況丹陽 徐建龍 趙江波

(1.山東黃金礦業(yè)(萊州)有限公司三山島金礦；2.中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)學(xué)院；3.山東黃金礦業(yè)(玲瓏)有限公司)

三維激光掃描技術(shù)在中深孔采礦中的應(yīng)用

況丹陽1,2徐建龍3趙江波3

(1.山東黃金礦業(yè)(萊州)有限公司三山島金礦；2.中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)學(xué)院；3.山東黃金礦業(yè)(玲瓏)有限公司)

三山島金礦深部中深孔采礦關(guān)鍵技術(shù)試驗(yàn)中，回采輪廓、損失貧化等難以使用全站儀進(jìn)行精確確定，導(dǎo)致二步回采炮孔設(shè)計(jì)及爆破設(shè)計(jì)缺乏數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。為此，采用BLSS-PE礦用三維激光掃描儀對(duì)采空區(qū)輪廓進(jìn)行掃描，掃描結(jié)果經(jīng)專業(yè)軟件處理后得到了爆破落礦量、爆破效果與設(shè)計(jì)比對(duì)圖、二步回采爆破邊界圖等，為二步回采炮孔設(shè)計(jì)及爆破設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

中深孔采礦 三維激光掃描技術(shù) 三維可視化 炮孔設(shè)計(jì) 爆破設(shè)計(jì)

目前，三山島金礦是我國機(jī)械化程度最高的地下開采黃金礦山，采用豎井加斜坡道聯(lián)合開拓方式，采礦方法主要為機(jī)械化盤區(qū)房柱交替上升充填采礦法、上向?qū)掃M(jìn)路充填采礦法以及上向機(jī)械化水平分層充填采礦法。隨著礦山進(jìn)一步的擴(kuò)產(chǎn)改造，生產(chǎn)規(guī)模持續(xù)增大，為適應(yīng)現(xiàn)有采礦規(guī)模，該礦在深部17#中段進(jìn)行了中深孔關(guān)鍵技術(shù)研究?，F(xiàn)階段對(duì)該礦驗(yàn)后采場(chǎng)空區(qū)形態(tài)的掃描步驟有：①采用全站儀對(duì)采場(chǎng)內(nèi)的有效點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)采場(chǎng)設(shè)計(jì)進(jìn)行平面和剖面的復(fù)合；②根據(jù)實(shí)際得到的平剖面計(jì)算采場(chǎng)損失貧化、采礦體積等參數(shù)。該計(jì)算方法僅能計(jì)算出1組損失貧化及采礦量數(shù)據(jù)，適用于頂板較安全、人員能夠自由出入的采空區(qū)。在三山島金礦中深孔爆破空區(qū)輪廓掃描時(shí)，由于頂板高達(dá)15 m，頂幫危石無法處理，使用全站儀測(cè)量無法獲得現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)輪廓信息，因而準(zhǔn)確計(jì)算回采礦量、損失貧化等參數(shù)難度較大。為此，引入BLSS-PE礦用三維激光掃描儀進(jìn)行采場(chǎng)三維空間掃描。

1 BLSS-PE礦用三維激光掃描儀

BLSS-PE礦用三維激光掃描儀通過三維掃描技術(shù)，能夠快速、精確獲取物體表面海量三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)[1-4]，可為礦山提供快速、高精度的三維空間測(cè)量解決方案，在精細(xì)化采礦設(shè)計(jì)、爆破效果評(píng)價(jià)、出礦量計(jì)算、井巷工程驗(yàn)收、礦山三維高精度建模等應(yīng)用中優(yōu)勢(shì)明顯[4-6]。該型礦用三維激光掃描儀部分性能指標(biāo)見表1。

表1 礦用三維激光掃描儀性能指標(biāo)

