基于三維激光掃描技術的復雜采空區群爆破治理

楊樹志，束學來，張兵兵，楊 飛

(宏大爆破工程集團有限責任公司，廣州 510623)

采空區作為露天礦山重大安全隱患之一，嚴重制約了露天礦山安全高效采剝施工與管理?？臻g賦存形態、圍巖屬性及現場施工難易程度均影響采空區防治決策，因此，迫切需要針對采空區現狀，實現三維動態可視化的精準探測，為制定采空區治理方案提供重要支撐。當前，對于地下采空區的探測方法主要有[1-3]：傳統的鉆探法、綜合物探法、三維地震法、瞬變電磁法、高密度電阻法、地質雷達探測法等，這幾種主流的探測方法雖然能滿足現場采空區探測要求，但存在人工勞動強度大、時效性慢等缺陷?，F階段，三維激光掃描技術應用于探測采空區方面，具有時效性高、三維可視化程度好等優勢[4-5]，在一定程度上彌補了傳統物探方法的缺點，極大地解放了現場鉆探勞動力，實現了露天礦山地下采空區非接觸式精準探測。傳統采空區的處理，是基于鉆探的成果進行經驗化設計，存在探測不準且方案不準確的缺陷，基于三維激光掃描技術分析采空區群賦存狀態，構建采空區強制爆破設計方案，有助于實現精準爆破，可為采空區的處理提供新的研究思路。

1 工程背景

大寶山露天礦為地采轉露采型礦山，原井下開采以銅硫礦為主，其采空區主要來源于早期不規范開采遺留下的采空區和早期民采、盜采泛濫形成的盲空區。經過前期的大規模勘探，大部分采空區群準確的分布規律、空間賦存形態、規模狀況等已有了較為詳細的地質資料信息。但仍存在一些盲采空區難以準確探測，且缺乏基礎的地質資料信息，加之采場北部51號勘探線以北區域存在的采空區更是無資料可參考，巖層地表形態也無采空區顯著表現特征。而49號勘探線630采空區群(49-634-1、49-634-2、492-635采空區)的存在(見圖1)，不僅嚴重威脅現場施工作業人員的人身安全，更是直接制約北部661臺階推進速度及采剝效率，造成了高品位礦石資源的嚴重浪費。目前需要解決的問題有：①采空區群賦存形態的精準探測，建立采空區真實模型，快速準確獲取相關參數；②基于采空區的真實三維模型，制定精細化爆破設計方案，確保方案的合理性與可行性。

2 采空區探測及三維建模

采空區探測最早采用的是物理探測方法，應用于軍事、地質勘探礦石位置方面。目前，國內對于采空區的探測，仍以傳統鉆探為主要手段，可有效揭示采空區基本的賦存信息，為決策者提供參考，但往往需要決策者依靠工程實踐經驗；同時也存在諸多不足之處，如：勘探孔數目多、成本高、采空區實時信息不準確、分布狀況不直觀等。鑒于此，借助C-ALS地下采空區三維掃描儀對630采空區群進行了精準探測，安全高效地掌握了630采空區群形態特征和分布參數，為采空區穩定性分析、采空區爆破設計處理方案制定提供了重要保證。

采空區三維激光實時掃描及模型建立，主要分為地面準備工作、外業數據采集和內業數據處理分析。其中，地面準備工作主要有硬件設備的各項連接、鉆孔口和定向桿尾部參考坐標的測量、儀器下放參數的設置等。

2.1 采空區的精準探測

采用三維激光掃描儀實施外業數據采集，主要是高效獲取采空區賦存的點云數據。現場施工中，根據地質資料，在位于采空區上方穩定性較好、安全性較高的區域，首先施工一個勘探孔，便于將C-ALS激光掃描系統沿探孔進入空腔。探頭儀器通過前端攝像頭獲取周圍影像信息，實時反映儀器周圍環境狀況，其測量原理是“Time of flight 脈沖激光”[6]，借助激光探測到巖石表面或其他結構表面反射回來之間的飛行時間計算出前端探頭與各巖體表面之間的距離，探孔中的儀器掃描時通過內置的數字指南針及縱向傾斜和橫向轉動傳感器來定位自身的坐標和朝向，并將掃描產生的“點云”進行精確定位。

