張金柱， 彭府華

(1.洛陽欒川鉬業(yè)集團股份有限公司， 河南 洛陽市 471500； 2.長沙礦山研究院有限責任公司，湖南 長沙 410012； 3.國家金屬采礦工程技術研究中心， 湖南 長沙 410012)

0 引 言

20世紀八九十年代，受大量私人民采等其它混亂開采影響，導致我國地下礦山出現大量采空區(qū)，礦體變得千瘡百孔。21世紀國家開始陸續(xù)禁止這些不正規(guī)的私人開采，并開始對資源進行整合，統(tǒng)一規(guī)劃開采。前期混亂開采形成的采空區(qū)給后期開采帶來了嚴重的安全隱患。這些采空區(qū)的位置和形態(tài)往往很難確定，這是由于前期私人開采不規(guī)范，設計資料不全，甚至沒有設計資料，同時，經過長時間的雨水和自然作用等影響，地下采空區(qū)出現垮塌，相互貫通等現象[1-2]。

為了合理回收殘礦資源，近年來出現了許多“地下轉露天開采”的礦山，這種方法可以實現厚大殘礦資源的高效回采，但同時前期地下開采形成的采空區(qū)也給露天開采帶來了更大的安全隱患。由于地下采空區(qū)位置和形態(tài)不明，很可能發(fā)生開采臺階突然垮塌，造成在其上方作業(yè)的設備和人員出現傷亡事故。因此，如何提前確定露天開采境界下方采空區(qū)的位置和形態(tài)是進行安全生產的重中之重。本文介紹了三維激光掃描技術在三道莊礦空區(qū)探測中的應用，意在解決礦山不明采空區(qū)探測問題，同時為國內外其它相似礦山提供參考。

1 工程背景

三道莊礦位于河南省欒川縣，礦山從20世紀六十年代開采進行地下開采，八九十年代出現了幾十家單位同時開采的混亂局面，2002年后開始對資源進行整合并統(tǒng)一規(guī)劃開采。根據礦體的賦存條件以及前期開采情況，制定了露天開采方案。前期地下開采形成了約1800萬m3，面積120萬m2的采空區(qū)，這些采空區(qū)具有以下特點：

(1) 由于缺乏設計資料，很多采空區(qū)位置和形態(tài)不明確；

(2) 由于前期地下開采區(qū)域礦石品位高，設計預留部分礦柱被偷采，導致采空區(qū)與設計資料不符；

(3) 受長期雨水、自然風化和爆破震動等因素影響，部分礦柱發(fā)生了垮塌，導致采空區(qū)貫通現象嚴重。

露天境界下方存在大量采空區(qū)給露天開采帶來了極大的安全隱患，2005年以后，地表臺階發(fā)生多次垮塌，塌陷面積達40萬m2，最大塌陷深度達80 m，造成了人員傷亡和設備損失等安全事故。因此，提前對開采境界下方采空區(qū)進行精確探測是三道莊礦安全生產的前提和重中之重[3-5]。

2 三維激光掃描技術簡介[6-8]

2.1 三維激光掃描技術原理

三維激光掃描技術是建立在激光測距原理基礎上，掃描過程中，三維激光掃描儀發(fā)射出一束激光脈沖，激光到達空區(qū)邊界后反射回儀器，記錄激光到達時間T，同時激光掃描儀可以任意旋轉激光脈沖橫向掃描角度值β和縱向掃描角度值α(見圖1)。通過建立坐標系統(tǒng)，由此可以得到目標點P點的坐標計算公式。

激光發(fā)射點O距離目標點P的距離L為：

L=1/2cT

式中，c為激光在大氣中的傳播速度；T為激光發(fā)射后到達目標點反射返回的傳播時間。

待測目標點的坐標為：

式中，L為激光發(fā)射點距離待測目標點的距離；α為激光縱向掃描角度值；β為激光橫向掃描角度值。

圖1 三維激光掃描原理

2.2 三維激光掃描系統(tǒng)

三道莊礦為了解決采空區(qū)探測問題，從英國MDL公司引進了一套采空區(qū)三維激光自動掃描系統(tǒng)C-ALS。該系統(tǒng)可以將激光探頭通過鉆孔進入到空區(qū)內部進行掃描，掃描儀內置導航模塊，可測量空區(qū)內探頭的位置和方向。掃描儀可以360°全方位無盲區(qū)掃描，設計的水平和垂直掃描方式可以確保對采空區(qū)整個空間的掃描，表1為C-ALS系統(tǒng)技術參數。通過自帶的軟件可以得到采空區(qū)的三維模型，并可以和CAD、Dimine和Surpac等常用數字礦山軟件進行對接。

表1 C-ALS系統(tǒng)技術參數

3 三維激光掃描技術應用實踐

3.1 空區(qū)掃描過程

將三維激光掃描頭通過連接桿放入鉆孔中，通過攝像頭視頻查看掃描頭是否進入采空區(qū)內，當掃描頭進入采空區(qū)后開始掃描(見圖2)。掃描方式一般有水平方向和垂直方向掃描，為了保證空區(qū)掃描的準確性，每次空區(qū)掃描時都要進行水平方向和垂直方向掃描，掃描步長增量為1°，掃描獲得的數據將保存至掃描控制儀中。

圖2 空區(qū)三維激光掃描

3.2 空區(qū)三維模型建立

將現場掃描獲得的采空區(qū)數據導入CavityScan 軟件中進行處理，可以得到采空區(qū)的三維包絡圖(見圖3)。

同時，還可以將數據導入CAD、3Dmine等常用的數字礦山軟件中，獲得采空區(qū)的三維模型。圖4是通過將掃描獲得的數據導入3Dmine中得到的三道莊礦采空區(qū)三維模型圖。由此可以為礦山采空區(qū)穩(wěn)定性分析、采空區(qū)處理、臺階生產爆破設計提供直接技術參數，對于礦山安全生產具有重要的作用。

圖3 采空區(qū)三維包絡

圖4 三道莊礦采空區(qū)三維模型

4 結 論

(1) 三道莊礦受前期地下混亂開采影響，在露天開采境界下方存在大量不明采空區(qū)，給露天開采帶來了極大的安全隱患，如何實現采空區(qū)的快速精確探測是礦山安全生產的重中之重。

(2) 三維激光掃描技術具有測量精度高、操作簡單等特點，通過360°無盲區(qū)掃描，可快速準確地獲得采空區(qū)位置、大小和形狀等參數。

(3) 通過將掃描獲得的采空區(qū)數據導入CAD、3Dmine等常用數字礦山軟件中，得到了三道莊礦采空區(qū)三維模型，為后續(xù)采空區(qū)穩(wěn)定性分析、采空區(qū)處理、臺階生產爆破設計等提供了直接技術參數，對于礦山安全生產具有重要的作用。

參考文獻：

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