梅山鐵礦深井筒斷面測量方法探討與實施

錢小峰

（南京寶地梅山產城發展有限公司礦業分公司）

梅山鐵礦作為國內具有代表性的地下礦山，采用的無底柱分段崩落法［1］采礦，在較長一段時間內促進了國內地下礦山技術的進步。隨著開采深度的逐步加深，礦山地質結構變化愈發劇烈，從而造成了井下巷道等各類掘進結構穩定性變差，其中包括需要存續較長時間的各類深井筒。這些井筒的超時使用，均有不同程度的損壞，特別是深溜井的垮塌、冒落情況尤其明顯［2］。在此情況下，就需要對其現狀做好測定，確定其結構問題并加以維修。

1 常用斷面測量方法

深井筒深達百米的豎直結構特點決定了人員直接進入其中不具備可行性，因而長期以來不需要維修的深井筒均無法進行結構探測，只有需要進行維修的深井筒，在其中安裝了維護用的吊盤后，礦山測量人員才能夠進入并進行結構探測。

1.1 斷面測量

受制于深井筒直徑一般不超過3 m的狹窄結構，常用的全站儀等儀器在其中無法發揮作用，常規測量方法是通過在井筒上部安裝吊盤后，人員和簡易測量工具如鋼尺、測距儀等隨著吊盤上下，每隔一定距離觀測井筒的斷面情況。

首先將長鋼尺固定于吊盤頂部，隨著吊盤的逐步下降而下放，到達設定的整數米（每5 m1次）后，固定吊盤，測量人員以吊盤中心為基準，按照設定的角度，使用激光測距儀測量吊盤中心至深井筒壁的距離并記錄數據；自井筒頂部至底部按照順序測量后提升吊盤，完成測量。

1.2 數據處理與成圖

本方法測量數據簡單，僅測量井筒深度和該深度對應的斷面半徑值，因而僅需將長鋼尺對應的讀數與井筒所在實際深度值進行對照，再將每個斷面半徑所在的角度換算為對應的方位值即可（表1），在此基礎上將井筒的斷面使用CAD制圖。

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從表1中可以看出，每個斷面共測量8個尺寸后通過CAD成圖，可直觀反映實測井筒斷面形狀。

1.3 精度評價

該方法使用常見的鋼尺與測距儀為測量儀器，觀測條件為穩定性較差的吊盤，其精度情況主要從3個方面體現：一是深度誤差，其讀數為讀取的懸掛于吊盤頂部的長鋼尺；二是測量斷面半徑時對應的方位角誤差，其讀數主要靠吊盤內的人員按照經驗判斷；三是測量的井筒半徑誤差，來自于測距儀測量。可以直觀地看出，受制于觀測條件和人員主觀因素，這3個方面的誤差及其范圍已超出誤差評定的范疇，可以定義為粗差，僅可作為簡單地定性判斷井筒現狀的依據。

2 基于三維掃描技術的深井筒測量

常規的斷面測量方法優點：一是測量方法簡單，二是數據結果直觀可見。但其缺點也是顯而易見的：一是成本高，需要安裝專門的吊盤配合，特別是對于礦山等有較大數量深井筒來說，需要較高的安裝成本；二是效率低，安裝調試和斷面測量過程需要耗費較長時間，影響井筒的使用；三是安全性差，多數井筒內都均有裝配物或垮塌風險，人員進入易發生自墜或落物砸傷風險；四是斷面結構獲取精度低，主要因為受限于狹窄空間、吊盤的不穩定及上下垂直結構的特點，數據的連續性和定位精準性都受到限制。

近年來，逐漸興起的三維激光掃描技術能夠通過非接觸式的測量，對激光發散范圍內的物體進行連續測量［3］，深井筒測量應用該技術可以很好地解決上述全部問題。

2.1 方案研究與實施

梅山鐵礦在2020年引進了Geoslam三維激光掃描儀［4］，其性能優良，數據穩定性好，在常規巷道測量中已經投入使用，但是如何將儀器置入深井筒，同時價值不菲的三維激光掃描儀如何避免在井筒內遭受撞擊破壞一直難以得到解決。

經過實地對各類井筒現狀的對比，制作了專用的激光掃描儀保護裝置以及井筒操控裝置，其中保護裝置能夠隔絕三維激光掃描儀與外部的接觸，避免磕碰和井筒內濺水的影響，操控裝置可實現掃描儀進出井筒，二者組合后（圖1）即可實現對井筒的三維掃描測量。

實際操作中，首先需要使用該裝置對井筒深度進行探查，做好標記后再將三維激光掃描儀連接防轉栓開機后緩慢下放至井筒，掃描過程中需確保速度均衡，掃描完成提升至井口后，為確保數據完整性，需要對井口位置一定范圍內的巷道進行數據采集，便于后期進行坐標定位。

2.2 數據處理與成圖

Geoslam三維激光掃描儀可實現每秒30萬點的數據采集，因而數據的處理完全依賴專用的數據處理軟件，梅山鐵礦使用RealWorks軟件，可實現對采集的點云數據全自動處理，處理后的數據可進行直觀的斷面探查，包括各類實測數據，如深度、寬度、垮冒情況的觀察等。

目前梅山鐵礦已經應用三維激光掃描儀完成了井下多個溜井及風井的斷面測量，在實測模型的基礎上可以進行直觀的各類觀測和測量。

（1）6-2溜井348～420 m分層模型見圖2，可直觀地看到整個溜井形態并進行數據分析。

（2）258 m分層轉接風井實測模型見圖3，可觀察堵塞點位置和堵塞情況。

（3）在5-3溜井實測模型上，可按照特定需要切制剖面模型（圖4）、計算堵塞體以上溜井容積（圖5）。

（4）在5-2溜井實測模型切制斷面（圖6）進行垮塌情況分析。

2.3 精度評價

手持式三維激光掃描儀使用便捷，其標稱精度為±5 cm，實際使用中其精度隨著測量距離的增大而逐步降低［5］，在平巷測量時，200 m以內精度優于標稱精度，而達到500 m以上精度衰減較大。百米左右的豎井深度絕對距離短，一般實測距離在百米以內，因而精度的遞減情況較弱，可認為其誤差范圍控制在儀器自身標稱的±5 cm以內。

3 結 論

梅山鐵礦井下深井筒垮落情況探查一直得不到較好的解決，通過這2種方法的實施，找到了有效的途徑能夠真實地評估井筒現狀。特別是三維激光掃描儀結合下井筒裝置應用于井筒模型的實測，能有效地對井筒內部全要素進行測量觀察，經過簡單的軟件處理，就可以獲取斷面、深度、垮冒位置等情況，且安全性高，實施便捷。