù)真實(shí)可靠。

考慮到大寶山露天礦山649 m水平以上為山坡式開采，649 m水平以下為凹陷式開采，為了確保航測安全及數(shù)據(jù)可靠性，本次航測高度定為100 m，重疊率設(shè)計(jì)為85%，測區(qū)規(guī)劃如圖3所示。像控點(diǎn)布置兼顧測區(qū)的平面和高程精度需要，在爆區(qū)東側(cè)、西側(cè)、北側(cè)、南側(cè)各布置了1個(gè)1 m×1 m的像控布［16］，如圖4所示。同時(shí)在爆區(qū)鄰近的南側(cè)布置了2個(gè)檢查點(diǎn)，為了保證像控點(diǎn)及檢查點(diǎn)坐標(biāo)信息真實(shí)可靠，采用RTK連續(xù)進(jìn)行了10次測量，測量時(shí)要求居中對齊，確保多次測量數(shù)據(jù)的x、y、z坐標(biāo)誤差在毫米級，確保不會對像控點(diǎn)進(jìn)行誤測，而影響到后期數(shù)據(jù)分析，取10次數(shù)據(jù)的平均值作為實(shí)測值。

按照設(shè)定的5向航線自動航測，耗時(shí)30 min后獲取了454幅高清色彩分明且自帶POS數(shù)據(jù)的爆區(qū)原始影像；爆破結(jié)束后，及時(shí)獲取了649 m臺階爆破后的453幅高清色彩分明且自帶POS數(shù)據(jù)的影像。

3.2 內(nèi)業(yè)處理

本次獲取的航測數(shù)據(jù)采用Context Capture軟件逐一進(jìn)行三維建模，具有操作簡單、處理精度高等優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用在傾斜攝影三維建模中。通過自帶POS數(shù)據(jù)影像初始化、像控點(diǎn)刺點(diǎn)、空三解算、模型重建等步驟，得到了兩期對應(yīng)的三維模型數(shù)據(jù)。

3.2.1 誤差分析

在三維模型中，像控點(diǎn)清晰可見，如圖5所示。在生成的三維模型質(zhì)量報(bào)告中，通過對獲取的各種誤差種類信息進(jìn)行綜合判斷，發(fā)現(xiàn)誤差值很小（表2）。

由表2可知：采用單鏡頭5向傾斜攝影測量后，三維模型全局中值誤差僅為0.2 cm，分辨率較高，X、Y、Z方向的誤差值均較小；4個(gè)像控點(diǎn)射線距離均方根誤差為0.1～0.2 mm，誤差整體較小。同時(shí)，通過分析現(xiàn)場布置的2個(gè)相鄰檢查點(diǎn)的實(shí)測值與三維模型生成的二維地形圖對應(yīng)的坐標(biāo)值，發(fā)現(xiàn)X方向相差0.002 m，Y方向一致，Z方向相差4 cm。經(jīng)過精度檢校后，綜合判斷認(rèn)為符合1∶500地形圖制圖要求，表明將三維模型信息轉(zhuǎn)化為二維地形信息時(shí)，精度較高，為評價(jià)采空區(qū)爆破處理效果奠定了基礎(chǔ)。

3.2.2 兩期模型對比

為了更好地分析三維模型數(shù)據(jù)信息，將盲采空區(qū)及廢棄巷道的點(diǎn)位數(shù)據(jù)導(dǎo)入IData軟件，實(shí)現(xiàn)測量點(diǎn)位數(shù)據(jù)與三維模型的套合，可在三維模型上顯示盲采空區(qū)及廢棄巷道的相關(guān)信息，同時(shí)將爆區(qū)外側(cè)炮孔連線導(dǎo)入至模型中，對應(yīng)的兩期模型如圖6所示。

4 采空區(qū)處理效果評價(jià)與驗(yàn)收

4.1 崩落充填情況分析

在采空區(qū)評價(jià)方面，需要獲取相應(yīng)的數(shù)據(jù)，而傳統(tǒng)的人工測量的隨機(jī)性較大，準(zhǔn)確性難以保證。通過應(yīng)用無人機(jī)航測，實(shí)現(xiàn)采空區(qū)覆蓋范圍的完整數(shù)據(jù)收集，數(shù)據(jù)采集的精細(xì)化程度得以提高［17］，精細(xì)化評價(jià)的可靠性得以保證。

