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        基于無人機航測技術的露天礦山采空區(qū)精細化驗收

        2021-08-11 07:46:18張兵兵許龍星張崗濤
        金屬礦山 2021年7期
        關鍵詞:露天礦采空區(qū)精細化

        張兵兵 許龍星 張 璞 張崗濤

        (宏大爆破工程集團有限責任公司,廣東 廣州 510623)

        露天礦山遺留的采空區(qū)給安全管理工作帶來了極大的挑戰(zhàn),針對采空區(qū)處理,三維激光掃描儀、綜合物探技術、高密度電法以及綜合探測等技術被應用于采空區(qū)的精密探測[1-4],為獲取隱伏采空區(qū)的位置及相關參數(shù)提供了極大幫助,有助于準確分析采空區(qū)潛在的危害程度。在采空區(qū)處理的安全評價方面,數(shù)值模擬軟件如FLAC3D、ANSYS等,被應用于分析采空區(qū)處理前后的安全處理效果評價[5-6];在工程實踐中,采空區(qū)充填率和遺留采空區(qū)體積等相關指標的可操作性更強,崔曉榮等[7]認為在充填率大于85%時,表明采空區(qū)在爆破作用下的處理效果良好。在實際情況中,露天礦山采空區(qū)處理效果評價主要采用的是經(jīng)驗法,通過觀察爆堆的宏觀外在表象,分析采空區(qū)坍塌程度,判定其是否處于安全狀態(tài)。經(jīng)驗法主要依賴于技術管理人員的現(xiàn)場工作經(jīng)驗,具有一定的局限性,難以實現(xiàn)精細化評價與驗收,故需要引入更為有效的技術手段。

        無人機航測技術在采空區(qū)等重大安全隱患的排查與分析方面,具有安全性好、可靠性高、效率高等顯著優(yōu)勢,可真實反映被測區(qū)域的地形地貌三維信息,已被廣泛應用于露天礦山開采設計與安全管理領域[8-10]。在無人機精度評估方面,三維模型精度、成圖結果精度是評估的主要方面;章夢霞等[11]分析了露天礦區(qū)特點,采用低空無人機遙感測繪技術生成了礦山的三維數(shù)字模型,滿足1∶2 000比例尺成圖精度要求。馮雅秀[12]討論了傾斜攝影建模、三維重構及精度評估的指標,通過工程實踐,認為航測精度如三維模型精度、DSM及DOM精度均符合三維建模要求。在無人機數(shù)據(jù)處理方面,康玉霄等[13]詳細分析了無人機數(shù)據(jù)處理流程及關鍵技術細節(jié),包括航線規(guī)劃、像控點布置、數(shù)據(jù)解算與模型分析,為有序開展無人機航測工作提供了參考。上述研究表明:通過無人機航測技術得到的三維模型精度滿足實際生產(chǎn)需求,已成功應用于露天礦山的生產(chǎn)實踐中。

        通過查閱相關文獻發(fā)現(xiàn),無人機航測技術在采空區(qū)方面的應用研究相對較少,尤其是在采空區(qū)處理效果評定方面。通過應用無人機航測技術,可得到采空區(qū)爆前爆后兩期真實三維數(shù)據(jù),進行影像模型信息與實際處理效果的匹配分析,有助于實現(xiàn)采空區(qū)的精細化評價與驗收,為此,本研究結合實例對此進行分析。

        1 采空區(qū)處理效果精細化驗收的內(nèi)涵

        現(xiàn)階段,尚缺乏爆破處理后露天礦山采空區(qū)評價的相關標準與規(guī)范;在工程實踐方面,采空區(qū)充填率與遺留采空區(qū)體積作為主要的評價指標,兩者是通過公式計算得到相應的參數(shù),對比分析采空區(qū)處理前后的數(shù)據(jù),進而判定爆破后的采空區(qū)充填效果。

