張馳， 崔林鵬， 冀虎， 李建

（1.礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 100162；2.國(guó)家金屬礦綠色開采國(guó)際聯(lián)合研究中心，北京 102628；3.北京同邦創(chuàng)力科技發(fā)展有限公司，北京 100070；4.安徽馬鋼羅河礦業(yè)有限責(zé)任公司，合肥 231500）

0 引 言

地下礦山采場(chǎng)爆破效果受巖石條件、炮孔網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)參數(shù)以及鉆孔爆破施工質(zhì)量等多方面因素的影響，較難控制[1-5]。在局部巖性變化較大的區(qū)域?qū)嵤┍坪笮纬傻牟煽諈^(qū)邊界往往較設(shè)計(jì)邊界存在較大誤差，明顯的超欠挖問題嚴(yán)重影響2階段回采礦山二步驟礦房的回采效果，繼而導(dǎo)致礦房較大的損失貧化[6-12]。因此，及時(shí)掌握采空區(qū)的邊界情況，對(duì)于科學(xué)評(píng)估采場(chǎng)爆破效果并指導(dǎo)相鄰礦房的回采設(shè)計(jì)意義重大。

目前國(guó)內(nèi)外的相關(guān)技術(shù)人員針對(duì)地下礦山回采過(guò)程中面臨的超欠挖問題紛紛提出了相應(yīng)的解決方案，其中具有代表性的是智能掃描測(cè)量設(shè)備的應(yīng)用[13-15]。羅周全等利用CMS三維（3D）激光掃描測(cè)量系統(tǒng)對(duì)凡口鉛鋅礦采空區(qū)進(jìn)行了掃描建模，通過(guò)模型間的布爾運(yùn)算計(jì)算出采場(chǎng)存留礦量、回采總體積及采下廢石量等，實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模采場(chǎng)回采指標(biāo)的可視化計(jì)算[16]；李建等利用BLSS-PE礦用三維激光掃描測(cè)量系統(tǒng)對(duì)地下鐵礦采空區(qū)進(jìn)行了測(cè)量，計(jì)算了采場(chǎng)的超欠挖體積，明確了采空區(qū)邊界對(duì)降低礦房貧化和損失指標(biāo)的重要意義[17]；余樂文等利用BLSS-PE三維激光掃描測(cè)量系統(tǒng)對(duì)采空區(qū)邊界進(jìn)行了精細(xì)化探測(cè)，確定了不同中段間采空區(qū)分布的空間位置關(guān)系，為實(shí)施殘礦回采提供了數(shù)據(jù)支撐[18]；馬玉濤等利用C-ALS鉆孔式三維激光掃描測(cè)量系統(tǒng)對(duì)安慶銅礦某空區(qū)進(jìn)行了掃描建模工作，計(jì)算了采空區(qū)的體積，并為采空區(qū)充填設(shè)計(jì)提供了重要依據(jù)[19]；邱振華等利用C-ALS鉆孔式三維激光掃描測(cè)量系統(tǒng)對(duì)大寶山隱蔽采空區(qū)進(jìn)行了探測(cè)，精確獲取了采空區(qū)頂板邊界，為崩落頂板處理采空區(qū)提供了關(guān)鍵數(shù)據(jù)[20]?？傮w而言，上述先進(jìn)技術(shù)裝備的使用在一定程度上提高了采空區(qū)邊界透明化管理的水平，但由于目前采用的測(cè)量系統(tǒng)均為固定式掃描形式，對(duì)于一些由于采場(chǎng)超欠挖而造成的采空區(qū)邊界遮擋很難做到一次掃描即完成整個(gè)采空區(qū)數(shù)據(jù)的采集，在不具備多點(diǎn)位掃描的情況下，遺漏的數(shù)據(jù)往往屬于超欠挖的區(qū)域，直接影響采場(chǎng)貧化和損失指標(biāo)評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性。因而，如何獲取完整的采空區(qū)邊界信息成為新的技術(shù)難題。