在IData軟件中，通過導(dǎo)入爆前和爆后兩期盲采空區(qū)及廢棄巷道的三維模型信息，獲取崩落爆破后的高程點(diǎn)變化情況，如圖7所示，同時(shí)考慮爆破后巖石的松散系數(shù)（取1.3），綜合分析得到實(shí)際采空區(qū)爆后的充填程度。由于該采空區(qū)有側(cè)向自由面，與無自由面的采空區(qū)強(qiáng)制崩落直接充填形成爆坑相比，存在差異性，故需要考慮相應(yīng)區(qū)域巖石在爆破作用下的實(shí)際推出距離。

盲采空區(qū)平均高度為4 m，最大高度為9 m，按照間排距6.5 m×4.0 m、炮孔平均深度17.6 m、最小抵抗線為4 m的布置方式，綜合考慮松散系數(shù)1.3及前排炮孔15 m的推進(jìn)距離，盲采空區(qū)所在區(qū)域高程應(yīng)降低3 m左右；而盲采空區(qū)布孔處的實(shí)際高程為651.8～653.9 m，盲采空區(qū)爆后高程為650.3～651.3 m，通過兩期高程信息比對發(fā)現(xiàn)，高程降低了1.5～2.6 m；充填相對高度增加率為110%～200%，表明盲采空區(qū)得到了有效充填。

4.2 基于爆破前后影像的采空區(qū)處理效果分析

通過無人機(jī)在爆破推進(jìn)方向近距離錄制的爆破視頻，發(fā)現(xiàn)巖石推出距離整體上符合預(yù)期，盲采空區(qū)及廢棄巷道所在位置處，在爆破的瞬間存在顯著的塌陷及廢石充填現(xiàn)象；在爆后現(xiàn)場檢查時(shí)，也發(fā)現(xiàn)兩者與臺階的正常區(qū)域存在明顯區(qū)別，有顯著的下沉現(xiàn)象，推進(jìn)現(xiàn)象不明顯，局部存在充填情況，這與采空區(qū)的不規(guī)則形狀、范圍、高度不一及巖石的松散系數(shù)有關(guān)。無人機(jī)拍攝的采空區(qū)處理后高清影像（圖8）顯示，在爆破的作用下，采空區(qū)得到了有效充填。

4.3 采空區(qū)挖裝情況

為了確保挖裝作業(yè)安全高效進(jìn)行，在該盲采空區(qū)開始挖裝作業(yè)前，技術(shù)人員提前圈定標(biāo)注了盲采空區(qū)及廢棄巷道所在范圍，并對挖機(jī)人員及現(xiàn)場管理人員進(jìn)行了相應(yīng)的技術(shù)交底工作。在此區(qū)域施工時(shí)采取由外向內(nèi)的試探挖裝，現(xiàn)場實(shí)際挖裝中未出現(xiàn)空洞及其他異常情況，表明采空區(qū)得到了有效治理，較好地消除了該作業(yè)區(qū)域的安全隱患。

5 結(jié) 論

（1）盲采空區(qū)嚴(yán)重威脅著露天礦山的安全生產(chǎn)工作，如何有效評價(jià)與驗(yàn)收盲采空區(qū)在崩落爆破后的實(shí)際處理效果，顯得尤為重要。采用無人機(jī)航測技術(shù)評價(jià)采空區(qū)處理效果，分析了采空區(qū)精細(xì)化驗(yàn)收內(nèi)涵，并從充填程度、爆破影像、實(shí)際挖裝情況3個(gè)方面綜合評價(jià)了盲采空區(qū)處理效果。

（2）采用大疆精靈4 RTK無人機(jī)進(jìn)行低空100 m高重疊率的5向航線航測，通過兩期外業(yè)航測與內(nèi)業(yè)處理，得到了盲采空區(qū)爆前及爆后兩期三維模型，經(jīng)過精度檢校發(fā)現(xiàn)，誤差滿足1∶500地形圖制圖要求，可靠性較好。

（3）采用IData軟件計(jì)算得到的盲采空區(qū)高程明顯下降，充填相對高度增加率為110%～200%，再結(jié)合無人機(jī)獲取的多角度航拍影像及挖裝的實(shí)際情況，驗(yàn)證了649 m平臺的盲采空區(qū)得到了有效處理，表明無人機(jī)航測技術(shù)在采空區(qū)精細(xì)化驗(yàn)收評價(jià)方面有一定的應(yīng)用前景。