        相比于傳統(tǒng)的采空區(qū)處理效果驗收方法,基于無人機航測技術的露天礦山采空區(qū)精細化驗收,不僅僅通過外在現(xiàn)象進行評定,其“精細化”主要體現(xiàn)在:①通過無人機航測獲取采空區(qū)爆前爆后兩期三維模型,三維可視化效果好,帶有真實三維點云信息,安全可操作性好,細節(jié)紋理豐富;帶有高程點信息,能夠詳細地反映采空區(qū)爆前爆后的空間形態(tài)變化;②采空區(qū)反映在爆區(qū)三維模型中,使得采空區(qū)與爆區(qū)地形一一對應,通過對比兩期三維模型,采空區(qū)的真實爆破處理效果得以清晰地展示;③通過在三維模型中圈定采空區(qū)的范圍及對比爆后的實際效果,有助于提高采空區(qū)處理效果評價的可靠性;④基于無人機航測得到的影像及三維模型信息,結合現(xiàn)場實際處理效果及實際挖裝反饋情況,可從多個方面綜合評判采空區(qū)的實際處理效果。

        為有效分析地采轉露天復采礦山采空區(qū)的崩落爆破處理效果,需綜合以下信息進行綜合評定:①爆破后盲采空區(qū)及廢棄巷道所在區(qū)域的崩落充填情況;②無人機錄制的爆破處理視頻影像及多角度航拍影像信息;③實際挖裝作業(yè)是否出現(xiàn)異常情況。

        2 工程概況

        大寶山礦早先主要采用空場法崩落采礦,產(chǎn)生了較多的采空區(qū)及巷道,雖然大部分采空區(qū)采用了廢石充填,但也遺留了較多未經(jīng)處理的采空區(qū);并且早期礦山民采、盜采現(xiàn)象管控較難,造成礦石品位較高的區(qū)域存在一些無開采設計資料的盲采空區(qū)。后期為了提高資源回收率和安全生產(chǎn)管理水平,采用了露天開采模式,故這些遺留的有資料及無資料的采空區(qū)對采場安全生產(chǎn)帶來了較大威脅。

        計劃爆破處理的649 m北部平臺下方存在廢棄的640 m平硐,由于此處礦石品位較高且地質(zhì)資料不全,按照“有疑必探,先探后采”的原則,在可疑區(qū)域提前安排一個25 m深的探孔,鉆至17.8 m時,出現(xiàn)打穿現(xiàn)象,空洞深度為3.4 m。及時采用三維激光掃描儀(C-ALS)進行了探測,掃描發(fā)現(xiàn)采空區(qū)頂板為641.1 m,底板為631.5 m,頂板距離640 m平硐最薄處厚度僅為5 m,查閱原始資料顯示該采空區(qū)無相應的地質(zhì)資料,故判定為盲采空區(qū)。相關參數(shù)如表1所示,640 m平硐及盲采空區(qū)所在的范圍如圖1所示。

        長沙礦山研究院有限責任公司前期在大寶山露天礦進行采空區(qū)大面積探測及潛在危險性分析時,經(jīng)過大量數(shù)據(jù)驗算,總結給出了較為貼合大寶山露天采場采空區(qū)實際情況的保安層經(jīng)驗公式。探孔作業(yè)時鉆孔巖芯完整,相應的保安層公式為

        h=0.71b-1.02,

        式中,h為保安層厚度,m;b為最大跨度,m。

        計算得h=6.44 m,故認為盲采空區(qū)相對安全,計劃在649 m層面隨臺階爆破協(xié)同處理,為下部平臺的持續(xù)推進及盤活東西幫道路奠定基礎。

        3 無人機航測技術應用

        為了高效準確地判定爆破崩落后的盲采空區(qū)及廢棄巷道的處理效果,利用無人機進行了兩期航測,即爆破前和爆破后,相應的作業(yè)流程如圖2所示。

        3.1 外業(yè)航測

        本研究采用的大疆精靈4 RTK無人機為小型四旋翼高精度航測無人機,具備厘米級導航定位系統(tǒng)和高性能成像系統(tǒng),搭載高清攝像頭,在低空攝影測量應用方面優(yōu)勢明顯。在航測區(qū)域規(guī)劃方面[14-15],采用5向航線飛行,軟件會自動在計劃航測區(qū)域的基礎上進行適度擴大,以確保傾斜攝影得到的航測數(shù)據(jù)真實可靠。