2 掃描數(shù)據(jù)獲取及后期處理

2.1 掃描數(shù)據(jù)獲取

三山島金礦17#中段位于深部-780 m中段北翼，1#南翼采場(chǎng)設(shè)計(jì)有1個(gè)切割槽，14排爆破孔，設(shè)計(jì)規(guī)格24 m×7 m×15 m，設(shè)計(jì)總采礦量7 005 t。在1#南翼采場(chǎng)回采結(jié)束后，由于爆破空間較大，頂幫危石無法處理，人員不允許進(jìn)入，使用全站儀從下盤出礦巷及南北兩翼出礦巷進(jìn)行有效點(diǎn)掃描，經(jīng)分析，由于掃描點(diǎn)數(shù)量較少無法形成有效的剖面輪廓圖。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘查，現(xiàn)場(chǎng)下盤爆破面不整齊，一次測(cè)量易存在部分盲區(qū)，故在現(xiàn)場(chǎng)新南北兩翼進(jìn)行2次掃描，可杜絕掃描盲區(qū)。為獲取精準(zhǔn)數(shù)據(jù)，選擇了0.5°的分辨率進(jìn)行掃描，每次掃描耗時(shí)約9 min，2次掃描共獲取坐標(biāo)點(diǎn)約40萬個(gè)，得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)見圖1。為獲取點(diǎn)云的三維空間絕對(duì)坐標(biāo)，采用全站儀獲取激光掃描儀的絕對(duì)坐標(biāo)及方位。

圖1 掃描點(diǎn)云

2.2 掃描數(shù)據(jù)后期處理

2.2.1 三維實(shí)體模型構(gòu)建

通過專業(yè)3D軟件對(duì)2次獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行絕對(duì)坐標(biāo)的定位及拼接，結(jié)果見圖2。

圖2 2次掃描點(diǎn)云拼接結(jié)果

點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)處理形成線框模型，據(jù)此可進(jìn)行三維重建獲得三維實(shí)體模型，見圖3。

圖3 三維實(shí)體模型

通過該三維實(shí)體模型，可準(zhǔn)確計(jì)算整個(gè)采空區(qū)的體積。3D軟件系統(tǒng)一般采用構(gòu)建塊體模型的方式計(jì)算三維實(shí)體模型體積，采用微小塊體將三維模形分割后得到精確的體積數(shù)據(jù)，進(jìn)而得到準(zhǔn)確的回采量。塊體模型如圖4所示。

圖4 塊體模型

2.2.2 爆破斷面輪廓獲取

將三維實(shí)體模型沿爆破設(shè)計(jì)方向剖切，可準(zhǔn)確獲取爆破效果、超爆、欠爆等相關(guān)信息。將剖切面與爆破設(shè)計(jì)圖進(jìn)行復(fù)合，提取單個(gè)剖切面可得到每個(gè)爆破設(shè)計(jì)平面與爆破后輪廓的對(duì)比信息。其中，第3排，第15排的爆破設(shè)計(jì)與爆破后的對(duì)比結(jié)果見圖5。

由圖5可直觀地獲得爆破剖面的超采、欠采信息，進(jìn)一步分析認(rèn)為前期爆破下盤存在超采現(xiàn)象，后期由于施工熟練，炮孔控制較好，爆破效果也得到了提升，在對(duì)下盤二步回采炮孔設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)調(diào)整炮孔深度，防止炮孔打入充填體導(dǎo)致發(fā)生卡鉆、堵釬桿等事故，避免充填體因爆破擾動(dòng)而發(fā)生塌落，導(dǎo)致貧化率增加甚至發(fā)生安全事故。

圖5 爆破設(shè)計(jì)與爆破后輪廓信息對(duì)比

3 結(jié) 語

中深孔采礦試驗(yàn)是三山島金礦深部關(guān)鍵技術(shù)研究項(xiàng)目的重點(diǎn)部分，三維激光掃描相對(duì)于全站儀掃描具有突出的優(yōu)勢(shì)，本研究利用三維激光掃描技術(shù)獲取了大量的試驗(yàn)參數(shù)，準(zhǔn)確分析了試驗(yàn)采場(chǎng)的落礦量、損失貧化率、超采欠采等信息，并且繪制了二步回采剖面線的輪廓圖，對(duì)于后續(xù)二步回采的炮孔布置設(shè)計(jì)及爆破設(shè)計(jì)有一定的參考價(jià)值。

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2015-09-08)

況丹陽(1988—)，男，助理工程師，碩士研究生，261442 山東省萊州市三山島街道崇明路1號(hào)。