無(wú)人機(jī)載三維激光掃描測(cè)量系統(tǒng)的出現(xiàn)從根本上改變了這一現(xiàn)狀[21-23]，該系統(tǒng)為移動(dòng)式三維激光掃描儀與無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)的結(jié)合體，通過(guò)將掃描儀掛載至無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)式掃描儀與無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)間的數(shù)據(jù)共享。在手動(dòng)控制或自主飛行狀態(tài)下飛入采空區(qū)內(nèi)部完成采空區(qū)數(shù)據(jù)的掃描采集，實(shí)時(shí)返回的測(cè)量數(shù)據(jù)可供判斷是否存在掃描盲區(qū)，以便調(diào)整無(wú)人機(jī)飛行位置，及時(shí)補(bǔ)充采空區(qū)邊界點(diǎn)云數(shù)據(jù)以達(dá)到較好的掃描效果。

文中采用Hovermap無(wú)人機(jī)載三維激光掃描測(cè)量系統(tǒng)對(duì)羅河鐵礦地下采空區(qū)進(jìn)行了掃描測(cè)量試驗(yàn)研究，快速獲取了該礦山相鄰一步驟采場(chǎng)的完整采空區(qū)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并建立了三維模型。在此基礎(chǔ)上分析了采場(chǎng)超欠挖情況，為礦山開展二步驟采場(chǎng)的穿孔設(shè)計(jì)提供了詳實(shí)的數(shù)據(jù)，為后期礦山降低回采過(guò)程采場(chǎng)貧化和損失指標(biāo)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

1 Hovermap系統(tǒng)簡(jiǎn)介

Hovermap無(wú)人機(jī)載三維激光掃描測(cè)量系統(tǒng)是由澳大利亞emesent公司研發(fā)的一款基于SLAM技術(shù)的高精度測(cè)量設(shè)備，系統(tǒng)整體包含2部分：一部分為Hovermap移動(dòng)式三維激光掃描儀；另一部分為無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)，該系統(tǒng)最大的特點(diǎn)在于可在地下礦山無(wú)GPS狀態(tài)下實(shí)施半自主飛行探測(cè)。該測(cè)量系統(tǒng)固定狀態(tài)下測(cè)量距離最大可達(dá)100 m，測(cè)距精度為±3 cm，圖1所示為系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意。

圖1 Hovermap無(wú)人機(jī)載三維激光掃描測(cè)量系統(tǒng)Fig.1 Hovermap unmanned aerial vehicle 3D laser scanning

2 無(wú)人機(jī)載與架站掃描儀測(cè)量效果對(duì)比

無(wú)人機(jī)載三維激光掃描測(cè)量系統(tǒng)通過(guò)無(wú)人機(jī)搭載移動(dòng)式掃描終端實(shí)施掃描測(cè)量工作，相較傳統(tǒng)架站式三維激光掃描測(cè)量系統(tǒng)，其最大的特點(diǎn)是可移動(dòng)，即可根據(jù)實(shí)時(shí)反饋的掃描情況進(jìn)行探索性深入飛行，從而彌補(bǔ)由于巖壁遮擋而導(dǎo)致的數(shù)據(jù)缺失。本文為了說(shuō)明2種不同類型設(shè)備在實(shí)施掃描工作時(shí)的適用性特點(diǎn)，分別采用無(wú)人機(jī)載三維激光掃描測(cè)量系統(tǒng)以及BLSSPE架站式三維激光掃描儀對(duì)同一個(gè)采空區(qū)進(jìn)行掃描測(cè)量工作，具體現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施如圖2所示。

圖2 不同類型掃描測(cè)量系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)效果Fig.2 Field operation renderings of different types of scanning measurement systems

對(duì)比圖2可知，無(wú)人機(jī)載三維激光掃描測(cè)量系統(tǒng)可直接飛入采空區(qū)內(nèi)部，而架站式三維激光掃描測(cè)量系統(tǒng)由于受到采空區(qū)頂板及便幫浮石威脅，人員無(wú)法將其放入采空區(qū)內(nèi)較深入的位置。在此情況下完成現(xiàn)場(chǎng)掃描工作，分別得到如圖3所示的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

圖3 不同類型掃描儀掃描結(jié)果對(duì)比Fig.3 Comparison of scanning results of different types of scanners

