王世松

（安徽馬鋼羅河礦業(yè)有限責(zé)任公司）

隨著全球礦業(yè)市場(chǎng)的快速發(fā)展，礦山測(cè)量技術(shù)在礦業(yè)領(lǐng)域的作用日益凸顯。地下礦山測(cè)量作為礦山生產(chǎn)管理、礦山設(shè)計(jì)、安全生產(chǎn)等方面的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對(duì)于保障礦山安全、提高礦山生產(chǎn)效率具有重要意義。然而，傳統(tǒng)的礦山地質(zhì)測(cè)量技術(shù)較為落后，缺乏良好的精準(zhǔn)度，存在較大的測(cè)量誤差，不僅跟不上礦山行業(yè)的發(fā)展步伐，也遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足礦山地質(zhì)測(cè)量工作的高精度需求［1］。

3DMine軟件是一款基于三維激光掃描技術(shù)的礦山測(cè)量軟件，能夠?qū)崟r(shí)采集高精度的三維空間數(shù)據(jù)，并在軟件中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析。其強(qiáng)大的地下開采設(shè)計(jì)、計(jì)算、成圖功能操作簡(jiǎn)單，具有很高的實(shí)用價(jià)值［2］。結(jié)合羅河地下鐵礦實(shí)例，探討3DMine 軟件在地下礦山測(cè)量中的應(yīng)用，為地下礦山測(cè)量技術(shù)的發(fā)展提供有益的參考。

1 礦山測(cè)量技術(shù)及現(xiàn)狀

1.1 傳統(tǒng)礦山測(cè)量技術(shù)

傳統(tǒng)的礦山測(cè)量技術(shù)主要包括礦區(qū)地形圖測(cè)繪技術(shù)、礦山控制網(wǎng)技術(shù)、礦井貫通測(cè)量技術(shù)、聯(lián)系測(cè)量技術(shù)等［3］。這些測(cè)量技術(shù)在過去的幾十年里為地下礦山測(cè)量工作提供了重要的支持。然而，隨著礦業(yè)市場(chǎng)的快速發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步，傳統(tǒng)的礦山測(cè)量技術(shù)在精度、效率和成本等方面已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代礦山生產(chǎn)的需求。鉆孔法［4］、地質(zhì)雷達(dá)［5］等方法在一定程度上提高了測(cè)量精度和效率。然而，在實(shí)際應(yīng)用中可能存在以下局限性：

（1）精度較低。傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)主要依賴于測(cè)量人員的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)水平，而現(xiàn)代礦山生產(chǎn)對(duì)測(cè)量精度的要求越來越高，這使得傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)的局限性愈發(fā)突出。

（2）效率較低。需要較多的人工操作和數(shù)據(jù)處理，測(cè)量效率較低，難以適應(yīng)現(xiàn)代礦山生產(chǎn)的要求。

（3）實(shí)時(shí)性較差。傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)往往只能獲取靜態(tài)的測(cè)量數(shù)據(jù)，難以滿足現(xiàn)代礦山生產(chǎn)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求。

（4）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及處理不方便。地下礦山測(cè)量涉及大量的數(shù)據(jù)，包括鉆孔數(shù)據(jù)、地質(zhì)勘探數(shù)據(jù)、地質(zhì)模型等。傳統(tǒng)方法通常采用紙質(zhì)或電子表格記錄，這導(dǎo)致數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、查詢和管理不便。

1.2 3DMine測(cè)量技術(shù)

地下礦山測(cè)量采用多種技術(shù)手段和方法，但3DMine軟件可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多種數(shù)據(jù)源的整合和可視化展示，提高了數(shù)據(jù)管理效率。同時(shí)，三維地質(zhì)建模是實(shí)現(xiàn)礦山信息化的必要環(huán)節(jié)，對(duì)提高礦山的管理水平和經(jīng)濟(jì)效益也具有重要意義［6］。

地下礦山測(cè)量的最終目的是為礦山設(shè)計(jì)、規(guī)劃及開采提供依據(jù)，安全監(jiān)測(cè)是礦山測(cè)量的重要任務(wù)之一。然而，傳統(tǒng)的測(cè)量方法在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方面存在局限性，隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的發(fā)展，地下礦山安全監(jiān)測(cè)逐步實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)化和智能化。3DMine軟件可以實(shí)時(shí)接入各類監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，為礦山安全提供有力保障。在實(shí)際工程中，測(cè)量結(jié)果往往需要與工程設(shè)計(jì)、安全評(píng)價(jià)等多方面進(jìn)行結(jié)合。3DMine 軟件具備與CAD 等軟件的集成功能，有助于實(shí)現(xiàn)測(cè)量結(jié)果在實(shí)際工程中的應(yīng)用。

