李金星 馬毅敏 付信凱

（1.中鋼集團山東富全礦業(yè)有限公司；2.中鋼礦業(yè)開發(fā)有限公司）

溜井是礦山運礦的主要方式之一，是聯(lián)通上下中段礦石流動的主要運輸通道［1］。隨著服務年限的增加，溜井在放礦的沖擊及磨損作用下會出現(xiàn)不同程度的損壞，由于溜井構(gòu)造的特殊性，人員無法進入了解內(nèi)部情況，應用傳統(tǒng)測量方式也無法獲得內(nèi)部數(shù)據(jù)［2-5］。采用非接觸式測量的三維激光掃描儀，可快速采集溜井內(nèi)部點云，依據(jù)溜井點云建立溜井三維模型，可在三維空間中分析溜井內(nèi)部情況，分析溜井與其他井筒的空間距離，為溜井后期治理和工程布置提供依據(jù)［6-8］。

李官集鐵礦位于山東省汶上縣，采選規(guī)模100萬t/a，采用點柱式上向分層充填采礦法，主要開采-320 m 中段，轄10 個采場溜井，設計尺寸直徑為4 m。截至目前，溜井已使用超過10 a，多數(shù)溜井深度已超100 m，都存在一定程度的損壞，直接威脅井下的放礦安全及下面工程的布置。本文以李官集鐵礦0 m 水平8#采場溜井作為研究對象，采用三維激光掃描技術(shù)［9］進行精細測量，查清溜井損壞程度及井壁健康狀態(tài)，為后續(xù)溜井修復工作提供基礎依據(jù)。

1 溜井三維激光掃描技術(shù)

1.1 溜井三維激光掃描設備

采用翼目神HM100 型三維激光掃描儀進行溜井測量作業(yè)（圖1），由澳大利亞聯(lián)邦科學院研發(fā)的基于SLAM 技術(shù)的便攜移動式連續(xù)掃描儀，其旋轉(zhuǎn)的激光雷達提供360°×360°全方位視野，確保收集到全方位3D數(shù)據(jù)，廣泛應用于巷道掃描、溜井測量、電力巡檢、料堆測量、尾礦庫測量、工業(yè)場地測量等領域；具有體積小、重量輕、防水、防潮等特點，環(huán)境適應能力強，適于井下封閉區(qū)域的測量作業(yè)［10］。

翼目神HM100 型三維激光測量采用非接觸式激光測量，無須借助反射棱鏡即可采集獲取巖體表明的點云信息，可以用于解決井下危險環(huán)境、封閉環(huán)境及作業(yè)人員難以企及的危險區(qū)域的測量，具有傳統(tǒng)測量方式難以實現(xiàn)的技術(shù)優(yōu)勢［11］。

1.2 溜井三維激光掃描方案

采用卷揚機下放翼目神HM100 型三維激光掃描儀的手段進行溜井的探測作業(yè)，如圖2所示。在溜礦井口設置防護欄防止人員及設備的掉落，并為卷揚機的固定提供固定平臺，卷揚機通過鋼繩連接三維激光掃描儀實現(xiàn)溜井中的掃描設備升降，在升降過程中三維激光掃描儀可自動實現(xiàn)溜井壁面點云數(shù)據(jù)的收集。

2 溜井測量結(jié)果

2.1 溜井測量模型構(gòu)建

基于上述溜井掃描方案，分別在0，-20，-30，-40，-70，-80，-85，-90 m水平共8個區(qū)域開展溜井外業(yè)數(shù)據(jù)采集，歷時3.5 h共采集點云數(shù)據(jù)15 224 374個，通過8個中段的點云數(shù)據(jù)的拼接、坐標校正以及抽稀導出，獲取的溜井點云數(shù)據(jù)如圖3所示。進一步導出的數(shù)據(jù)進入到點云建模軟件（Geomagic 軟件）中，完成溜井及巷道建模工作，可以看出本次掃描所得到的溜井總高程為109.43 m。通過剖析溜井的三維模型，得到溜井的形狀剖面（圖4），結(jié)合垂直剖面圖，發(fā)現(xiàn)溜井上部基本完整，在溜井口往下21.08 m 開始有破壞，最大破壞位置出現(xiàn)在溜井口往下67.96 m，最大破壞尺寸可達到10 m，考慮到此處為放礦口處，可認為該處的溜井破損主要原因為下放礦石的流動磨損。

2.2 溜井現(xiàn)狀參數(shù)比較

三維激光掃描設備比較與傳統(tǒng)儀器，可實現(xiàn)溜井內(nèi)部的精細探測，為后期溜井修復及放礦管理提供了基礎數(shù)據(jù)，所獲取的三維模型形象立體地展現(xiàn)了溜井的現(xiàn)狀情況。測量結(jié)果與溜井設計參數(shù)比較如表1 所示，可以看出在放礦的沖擊磨損作用下，相比較于溜井設計體積（773.12 m3），溜井實際的體積已擴展至3 026.64 m3，是設計體積的3.9倍。

注：體積倍數(shù)為實際體積/設計體積。

2.3 溜井儲礦能力分析

主要測量了從-109.43 m 到0 m（溜井口）的8#溜井現(xiàn)狀，共109.43 m，基于所建立的溜井三維模型，從0 m 標高至溜井底部每隔5 m 計算溜井的儲礦體積，經(jīng)計算測量范圍內(nèi)目前的儲礦能力為3 026.637 m3，見表2。