2.2 采空區三維模型的建立

三維模型建立為內業數據處理階段，以形成采空區形態可視化及獲取具體參數為目標。由于現場地質環境因素影響，如探孔中流動粉塵、高溫探孔中形成的霧氣等，現場采空區三維激光掃描的點云數據會存在噪聲。因此，在三維模型建立之前需將點云數據進行去噪預處理，再將處理后的點云數據作為三維實體建模的數據源進行建模。630采空區群三維實體模型如圖2所示。

圖2 采空區群三維模型 Fig.2 3D model of goafs group

通過三維模型分析，可直觀地獲取630采空區群的空間賦存形態及層位信息，結合三視圖得出：三個采空區頂板位置、空間水平距離十分接近，其中49-634-1采空區和49-634-2采空區幾乎連成整體，形成了受限采空區群，無可利用的外側自由面。其中，492-635采空區南側、49-634-1采空區東南側及49-634-2采空區西北側有進一步延伸的趨勢(見圖3)。

圖3 采空區相互位置關系Fig.3 Relative location relationship between goafs

2.3 采空區分布參數的獲取

通過分析三維激光掃描與三維建模成果信息，結合采空區現場實際地表相互位置可知，492-635采空區、49-634-1采空區及49-634-2采空區的體積分別為938.6、1 136.6、1 527.7 m3，采空區群具體參數如表1所示。

表1 采空區群參數

3 采空區群爆破方案設計

3.1 采空區穩定性分析

采空區上覆巖層安全厚度直接影響著其穩定性，上覆巖層自身靜載荷、上部設備動載荷、周圍區域爆破振動產生的應力波傳遞都會改變采空區圍巖應力，致使頂板巖石跨落。大寶山露天礦49號勘探線630采空區群頂板區域位于微風化英安巖帶，鉆探取芯較為完整，依據長沙有色設計研究院早期在大寶山礦所做的大量實踐工作得出的最小保安層計算公式：

h=0.71b-1.02

(1)

式中：h為最小保安層厚度，m；b為采空區頂板最大跨度，m。

三維激光掃描結果得出492-635、49-634-1、49-634-2采空區頂板最大跨度分別為14.4、14.4、23.3 m，進而計算得出最小保安層厚度分別為9.2、9.2、15.5 m。根據露天采場現場生產實際推進情況，計劃在661平臺對49線630采空區群進行強制爆破崩落處理，此時3個采空區最小頂板厚度分別為11.98、16.11、19.01 m，均大于采空區最小保安層厚度，表明采空區上方區域暫處于安全狀態。

3.2 采空區群爆破處理方案

根據穩定性分析結果，本次處理630采空區群是在661平臺進行統一垂直穿孔并實施爆破作業，以確保人員設備施工安全可靠。

1)爆破參數。采空區群所在的爆區穿孔的鉆孔直徑為155 mm，設計孔網參數為4.5 m×4.5 m，相比于露天采場正常臺階爆破的孔網參數(4.5 m×6.5 m)較小；采空區群采用中心加強法，即位于采空區中心區域，2個探孔間多加2個炮孔形成小正方形結構，通過增加采空區頂板最薄弱區域的炸藥單耗，形成局部加強爆破處理(見圖4)，同時增加區域總裝藥量增大巖體間的碰撞強度，進而確保采空區頂板崩落。

圖4 采空區群炮孔布置Fig.4 Layout of blasting holes of goafs group

為確保待處理的采空區充填效果良好，采空區范圍內的鉆孔要求均打穿采空區頂板[7-8]，其中采空區范圍內有6個為中心加強孔，采空區外側有11個炮孔，合計1 621.7 m。此外，在采空區爆破處理范圍外也設計了一些炮孔，目的是在爆破時將前排有效推出，減少夾制作用。結合三維激光探測到的采空區高度，并考慮到后續工作面實際推進情況，在采空區范圍外的炮孔設計深度為26 m，實際以炮孔打穿為準，設計的最大單孔裝藥量為326 kg，總裝藥量為22 568 kg。