2 羅河地下鐵礦應(yīng)用實(shí)例

2.1 羅河鐵礦地質(zhì)條件

羅河鐵礦礦體埋藏深、規(guī)模大、賦存條件復(fù)雜、水文地質(zhì)條件復(fù)雜、原巖應(yīng)力大且水平應(yīng)力起主導(dǎo)作用等，會(huì)使得羅河鐵礦礦體開采誘發(fā)的開采效應(yīng)顯現(xiàn)規(guī)律變得非常復(fù)雜。羅河鐵礦總體分二期建設(shè)，一期開采東區(qū)，二期開采西區(qū)。一期設(shè)計(jì)規(guī)模為300 萬t/a礦石，開采范圍為-620 m水平以上。

隨著礦山地下開采范圍擴(kuò)大，地下采空區(qū)空頂面積增大，充填不完全或充填體強(qiáng)度較低導(dǎo)致其被壓實(shí)，且由于頂板巖體強(qiáng)度較大，所以頂板采動(dòng)裂隙發(fā)育高度較大，采動(dòng)可導(dǎo)致斷裂的活化，易發(fā)生危險(xiǎn)。因此采用數(shù)字化設(shè)備測(cè)量與采集采空區(qū)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)處理后導(dǎo)入3DMine 軟件，以此實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)采空區(qū)的變化等一系列功能。

2.2 三維空間數(shù)據(jù)處理

測(cè)繪數(shù)據(jù)來源受限于所使用的測(cè)繪儀器，目前羅河鐵礦主要使用的測(cè)繪儀器包括全站儀、水準(zhǔn)儀、GPS、井下三維激光掃描儀等。以上外業(yè)采集測(cè)繪數(shù)據(jù)，因采用測(cè)繪儀器不同，形成的數(shù)據(jù)格式有所差異，因此需要將不同格式數(shù)據(jù)，統(tǒng)一處理導(dǎo)入3DMine軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)展點(diǎn)、成圖、建模處理。數(shù)據(jù)來源、格式及處理方式見表1。

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除此之外，后續(xù)還要對(duì)3DMine 軟件測(cè)量數(shù)據(jù)底圖進(jìn)行處理，包括數(shù)據(jù)導(dǎo)入、成圖、建模、計(jì)算等主要工作步驟。測(cè)量數(shù)據(jù)導(dǎo)入3DMine 軟件后，經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化成圖，形成打印圖紙。通過測(cè)量數(shù)據(jù)底圖結(jié)合，形成新的測(cè)繪數(shù)據(jù)底圖，并建立測(cè)量三維模型。包括巷道、豎井、斜坡道、采空區(qū)三維模型等；隨著生產(chǎn)的不斷進(jìn)行，測(cè)量模型也不斷更新，新老測(cè)量模型進(jìn)行對(duì)比，利用3DMine 軟件進(jìn)行工程量計(jì)算、出圖、出表工作。

2.3 建模過程分析

以羅河鐵礦41-2#采空區(qū)為例，結(jié)合3DMine進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及三維模型建立，得到其點(diǎn)云數(shù)據(jù)圖、線數(shù)據(jù)圖、實(shí)體圖、實(shí)體剖面圖，如圖1所示。

采集到的點(diǎn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成圖形后有些雜點(diǎn)、噪聲點(diǎn)，需要手工刪除，以確保采空區(qū)邊界的可靠性，如圖1（a）所示；此時(shí)需要進(jìn)一步剔除并將這些點(diǎn)云數(shù)據(jù)掃描成線，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成線數(shù)據(jù)，隨后達(dá)到圖1（b）中的效果；將部分不合理的線數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除后，連接每條封閉曲線形成一個(gè)完整的采空區(qū)實(shí)體模型，隨后全選“點(diǎn)文件”“線文件”，確定以此生成三維模型，并將三維模型另存為3DMine格式文件，完成三維建模工作得到真實(shí)準(zhǔn)確的空區(qū)模型，如圖1（c）所示；在圖1（d）中，通過每個(gè)剖面的高度差距可以及時(shí)了解到采空區(qū)的不穩(wěn)定區(qū)域，從而預(yù)防井下事故的發(fā)生，為安全生產(chǎn)提供了保障。