        考慮到大寶山露天礦山649 m水平以上為山坡式開采,649 m水平以下為凹陷式開采,為了確保航測安全及數(shù)據(jù)可靠性,本次航測高度定為100 m,重疊率設計為85%,測區(qū)規(guī)劃如圖3所示。像控點布置兼顧測區(qū)的平面和高程精度需要,在爆區(qū)東側、西側、北側、南側各布置了1個1 m×1 m的像控布[16],如圖4所示。同時在爆區(qū)鄰近的南側布置了2個檢查點,為了保證像控點及檢查點坐標信息真實可靠,采用RTK連續(xù)進行了10次測量,測量時要求居中對齊,確保多次測量數(shù)據(jù)的x、y、z坐標誤差在毫米級,確保不會對像控點進行誤測,而影響到后期數(shù)據(jù)分析,取10次數(shù)據(jù)的平均值作為實測值。

        按照設定的5向航線自動航測,耗時30 min后獲取了454幅高清色彩分明且自帶POS數(shù)據(jù)的爆區(qū)原始影像;爆破結束后,及時獲取了649 m臺階爆破后的453幅高清色彩分明且自帶POS數(shù)據(jù)的影像。

        3.2 內(nèi)業(yè)處理

        本次獲取的航測數(shù)據(jù)采用Context Capture軟件逐一進行三維建模,具有操作簡單、處理精度高等優(yōu)勢,廣泛應用在傾斜攝影三維建模中。通過自帶POS數(shù)據(jù)影像初始化、像控點刺點、空三解算、模型重建等步驟,得到了兩期對應的三維模型數(shù)據(jù)。

        3.2.1 誤差分析

        在三維模型中,像控點清晰可見,如圖5所示。在生成的三維模型質(zhì)量報告中,通過對獲取的各種誤差種類信息進行綜合判斷,發(fā)現(xiàn)誤差值很?。ū?)。

        由表2可知:采用單鏡頭5向傾斜攝影測量后,三維模型全局中值誤差僅為0.2 cm,分辨率較高,X、Y、Z方向的誤差值均較??;4個像控點射線距離均方根誤差為0.1~0.2 mm,誤差整體較小。同時,通過分析現(xiàn)場布置的2個相鄰檢查點的實測值與三維模型生成的二維地形圖對應的坐標值,發(fā)現(xiàn)X方向相差0.002 m,Y方向一致,Z方向相差4 cm。經(jīng)過精度檢校后,綜合判斷認為符合1∶500地形圖制圖要求,表明將三維模型信息轉化為二維地形信息時,精度較高,為評價采空區(qū)爆破處理效果奠定了基礎。

        3.2.2 兩期模型對比

        為了更好地分析三維模型數(shù)據(jù)信息,將盲采空區(qū)及廢棄巷道的點位數(shù)據(jù)導入IData軟件,實現(xiàn)測量點位數(shù)據(jù)與三維模型的套合,可在三維模型上顯示盲采空區(qū)及廢棄巷道的相關信息,同時將爆區(qū)外側炮孔連線導入至模型中,對應的兩期模型如圖6所示。

        4 采空區(qū)處理效果評價與驗收

        4.1 崩落充填情況分析

        在采空區(qū)評價方面,需要獲取相應的數(shù)據(jù),而傳統(tǒng)的人工測量的隨機性較大,準確性難以保證。通過應用無人機航測,實現(xiàn)采空區(qū)覆蓋范圍的完整數(shù)據(jù)收集,數(shù)據(jù)采集的精細化程度得以提高[17],精細化評價的可靠性得以保證。

