余樂文，張 達(dá)，張元生，王利崗

（1.北京礦冶研究總院，北京102600；2.金屬礦山智能開采技術(shù)北京市重點實驗室，北京 102600）

復(fù)雜空區(qū)殘留礦體探查技術(shù)研究

余樂文1，2，張 達(dá)1，2，張元生1，2，王利崗1，2

（1.北京礦冶研究總院，北京102600；2.金屬礦山智能開采技術(shù)北京市重點實驗室，北京 102600）

復(fù)雜殘留礦體空區(qū)形態(tài)未知、環(huán)境惡劣、測量人員無法進(jìn)入，為了回收殘留礦體，采用自主研制的BLSS－PE測量空區(qū)三維形態(tài)，并與英國C－ALS測量結(jié)果進(jìn)行對比，試驗結(jié)果表明BLSS－PE可以準(zhǔn)確、高效測量采空區(qū)，為殘礦回采提供數(shù)據(jù)支撐。

殘礦；采空區(qū)；探測；C－ALS

我國因受開采條件和技術(shù)制約，存在大量深部復(fù)雜難采殘留礦體無法進(jìn)行正?；厥?，這些殘留礦石資源回采技術(shù)復(fù)雜，安全條件差，遺留的大量空區(qū)和礦柱長期不能得到有效處理，造成礦山重大安全隱患和國家資源的嚴(yán)重浪費［1－3］。隨著采礦技術(shù)與裝備的進(jìn)步，部分礦山開始對高品位殘礦進(jìn)行回采，因此，科學(xué)地揭示井下空區(qū)的幾何特性及相互的空間關(guān)系對殘礦回采有著非常重要的作用。

三維激光掃描技術(shù)具有非接觸、高精度、高效等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于殘留礦體及采空區(qū)三維形態(tài)探測。在國外，三維激光掃描儀領(lǐng)域的研究起步較早，并已形成了較為完善的產(chǎn)品系列。但是，礦山井下伴有高溫、高濕、高塵等惡劣條件，人員無法進(jìn)入或由于安全原因不宜進(jìn)入采空區(qū)，只能通過鉆孔或者使用延長桿將掃描儀伸入空區(qū)測量，目前，只有加拿大OPTECH公司的CMS和英國MDL公司的CALS可以在井下使用［4－5］。國外產(chǎn)品價格昂貴、技術(shù)壁壘嚴(yán)重，很難在國內(nèi)礦山行業(yè)普及應(yīng)用。在國內(nèi)，北京礦冶研究總院已研制出BLSS－PE礦用三維激光掃描測量系統(tǒng)［6］，并已經(jīng)在國內(nèi)多家礦山應(yīng)用。

針對復(fù)雜難采地下殘留礦體，研究開發(fā)復(fù)雜空區(qū)殘留資源探查技術(shù)，采用我院自主研制的BLSSPE礦用三維激光掃描測量系統(tǒng)對采空區(qū)進(jìn)行三維探測，并與英國C－ALS測量結(jié)果進(jìn)行對比，驗證測量的準(zhǔn)確性，為后續(xù)殘礦回采提供數(shù)據(jù)支撐。

1 工作原理

礦用三維激光掃描測量系統(tǒng)是基于激光測距技術(shù)原理，利用光在待測距離上往返傳播的時間換算出距離值，其方程見式（1）。

式中：c為激光在大氣中的傳播速度；t為激光在待測距離上的往返傳播時間。

激光測距傳感器獲取數(shù)據(jù)原理如圖1所示，首先由激光脈沖二極管發(fā)射出激光脈沖信號，經(jīng)過棱鏡，射向目標(biāo)，然后通過探測器，接收反射回來的激光脈沖信號，并由記錄器記錄，最后轉(zhuǎn)換成能夠直接識別處理的數(shù)據(jù)信息，經(jīng)過軟件處理實現(xiàn)實體建模輸出。

圖1 激光測距傳感器工作原理

激光掃描三維探測一般使用儀器內(nèi)部坐標(biāo)系統(tǒng)，如圖2所示。通過數(shù)據(jù)采集獲得測距值S，精密時鐘控制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。由此可得到三維激光腳點坐標(biāo)的計算公式（式（2））。

圖2 計算原理

2 BLSS－PE礦用三維激光掃描測量系統(tǒng)

北京礦冶研究總院自主研制的礦用三維激光掃描測量系統(tǒng)由掃描主機(jī)、延長桿、控制器、軟件系統(tǒng)、標(biāo)定系統(tǒng)等組成，如圖3所示。徑向軸向掃描單元360°全方位轉(zhuǎn)動，激光測距傳感器測量空間點云數(shù)據(jù)，結(jié)合徑向軸向位置反饋編碼器數(shù)據(jù)解算出空間點三維坐標(biāo)，數(shù)據(jù)通過控制器無線傳輸至PDA軟件系統(tǒng)顯示，并進(jìn)行三維建模、數(shù)據(jù)分析等處理。

圖3 系統(tǒng)組成

掃描主機(jī)設(shè)計符合人際工程學(xué)原理，設(shè)計的外殼美觀，防護(hù)等級達(dá)IP66，可在礦山井下惡劣環(huán)境下正常工作。

