基于三維激光掃描儀采場二步回采的指導應用

范才俊

（贛州星哲安全咨詢服務有限公司，江西興國 342400）

地下礦山在開采時，受到巖石條件的不同，炮孔裝藥量的不同，對設計采場邊界與實際采場邊界有一定的出入[1-5]，在局部巖體存在斷層、破碎較大的情況下，采場實際爆破邊界與設計邊界可能存在較大的差別，一步采很明顯會出現(xiàn)超欠挖情況，如二步采還按照一步采設計邊界進行二步采設計，因此，及時掌握礦體一步采實際情況，對科學評估一步采采場爆破效果及二步采回采設計有重大意義。某礦山采用無底柱分段嗣后充填法進行開采，礦山采場的充填量一直不知道，現(xiàn)對該礦山采場進行三維激光掃描，可得到采場的實際體積，較為準確的獲得采場的充填量[6-10]。二步采根據一步采實際測量邊界進行設計。降低礦山的損失與貧化。

目前，國內外對礦山采場超欠挖問題提出了不少解決辦法，具有比較代表性的為CMS 的三維激光掃描技術，羅周全[11]等利用CMS 三維激光掃描技術，對礦山采場進行掃描，并對模型進行建模后，通過布爾運算，得到采場回采體積，存留的礦石量及礦山采下的廢石量等。李建[12]等用BLSS-PE 掃描采場，得到采場的超欠挖體積等，對礦山回采及貧化具有指導意義。通過探測，測得采場在空間內實際位置，對礦山殘礦回收提供準確的數據指導。邱振華[13]等利用CALS 鉆孔式三維激光掃描測量對礦山隱覆性空區(qū)進行探測，得到空區(qū)實際體積及空區(qū)的實際采場邊界和空間位置，為礦山安全提供數據指導。

1 空區(qū)三維模型的獲取

1.1 空區(qū)模型現(xiàn)場數據采集

三維激光掃描儀在工作當中，發(fā)出光脈沖到達物體表面，物體表面接受到光脈沖后，反射回空區(qū)內壁坐標，最后傳輸到接收器內，在接收器內找到坐標點，對點云進行賦值，計算出兩點的方位角，輸入方位角，形成空區(qū)在空間內具體位置。接收器接收到點云信號，計算出P 點與掃描儀距離S。空區(qū)探測原理如圖1所示；三維激光掃描儀坐標系統(tǒng)是在探頭內部，儀器可以自定義:y 軸和x 軸在橫向掃描面內，相互垂直，z軸與x，y形成的面互相垂直，空區(qū)探測目標點可以通過三維幾何算出。現(xiàn)場掃面圖如圖2所示，空區(qū)定位坐標如表1所示。

圖1 激光掃描原理

圖2 現(xiàn)場進行掃描

表1 采場三維定位

1.2 三維實體模型的建立

利用三維激光掃描儀（VS150）對空區(qū)進行掃描，得到空區(qū)點云數據進行處理，把測得空區(qū)坐標賦值上，得到空區(qū)在空間位置。數據采用礦業(yè)軟件SURPAC 打開，并進行處理、建模，獲取空區(qū)在空間位置圖。根據空區(qū)炮孔剖面圖，對空區(qū)進行設計模型建模。

2 空區(qū)超挖欠挖量和二步采采場邊界確定

2.1 空區(qū)超欠挖量的獲取

通過對采場設計模型進行建模和實測模型進行對比分析，采用礦業(yè)軟件SURPAC 里的實體模塊，對采場的實測模型與設計模型進行布爾運算，得到采場超欠挖模型，如圖3 和4 所示；得到采場超欠挖量。根據超欠挖量，算出采場總欠挖量，如表2所示。

圖3 采場欠挖模型圖

圖4 采場超挖模型圖

采場總欠挖量計算公式為：

式中：W——總欠挖體積，m3；

N——回采礦體單元體積，m3；

T——探測空區(qū)體積與回采礦體單元的公共體積，m3。

通過礦體超欠模型，計算出礦體實際超欠挖體積，根據礦體超欠挖模型及設計實測模型算出礦體總欠挖量，兩種算法總欠挖量的值一樣。通過總欠挖量可以得到采場的回收率，對每個采場都進行探測，算出年回收率。

表2 實測采場欠挖量計算

2.2 二步采采場邊界的確定

礦山采場一步采采完形成一步采空區(qū)，會對一步采進行及時充填作業(yè)，然后再進行二步采礦柱作業(yè)，由于井下巖石條件、裝藥量多少、采礦方法等原因，一步采形成的空區(qū)往往與實際設計空區(qū)有一定的差別，二步采再進行回采時，如按照一步采設計進行回采，可能會采到一步采充填體內，造成二步采礦體貧化。三維激光掃描儀的使用，避免了這種情況。將一步采采場按照炮孔排線剖面進行剖切，得到一步采采場的設計剖面與實際剖面，可以看出礦體實際未采下區(qū)域，即礦體實際欠挖部位，如圖5所示；在做二步采采場炮孔設計時，根據一步采場實際炮孔剖面圖，進行二步采采場炮孔設計，可以提高礦體的回收率。對于一步采采場超挖部位，根據實際炮孔邊界設計二步采采場炮孔邊界，并留有0.8～1m 寬的保安礦柱，可以減少二步采采場充填體的混入，提高礦石的回收率，如圖6所示。

圖5 設計邊界與實測邊界炮孔排線剖面圖

圖6 二步采設計邊界圖

通過對一步采采場進行實測，可以較為準確的獲得一步采采場邊界，為二步采采場設計時提供礦體邊界，對二步采回采時提供有力的數據支持。

3 結論

（1）采用三維激光掃描儀對一二步采場進行實測，得到采場點云數據，并對點云數據進行SURPAC處理，得到采場的實體模型。

（2）對采場實體模型與設計模型進行布爾運算，得到采場超欠挖三維模型，對超欠挖模型進行計算，得到采場超挖量、欠挖量，根據超欠挖量，計算出采場總欠挖量。

（3）根據采場實測模型及設計模型，對一步采采場實測模型進行沿炮孔排線剖切，可以得到一步采采場實際爆破邊界，通過一步采采場實際爆破邊界，可以對二步采采場爆破邊界設計進行數據支持，提高二步采采場礦石的回收率，減少因充填體的混入，導致礦體貧化率升高。

（4）針對一步采礦體實際模型，預留一定寬度的保安礦柱，減少充填量的混入。