        在IData軟件中,通過導入爆前和爆后兩期盲采空區(qū)及廢棄巷道的三維模型信息,獲取崩落爆破后的高程點變化情況,如圖7所示,同時考慮爆破后巖石的松散系數(shù)(取1.3),綜合分析得到實際采空區(qū)爆后的充填程度。由于該采空區(qū)有側向自由面,與無自由面的采空區(qū)強制崩落直接充填形成爆坑相比,存在差異性,故需要考慮相應區(qū)域巖石在爆破作用下的實際推出距離。

        盲采空區(qū)平均高度為4 m,最大高度為9 m,按照間排距6.5 m×4.0 m、炮孔平均深度17.6 m、最小抵抗線為4 m的布置方式,綜合考慮松散系數(shù)1.3及前排炮孔15 m的推進距離,盲采空區(qū)所在區(qū)域高程應降低3 m左右;而盲采空區(qū)布孔處的實際高程為651.8~653.9 m,盲采空區(qū)爆后高程為650.3~651.3 m,通過兩期高程信息比對發(fā)現(xiàn),高程降低了1.5~2.6 m;充填相對高度增加率為110%~200%,表明盲采空區(qū)得到了有效充填。

        4.2 基于爆破前后影像的采空區(qū)處理效果分析

        通過無人機在爆破推進方向近距離錄制的爆破視頻,發(fā)現(xiàn)巖石推出距離整體上符合預期,盲采空區(qū)及廢棄巷道所在位置處,在爆破的瞬間存在顯著的塌陷及廢石充填現(xiàn)象;在爆后現(xiàn)場檢查時,也發(fā)現(xiàn)兩者與臺階的正常區(qū)域存在明顯區(qū)別,有顯著的下沉現(xiàn)象,推進現(xiàn)象不明顯,局部存在充填情況,這與采空區(qū)的不規(guī)則形狀、范圍、高度不一及巖石的松散系數(shù)有關。無人機拍攝的采空區(qū)處理后高清影像(圖8)顯示,在爆破的作用下,采空區(qū)得到了有效充填。

        4.3 采空區(qū)挖裝情況

        為了確保挖裝作業(yè)安全高效進行,在該盲采空區(qū)開始挖裝作業(yè)前,技術人員提前圈定標注了盲采空區(qū)及廢棄巷道所在范圍,并對挖機人員及現(xiàn)場管理人員進行了相應的技術交底工作。在此區(qū)域施工時采取由外向內(nèi)的試探挖裝,現(xiàn)場實際挖裝中未出現(xiàn)空洞及其他異常情況,表明采空區(qū)得到了有效治理,較好地消除了該作業(yè)區(qū)域的安全隱患。

        5 結 論

        (1)盲采空區(qū)嚴重威脅著露天礦山的安全生產(chǎn)工作,如何有效評價與驗收盲采空區(qū)在崩落爆破后的實際處理效果,顯得尤為重要。采用無人機航測技術評價采空區(qū)處理效果,分析了采空區(qū)精細化驗收內(nèi)涵,并從充填程度、爆破影像、實際挖裝情況3個方面綜合評價了盲采空區(qū)處理效果。

        (2)采用大疆精靈4 RTK無人機進行低空100 m高重疊率的5向航線航測,通過兩期外業(yè)航測與內(nèi)業(yè)處理,得到了盲采空區(qū)爆前及爆后兩期三維模型,經(jīng)過精度檢校發(fā)現(xiàn),誤差滿足1∶500地形圖制圖要求,可靠性較好。

        (3)采用IData軟件計算得到的盲采空區(qū)高程明顯下降,充填相對高度增加率為110%~200%,再結合無人機獲取的多角度航拍影像及挖裝的實際情況,驗證了649 m平臺的盲采空區(qū)得到了有效處理,表明無人機航測技術在采空區(qū)精細化驗收評價方面有一定的應用前景。

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