控制器主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和本地化供電，具有備用電源與交流電源無縫切換功能，能夠保證切換中設(shè)備不掉電、數(shù)據(jù)不丟失；具有供電狀態(tài)實時檢測和故障報警功能，具有寬工作溫度和高防護(hù)等級，能夠適應(yīng)井下極端惡劣的應(yīng)用環(huán)境。

軟件系統(tǒng)開發(fā)了一種自適應(yīng)分辨率三維激光掃描測量算法，解決了在三維激光掃描裝置與被測目標(biāo)表面夾角大、距離遠(yuǎn)以及被測表面凸凹不平等情況下，三維激光掃描測量的空間分辨率過低的難題。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

試驗采場位于92＃礦體的四盤區(qū)，204～206＃線之間，垂直標(biāo)高在440～510m之間，礦體受地層巖性及構(gòu)造雙重控制，并同地層呈同步褶皺，礦體南高北低。為了測量空區(qū)整體形態(tài)、有效減小盲區(qū)，采用延長桿將掃描主機(jī)伸入空區(qū)，保證空區(qū)測量的完整性和準(zhǔn)確性，為空區(qū)治理、殘礦回采提供準(zhǔn)確的空間數(shù)據(jù)資料。

試驗過程中，分別采用BLSS－PE和C－ALS掃描空區(qū)，如圖4所示。

BLSS－PE采用0.5°自適應(yīng)掃描方式測量空區(qū)，8min完成空區(qū)整體三維形態(tài)測量，測量結(jié)果如圖5所示。

為了驗證自主研發(fā)的BLSS－PE測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，使用英國C－ALS掃描同一空區(qū)三維形態(tài)。采用0.5°掃描，歷時80min完成空區(qū)三維系統(tǒng)測量，測量結(jié)果如圖6所示。

將BLSS－PE和C－ALS測量結(jié)果進(jìn)行對比，BLSS－PE測量點云數(shù)據(jù)分布均勻，噪聲點少，三維重建結(jié)果真是，并與礦方提供歷史數(shù)據(jù)資料相符；CALS測量點云數(shù)據(jù)噪聲點多，空區(qū)底部數(shù)據(jù)較少，三維重建出的結(jié)果不真實，而且測量時間長。

4 結(jié)論

自主研制的BLSS－PE礦用三維激光掃描測量系統(tǒng)測量效果準(zhǔn)確、空間點云分布均勻、性能穩(wěn)定，并能井下自主供電，測量靈活性強(qiáng)?？删_測量復(fù)雜殘留礦體及采空區(qū)三維形態(tài)，為礦山采空區(qū)綜合信息的獲取提供了可視化手段，并且將空區(qū)體積、頂板面積、空區(qū)實際邊界和貧化損失等參數(shù)用量化指標(biāo)準(zhǔn)確地表達(dá)出來，改變了以往只能憑主觀經(jīng)驗估算的方法，建立了空區(qū)信息數(shù)據(jù)庫，對殘礦回采和采空區(qū)綜合治理具有重要的意義。

圖4 測量方法

圖5 BLSS－PE測量結(jié)果

圖6 C－ALS測量結(jié)果

［1］李現(xiàn)區(qū).復(fù)雜空區(qū)中殘留礦體安全開采技術(shù)的研究與實踐［J］.金屬礦山，2010（6）：30－33.

［2］張海磊，孫嘉，王成財，等.露天地下聯(lián)合開采空區(qū)殘留礦石［J］.金屬礦山，2014（3）：31－35.

［3］李振振.地采殘留礦石的回收［J］.現(xiàn)代礦業(yè)，2012（7）：67－68.

［4］馬玉濤，彭威.采空區(qū)三維激光掃描系統(tǒng)C＿ALS及其在安慶銅礦的應(yīng)用［J］.有色金屬：礦山部分，2013，65（3）：1－3，12.

［5］王運敏，劉海林，孫國權(quán)，等.CMS實測地下礦采空區(qū)建模及穩(wěn)定性分析研究［J］.金屬礦山，2009（8）：5－9.

［6］余樂文，張達(dá)，余斌，等.礦用三維激光掃描測量系統(tǒng)的研制［J］.金屬礦山，2012（10）：101－103，107.

Study on detection technique of residual ore－body in complex mined－out area

YU Le－wen1，2，ZHANG Da1，2，ZHANG Yuan－sheng1，2，WANG Li－gang1，2
（1.Beijing General Research Institute of Mining and Metallurgy，Beijing 102600，China；2.Beijing Key Laboratory of Nonferrous Intelligent Mining Technology，Beijing 102600，China）

The cavity shape of remnant ore is unknown，harsh environment，no one can enter，and so on.In order to recover the residual ore，using self－developed three－dimensional laser scanner of BLSS－PE to measurement the shape of cavity，and compared with the British C－ALS.The results showed that BLSS－PE can accurately and efficiently measuring the cavity，and providing data support for the residual ore mining.

remnant ore；cavity；detection；C－ALS

余樂文（1984－），男，漢族，福建三明人，碩士，工程師，主要從事礦山智能儀器儀表開發(fā)。E－mail：yulewen＠bgrimm.com。

TD178

A

1004－4051（2014）S2－0222－03

2014－09－23

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃資助（編號：2011AA060405）；國家國際科技合作專項項目資助（編號：2011DFA71990）；國家科技支撐計劃項目資助（編號：2012BAB01B04；2012BAK09B03）