對(duì)比2組掃描數(shù)據(jù)可知，采用無(wú)人機(jī)載三維激光掃描測(cè)量系統(tǒng)獲得的掃描數(shù)據(jù)整體均勻，而傳統(tǒng)架站式掃描測(cè)量系統(tǒng)距離架站位置近點(diǎn)云數(shù)據(jù)密度高，距離架站遠(yuǎn)端點(diǎn)云密度低，其主要原因在于無(wú)人機(jī)可以飛近開展掃描測(cè)量，而傳統(tǒng)架站式掃描儀掃描角度受距離影響，越遠(yuǎn)則會(huì)越稀疏。進(jìn)一步將2組數(shù)據(jù)定位后進(jìn)行疊加，如圖4所示。

圖4 掃描數(shù)據(jù)疊加對(duì)比Fig.4 Scan data overlay comparison diagram

在近端通視區(qū)域，數(shù)據(jù)重合度較高，但在遠(yuǎn)端被遮擋位置，無(wú)人機(jī)掃描測(cè)量系統(tǒng)可得到更加完整的掃描數(shù)據(jù)，而架站式掃描測(cè)量系統(tǒng)由于受到凸出巖壁的遮擋，其存在一定的數(shù)據(jù)缺失，這對(duì)于評(píng)價(jià)采空區(qū)現(xiàn)狀，計(jì)算采空區(qū)體積以及開展超欠挖分析都有較大影響。因此，選擇無(wú)人機(jī)三維激光掃描測(cè)量系統(tǒng)開展采空區(qū)探測(cè)具有更好的適用性。

3 采空區(qū)掃描及數(shù)據(jù)處理

3.1 采空區(qū)概況

某鐵礦采用垂直深孔階段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V方法，沿礦體走向每18 m劃分為一個(gè)采場(chǎng)，采場(chǎng)南北長(zhǎng)72 m、東西寬18 m、高為礦體厚度，礦房回采采取“隔一采一”組織管理形式，待一步驟采空區(qū)充填養(yǎng)護(hù)結(jié)束后，再對(duì)二步采礦房進(jìn)行開采。此次現(xiàn)場(chǎng)掃描工作選擇在-540 m中段水平16#以及18#采空區(qū)進(jìn)行，由于采空區(qū)周圍控制點(diǎn)數(shù)量不足，為了節(jié)省現(xiàn)場(chǎng)工作時(shí)間，充分發(fā)揮無(wú)人機(jī)載三維激光掃描測(cè)量系統(tǒng)的性能特點(diǎn)，采取于相鄰巷道內(nèi)采集控制點(diǎn)坐標(biāo)的方式輔助完成采空區(qū)掃描數(shù)據(jù)的精確定位。

3.2 采空區(qū)掃描

根據(jù)采空區(qū)的賦存位置關(guān)系，為了盡可能地提高數(shù)據(jù)采集的效率并保證設(shè)備安全，現(xiàn)場(chǎng)選擇在16#采空區(qū)底部出礦穿脈內(nèi)組裝并起飛設(shè)備，相鄰連接巷道采用人工手持的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，圖5所示為現(xiàn)場(chǎng)掃描實(shí)施圖。

圖5 掃描現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施圖Fig.5 The field implementation diagram of scanning

3.3 數(shù)據(jù)處理

3.3.1 數(shù)據(jù)解算

基于現(xiàn)場(chǎng)掃描工作，共得到掃描數(shù)據(jù)3組，分別為16#采空區(qū)、18#采空區(qū)以及與之相連接的巷道，具體如圖6所示。

圖6 現(xiàn)場(chǎng)掃描數(shù)據(jù)Fig.6 Field scan data

3.3.2 數(shù)據(jù)拼接

現(xiàn)場(chǎng)掃描獲得的數(shù)據(jù)相互獨(dú)立但又具有同名特征，為了能夠?qū)崿F(xiàn)掃描數(shù)據(jù)坐標(biāo)的真實(shí)化處理，將3組數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，任意兩組數(shù)據(jù)置于同一視圖空間，任意選擇重合的3個(gè)位置即可完成彼此間位置的轉(zhuǎn)化，得到如圖7所示的完整三維激光掃描點(diǎn)云模型。