2.4 模型剖面分析

3DMine 軟件可對(duì)采空區(qū)模型進(jìn)行任意剖面切割，通過剖面圖可以直觀地展示礦體的形狀、大小、等特征，有助于了解礦體的地質(zhì)條件。在3DMine 軟件中可設(shè)置剖面的切割長(zhǎng)、寬、高、間排距等，以42-2#采空區(qū)為例，每個(gè)剖面間距為25 m，如圖2所示。

將A4，A5 切割剖面進(jìn)行單獨(dú)觀察（圖3），可直觀發(fā)現(xiàn)一步采、二步采間相互關(guān)系，且相交位置為采空區(qū)垮落區(qū)域。通過3DMine 所展示的剖面圖，可以得知這樣的開采順序能有效避免開采過程中大面積的垮落。因此，在礦山開采過程中，可以根據(jù)礦體的剖面圖來優(yōu)化開采方案，比如確定合理的開采順序、開采方法和采礦設(shè)備等，并且根據(jù)礦體的剖面圖，可以分析礦產(chǎn)資源的分布規(guī)律、品質(zhì)以及可采性等因素，為礦產(chǎn)資源的開發(fā)和利用提供依據(jù)。

2.5 模型體積計(jì)算

3DMine 軟件具有對(duì)采空區(qū)模型體積計(jì)算的功能，會(huì)對(duì)模型缺失處自動(dòng)進(jìn)行填充塊體，并添加約束顯示。（X，Y，Z）最小坐標(biāo)為（531 100，3 433 200，-540），最大坐標(biāo)為（531 200，3 433 400，-470），即圈定采空區(qū)長(zhǎng)度為200 m，寬度為100 m，高度為60 m；為了盡量還原采空區(qū)，將塊體尺寸比例設(shè)定為1∶1∶1；次級(jí)模塊大小設(shè)定為（0.5，0.5，0.5），因?yàn)樵诳拷吔绲募s束部位，模塊尺寸最小為次級(jí)模塊尺寸，這樣設(shè)定就減小了模型的大小，使大范圍建立礦體和巖石模型成為了可能［7］。隨后設(shè)置好體重系數(shù)（礦石比重）為3.65后，軟件自動(dòng)計(jì)算空區(qū)體積，如圖4所示。

根據(jù)3DMine自帶算法，其計(jì)算出的42-2#采空區(qū)體積為51 563 m3，質(zhì)量為188 206 t，可為后續(xù)充填工作提供充填量參考依據(jù)。

2.6 超欠挖判斷

利用3DMine 軟件的可視化功能，可以將礦山的超欠挖情況以圖形方式展示，以便于分析和判斷，如圖5 所示。圖5 中規(guī)則線條為設(shè)計(jì)采場(chǎng)橫剖面邊界線，不規(guī)則粗線為掃描實(shí)測(cè)邊界線。通過3DMine 軟件可直觀顯示采場(chǎng)超欠挖情況，29-2#4排炮孔橫剖面圖設(shè)計(jì)與實(shí)際邊界線相差較小，第1，5，7排剖面圖右側(cè)以及第3 排左側(cè)有略微超挖情況。后續(xù)可以根據(jù)超欠挖分析結(jié)果，對(duì)礦山開采方案進(jìn)行優(yōu)化，以提高礦山開采的經(jīng)濟(jì)效益。

3 結(jié) 論

（1）傳統(tǒng)的手工測(cè)量方法效率低、精度低，而采用數(shù)字化設(shè)備與3DMine礦業(yè)軟件可以更加高效地處理數(shù)據(jù)。

（2）三維模型可以直觀地反映出采空區(qū)或其他井下巷道的實(shí)際情況，準(zhǔn)確提供一步采礦房位置，為二步采礦房開采設(shè)計(jì)提供有力數(shù)據(jù)支持。

（3）3DMine 軟件可以準(zhǔn)確提供充填空間體積與質(zhì)量，為后續(xù)充填工作提供充填量數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

（4）將設(shè)計(jì)的剖面線與實(shí)測(cè)的邊界線導(dǎo)入3DMine 軟件后可直觀地分析出采場(chǎng)的超欠挖情況，以便優(yōu)化爆破開采方案。