3 溜井穩(wěn)定性分析

3.1 溜井分析模型構(gòu)建

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為進一步分析8#溜井的井壁破損特征，基于所獲取的溜井精細模型，導入Rhino6.0中進行三角網(wǎng)格的劃分及計算區(qū)域的嵌入，并導入FLAC3D軟件［12-13］中對溜井區(qū)域的應力位移分布進行分析，如圖5 所示。通過Rhino軟件構(gòu)建了150 m×50 m×50 m 的巖體計算區(qū)域，并耦合溜井模型進行網(wǎng)格的融合及劃分，使用三角形網(wǎng)格，靠近溜井區(qū)域網(wǎng)格尺寸設置為0.5 m，從溜井內(nèi)部往計算區(qū)域網(wǎng)格外擴尺寸梯度遞增至10 m，最終形成計算網(wǎng)格數(shù)為66 321 個，計算節(jié)點數(shù)為223 400 個，考慮到溜井井口距地表400 m，為此設置地應力深度等同于溜井至地表的高差。

計算區(qū)域主要巖性為石英角閃巖，根據(jù)礦山前期所開展的工程地質(zhì)調(diào)查與巖石力學試驗結(jié)果，采用國際通用的Rocscience RocData V4.0 軟件［14］獲取工程巖體力學參數(shù)，如表3 所示。其中，巖石單軸抗壓強度為101.60 MPa，密度為3.30 g/cm3，Hoek-Brown 常數(shù)取值為16，應力松弛及爆破破壞的影響因子D取0.8，彈性模量E為70.56 GPa。

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3.2 計算結(jié)果分析

首先，通過FLAC3D對計算模型進行初始應力平衡，在初始應力平衡后，對溜井區(qū)域負空值，計算得到應力重分布后的溜井區(qū)域應力、位移及塑性區(qū)分布，如圖6所示。

可以看出，溜井最大主應力主要分布在溜井井壁（圖6（a）），最大主應力值為0.18 MPa，已超過圍巖的抗拉強度0.12 MPa，說明溜井井壁容易發(fā)生拉裂破壞；溜井最小主應力主要分布在溜井井壁（圖6（b）），最大壓應力值為10.6 MPa，小于圍巖的抗壓強度；根據(jù)溜井的塑性區(qū)分布可知（圖6（c）），溜井井壁主要呈現(xiàn)拉剪切破壞塑性區(qū)分布，主要位于-70 m 水平以下區(qū)域。

從溜井的位移分布可知，溜井井壁X方向位移最大值為12 mm（圖6（d）），溜井井壁Y方向位移最大值為9.2 mm（圖6（e）），位移方向均朝向溜井內(nèi)部，說明溜井井壁的橫向位移較?。涣锞赯方向位移最大值為11.6 mm（圖6（f）），主要分布在各放礦口處，可認為溜井井壁位移產(chǎn)生的主要原因為圍巖自重剪切及礦石的放礦沖擊。

總體而言，溜井井壁應力、位移及塑性區(qū)表明溜井在圍巖自重及地應力影響下相對穩(wěn)定，造成溜井井壁破損的主要原因為礦石的沖擊作用。

4 溜井安全管理建議

三維激光掃描所獲取的李官集鐵礦8#溜井精細模型為溜井現(xiàn)狀調(diào)查提供了依據(jù)，根據(jù)穩(wěn)定性分析評價結(jié)果可知，造成溜井井壁破損的主要原因為礦石的沖擊磨損作用，導致溜井井壁巖體的破裂、垮落。穩(wěn)定性評價僅針對當前溜井情況進行評估，溜井破壞機理復雜，具有不可預測性與突發(fā)性，為此礦山在日常生產(chǎn)安全管理中，需要進行常規(guī)持續(xù)關(guān)注［15］。

考慮到此次探測溜井存在一定程度的破壞，為了后期工程安全，建議采取如下措施：

（1）嚴禁對溜井進行放空，嚴格控制溜井的排空高度，減少下落礦石高度過高從而對井壁的沖擊。

（2）嚴格控制采場的大塊礦石，防止大塊礦石進入溜井，導致溜井出現(xiàn)大塊堵塞，且處理大塊常采用爆破松動的方式，容易對井壁造成破壞，導致溜井的局部垮塌等情況。

（3）合理調(diào)配采掘計劃，保證溜井內(nèi)礦石處于不斷流動狀態(tài)，防止由于礦石的長時間靜置導致的礦石結(jié)拱卡井現(xiàn)象發(fā)生。

（4）按期開展溜井的三維激光掃描探測，定期獲取溜井的現(xiàn)狀模型，精細獲取溜井的健康狀況。

5 結(jié) 論

（1）三維激光掃描可實現(xiàn)傳統(tǒng)儀器無法完成的溜井測量提供數(shù)據(jù)，為后期溜井修復及放礦管理提供了基礎數(shù)據(jù)，利用翼目神HM100型三維激光設備，通過下放式測量方法，獲取了李官集鐵礦0 m 中段8#采場溜井的現(xiàn)狀精細三維激光掃描點云數(shù)據(jù)及三維模型。

（2）基于溜井三維激光掃描點云數(shù)據(jù)及三維模型，分析得出該溜井最大破碎的橫向尺寸可達9.87 m，較設計溜井體積增大了3.9倍，應實施定期安全監(jiān)測及有效的管理，保障該溜井的穩(wěn)定性。

（3）通過Rhino 軟件開展所測量的溜井三維模型的網(wǎng)格化，并導入FLAC3D軟件中進行溜井的穩(wěn)定性分析，得到了溜井在自重應力及地應力影響下的應力分布、位移分布以及塑性區(qū)分布特征，計算結(jié)果可知，溜井在自重應力及地應力影響下相對穩(wěn)定，溜井破損的主要原因為礦石放礦中的沖擊磨損作用，并針對計算結(jié)果對溜井放礦安全管理給出合理建議。