2)起爆網路。采空區群的起爆網路設計如圖5所示，全部采用J系列的數碼電子雷管，起爆點的數碼電子雷管延時時間設置為50 ms，設置在臨近邊坡的位置，先形成自由面，為采空區群的處理減少夾制作用。爆區的炮孔雷管延時時間從115 ms到1 350 ms，孔間及排間延時時間分別為25、65 ms。共計采用244發數碼電子雷管實現精準的逐孔起爆，確保延時時間較為合理。

注：數字為延時時間，ms。圖5 采空區群起爆網路Fig.5 Blasting network of goafs group

3)裝藥結構選擇及炮孔填塞分類設計。由于巖體裂隙滲水影響，局部炮孔可能存在少量甚至大量的積水，均采用90 mm成品藥卷的2#巖石乳化炸藥，此時的填塞物為細小碎石子；而對于不含水的炮孔，在現場施工階段采用2#巖石乳化炸藥為起爆藥包、混裝銨油炸藥為主裝藥，采用耦合裝藥方式，填塞物則為鉆機吹出的細小巖粉。其中，打穿的炮孔采用底部填塞7.5 m，中部采用耦合裝藥方式，上部填塞4.5 m。未打穿的炮孔，包括水孔及無水孔，則采用耦合連續裝藥，僅在上部填塞4.5 m(見圖6)。

圖6 采空區炮孔裝藥結構Fig.6 Charge structure of goafs blasthole

4)爆破振動。依據經典的爆破振動經驗計算公式：

(2)

考慮到大寶山礦巖石堅硬程度及采場周邊建構筑物防護要求，確定v取3 cm/s，K取200，α取1.5，安全警戒距離為200 m，從而得出Qmax為1 800 kg。而采空區炮孔采用逐孔起爆方式，設計的單次最大裝藥量僅為326 kg，遠小于Qmax，表明爆破振動有害效應的影響較為有限。考慮到采空區的安全隱患較大，現場安全警戒的實際距離為300 m，大于爆破安全規程的要求，以確保作業人員、建筑物及施工設備的安全性。

3.3 爆破效果分析與討論

對630采空區群實施爆破處理時，采用采空區頂板強制崩落充填法，用充填率和遺留空區體積來共同衡量爆破處理效果[9]。經無人機航拍采集爆堆多角度影像信息，以及爆破后現場確認，發現爆破區域前排推出形成的爆堆成形較好，采空區范圍內存在顯著的地表塌陷現象，表明該區域采空區頂板、圍巖跨落的松渣以及巖石將采空區有效填充，采用手持式測量儀器獲取邊界及高程點信息，通過對比分析爆前體積與爆后爆堆體積的對應關系，得到采空區充填率達到90%以上，表明492-635采空區東側局部區域未塌實，但遺留空區體積較小。本次630采空區群爆破效果良好，有效地消除了采空區帶來的安全隱患，加快了661平臺向北推進的進度，且滿足現場安全挖裝作業要求，達到了預期效果。且采空區內部的高品位銅硫礦石資源得以有效利用，資源綜合利用效率大幅提升。

4 結語

1)采用C-ALS三維激光掃描儀實現了采空區群的精準探測，建立了630采空區群真實三維模型，得到采空區群體積為3 602.9 m3、投影總面積為676.4 m2。

2)依據采空區最小保安層經驗公式，計算得出了630采空區群爆破前最小保安層厚度，現場實測值大于理論計算值，表明采空區群處于安全狀態。

3)從爆破參數、起爆網路、裝藥結構及炮孔填塞等方面，給出了相應的爆破處理方案。對630采空區群采取強制崩落法進行協同爆破處理，有效地消除了采空區群相互干擾，爆破后充填率達90%，塌落較為明顯，降低了采空區群潛在的安全隱患。