圖7 采空區(qū)三維激光掃描拼接模型Fig.7 3D laser scanning splicing model of goaf

3.3.3 坐標(biāo)真實(shí)化及三維建模

以拼接完成的采空區(qū)掃描三維點(diǎn)云模型為基礎(chǔ)，將現(xiàn)場(chǎng)精細(xì)掃描的靶標(biāo)點(diǎn)分別與實(shí)際坐標(biāo)值依次進(jìn)行對(duì)應(yīng)，以此為基礎(chǔ)建立采空區(qū)三維實(shí)體模型，并與-540 m中段進(jìn)行復(fù)合，如圖8所示。圖8中16#采場(chǎng)及18#采場(chǎng)分別對(duì)應(yīng)16#采空區(qū)及18#采空區(qū)掃描點(diǎn)，兩個(gè)空區(qū)實(shí)體模型均屬于-540 m中段一步驟回采礦房，中間區(qū)域?qū)俣襟E待采17#采場(chǎng)，采空區(qū)下部分別與出礦穿脈連通。

圖8 采空區(qū)掃描真三維實(shí)體與-540 m中段復(fù)合模型Fig.8 The composite model of the true 3D goaf entity and the-540 m level

4 掃描精度評(píng)價(jià)分析

無(wú)人機(jī)載掃描過(guò)程受到局部風(fēng)流影響造成設(shè)備飛行無(wú)法絕對(duì)平穩(wěn)，進(jìn)而可能導(dǎo)致實(shí)測(cè)掃描點(diǎn)位與真實(shí)位置間存在一定的偏差。另外，由于無(wú)人機(jī)飛行過(guò)程槳葉的急速轉(zhuǎn)動(dòng)，在激光頭附近產(chǎn)生大量的懸浮粉塵，導(dǎo)致掃描數(shù)據(jù)中出現(xiàn)大量雜點(diǎn)影響建模精度。為此現(xiàn)場(chǎng)掃描工作實(shí)施前，首先采用高精度全站儀測(cè)量設(shè)備沿巷道底板中心線剖面及-500 m高程斷面進(jìn)行了實(shí)測(cè)工作，其中沿巷道中心線剖面測(cè)量控制點(diǎn)10個(gè)，沿-500 m高程斷面測(cè)量控制點(diǎn)5個(gè)，全站儀測(cè)量點(diǎn)位與掃描模型剖面間位置關(guān)系如圖9所示。

圖9 全站儀測(cè)量點(diǎn)與掃描測(cè)量剖面間相對(duì)位置關(guān)系Fig.9 Diagram of relative position between measuring points of total station instrument and scanning measuring profile

巷道中線剖面的測(cè)量點(diǎn)按照同一剖面相同高程位置選取對(duì)比點(diǎn)，-500 m高程掃描點(diǎn)按照X坐標(biāo)相同時(shí)對(duì)應(yīng)的位置進(jìn)行選取，具體控制點(diǎn)坐標(biāo)統(tǒng)計(jì)如表1所列。

基于表1中所有測(cè)點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，其單點(diǎn)絕對(duì)坐標(biāo)誤差最大約為3.6 cm。為了進(jìn)一步評(píng)估掃描測(cè)量數(shù)據(jù)的精確度，文中任意選擇5組測(cè)量點(diǎn)，分別計(jì)算其距離，以全站儀測(cè)量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析任意兩點(diǎn)間距離的相對(duì)誤差如表2所列。

表1 不同測(cè)量方式下控制點(diǎn)坐標(biāo)比較Table 1 Coordinate comparison of control points under different measurement methods

表2 不同測(cè)量點(diǎn)間距離相對(duì)誤差統(tǒng)計(jì)表Table 2 Statistical table of distance relative error between different measuring points單位∶m

通過(guò)表2統(tǒng)計(jì)分析不難發(fā)現(xiàn)，掃描建模后模型內(nèi)任意兩點(diǎn)間距離絕對(duì)誤差最大約為2.5 cm，平均誤差約為2.0 cm，最大相對(duì)誤差約為0.17%。通過(guò)系列數(shù)據(jù)說(shuō)明掃描設(shè)備具有較高的測(cè)量精度，能夠滿足礦山工程測(cè)量的一般要求。

5 采空區(qū)貧損指標(biāo)評(píng)價(jià)

根據(jù)16#采空區(qū)和18#采空區(qū)的回采邊界實(shí)際情況，開展相鄰二步驟17#礦房的回采工作。按照17#采場(chǎng)設(shè)計(jì)回采邊界，其與16#采空區(qū)和18#采空區(qū)的三維位置關(guān)系如圖10所示。

圖10 17#采場(chǎng)與16#、18#采空區(qū)位置關(guān)系Fig.10 Location relationship between the 17#stope and the 16#、18#goaf

5.1 二步驟礦房貧化率

基于圖10中17#采場(chǎng)與相鄰一步驟采空區(qū)的位置關(guān)系，分別執(zhí)行布爾操作，用17#采場(chǎng)三維實(shí)體模型減去16#采場(chǎng)和18#采場(chǎng)三維實(shí)體模型，得到17#采場(chǎng)實(shí)際的礦體三維模型如圖11所示。

圖11 17#采場(chǎng)實(shí)際可回采礦石三維模型Fig.11 3D model of actual recoverable ore in stope 17#

分別計(jì)算布爾前后17#采場(chǎng)三維模型的體積分別為V開挖前=63 000.012 m3、V開挖后=60 821.371 m3，根據(jù)上述體積變化可得到相鄰一步驟采場(chǎng)的超挖體積為：

V超挖=V開挖前-V開挖后=63 000.012-60 821.371=2 178.641（m3）。

由于上述計(jì)算得到的體積將以充填體的形式混入17#采場(chǎng)的回采工作中，因此由相鄰一步驟采場(chǎng)的超挖導(dǎo)致的二步驟礦房回采礦石貧化率增加值約為：

Ρ貧化=V超挖/V開挖前=2 178.641÷63 000.012=3.46%，實(shí)際因此造成的貧化將有可能更高。

5.2 二步驟礦房損失率

二步驟礦房的損失主要由2部分構(gòu)成：一部分為底部結(jié)構(gòu)損失的礦量，該部分礦石量比較大，一般后期會(huì)實(shí)施礦柱回收；另一部分則是由于設(shè)計(jì)采場(chǎng)欠挖導(dǎo)致的。針對(duì)文中重點(diǎn)分析17#采場(chǎng)，按照設(shè)計(jì)底部結(jié)構(gòu)尺寸，其一階段礦房回采將損失的礦柱礦量三維模型如圖12所示。

圖12 17#礦房礦柱三維關(guān)系Fig.12 Three-dimensional relationship diagram of room and pillar 17#

計(jì)算17#采場(chǎng)設(shè)計(jì)礦柱體積為V礦柱=8 256.246m3，按照損失礦量處理，即為17#采場(chǎng)的欠挖體積。在不考慮由于爆破質(zhì)量等因素導(dǎo)致的設(shè)計(jì)采場(chǎng)欠挖損失的前提下，計(jì)算17#礦房的損失率為：

Ρ損失=V礦柱/V開挖前=8 256.246÷63 000.012=13.11%。

通過(guò)上述計(jì)算分析，可在17#采場(chǎng)回采前對(duì)于礦房的損失和貧化率進(jìn)行評(píng)估，優(yōu)化回采設(shè)計(jì)方案，降低礦房的損失貧化率，實(shí)現(xiàn)礦房回采經(jīng)濟(jì)效益最大化。

6 結(jié) 論

1）采用無(wú)人機(jī)載三維激光掃描測(cè)量系統(tǒng)對(duì)地下礦山采空區(qū)進(jìn)行測(cè)量，較傳統(tǒng)固定式測(cè)量方式，其測(cè)量數(shù)據(jù)均勻，測(cè)量結(jié)果完整準(zhǔn)確，適用性強(qiáng)。

2）詳實(shí)的采空區(qū)三維模型數(shù)據(jù)能夠更加透明地描述采場(chǎng)爆破效果，為進(jìn)一步開展相鄰礦房的回采設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

3）基于實(shí)測(cè)采空區(qū)三維模型數(shù)據(jù)可提前預(yù)測(cè)二步驟礦房回采時(shí)礦房的損失和貧化指標(biāo)，這對(duì)于合理優(yōu)化回采設(shè)計(jì)方案，達(dá)到礦房回采經(jīng)濟(jì)效益最大化的目標(biāo)至關(guān)重要。