金屬礦采空區(qū)三維探測及可視化建模與應用

王國燾，羅周全，劉曉明，朱青凌

（中南大學資源與安全工程學院，湖南長沙410083）

0 引言

金屬礦采空區(qū)是威脅礦山安全的主要災源之一［1-2］。大量采空區(qū)的存在，使礦山開采條件惡化，造成礦柱變形破壞，相鄰作業(yè)區(qū)采場和巷道維護困難；更為嚴重的是有可能引發(fā)井下大面積冒落、巖移及地表塌陷，造成嚴重的人員傷亡和設備破壞。因此，如何快捷、有效地構建復雜采空區(qū)三維可視化模型，準確獲取空區(qū)信息，一直是困擾礦山工程技術人員進行空區(qū)周圍礦柱資源有效回收、空區(qū)安全管理和控制及合理確定采空區(qū)災害對策的關鍵技術難題［3］。

空區(qū)三維激光探測系統(tǒng)（Cavity Monitoring System，CMS）是一種基于激光的空區(qū)探測系統(tǒng)，能較好的適應井下環(huán)境，在應用上，具有設備移動、架設及清理簡便，快速準確全方位地探測地下采空區(qū)，探測精度高等特點，可用于井下采空區(qū)的精密探測，尤其是對那些危險和人員無法進入的空區(qū)探測中。本文以CMS為手段，結合Surpac等數字化軟件開展以空區(qū)探測為基礎的災源空區(qū)可視化建模技術的研究與應用。

1 空區(qū)激光探測系統(tǒng)

1.1 三維激光掃描原理

三維激光掃描儀是一種集成了多種高新技術的新型三維坐標測量儀器，采用非接觸式高速激光測量方式，以點云形式獲取地形及復雜物體表面的陣列式幾何圖形的三維數據。三維激光掃描技術主要是利用激光測距原理來獲取目標數據，掃描原理是由激光脈沖二極管發(fā)射的激光脈沖，射向目標，然后通過探測器接收并記錄反射回來的激光脈沖信號來捕獲數據，最后經過軟件后處理建模輸出（圖1）［4］。

圖1 三維激光掃描測量原理圖Fig.1 3D laser scan principle

1.2 空區(qū)三維激光探測方法

CMS是基于三維激光掃描原理開發(fā)的專用于地下礦山的激光掃描系統(tǒng)，已在國內外很多礦山得到了廣泛的應用［5-10］，在礦業(yè)發(fā)達國家已成為地下采場和空區(qū)測量的主要手段，尤其是在危險和人員無法進入的空區(qū)監(jiān)測中，CMS是目前行之有效的一種測量和監(jiān)測手段。

運用CMS進行空區(qū)探測的基本步驟：①CMS掃描頭安裝并進行位置初始化；②掃描頭水平位置調零；③設置初始掃描參數，包括保存探測數據的文件名、掃描角度范圍及掃描精度等；④掃描頭開始掃描，并將掃描數據以有線方式傳送到控制箱中，同時控制箱內數據以無線方式自動發(fā)送到手持式控制器；⑤完成一周掃描后掃描頭自動抬高一個預先設置的角度（通常為1°～3°）進行第二周掃描，直至掃描過程全部結束；⑥掃描數據從手持式控制器下載到計算機，并進行數據處理和建模等。

2 空區(qū)三維模型構建

2.1 數據獲取

三維空間信息獲取的實質是對空間定位數據采集，利用激光掃描技術可以快速、準確地采集到三維空間數據。CMS系統(tǒng)采用激光測距儀掃描頭可360°旋轉并收集距離和角度數據。每完成一次掃描，掃描頭將自動按照操作人員事先設定的角度抬高其仰角進行新一輪的掃描，收集更大旋轉圈上的點的數據，直至完成全部的探測工作，最終獲得空區(qū)表面的點的集合，即“點云”，每個點記錄的是兩個角度和一個距離值。由于被掃描的空區(qū)通常比較復雜，而一次掃描可能不能獲取每一個面的三維數據，要得到整個空區(qū)的表面模型，需從不同的視點也就是不同的位置和方向采集物體的三維模型，把得到的數據合并起來，得到物體完整的表面模型。圖2為原始數據獲取過程中不同視點的數據采集圖。

圖2 不同視點的數據采集Fig.2 Data acquisition at different locations

2.1.1 點云濾波

由于在掃描過程中噪聲、遮擋物等外界環(huán)境因素的影響，以及實體本身的反射特性不均勻，導致最終獲取的掃描點云數據包含不穩(wěn)定的點和錯誤點。激光測距裝置在掃描時快速運轉，導致激光光束在不同相位上出現(xiàn)“中間介質點”的現(xiàn)象，造成點位的偏移或失真，如圖3所示。這些因素導致點云含有粗差是建模中不希望出現(xiàn)的現(xiàn)象，必須在其它操作前將這些點提出，這個過程稱為點云過濾［11］。

圖3 掃描線上的失真點Fig.3 Distortion point on the scan line

點云濾波過程如下：根據激光掃描回波信號強度辨別，回波信號強度低于閾值時，距離信號值無效；利用中值濾波，剔除奇異點。通過上述方法處理，可以剔除原始點云數據中的壞點和無距離的點。在完成了失真點的過濾操作之后，目標實體數據云以適當的文件形式輸出保存以便進行三維建模。

2.1.2 數據轉換

運用CMS探測空區(qū)所獲得的原始探測數據為“.txt”格式文件，在對原始數據進行應用之前，必須對其進行轉換，數據的轉換采用CMS自帶的處理軟件CMSPosProcess將“.txt”格式的原始數據文件轉換成“.dxf”格式的文件，該文件可被一些第三方軟件接受，如Surpac、Datamine及Gocad等，用以生成空區(qū)三維實體模型等。

2.2 模型構建

激光測距掃描只是生成點云圖像，而在實際應用中需要具有實際意義的三維物體表面。原始探測數據經處理后，可采用多種手段生成空區(qū)三維模型。運用QVOL或CAD生成的空區(qū)模型是一種mesh模型，雖然實現(xiàn)了三維建模，但該類模型可視化程度較差、編輯能力弱。而運用礦業(yè)軟件Surpac生成的空區(qū)三維實體模型具有可視化程度高、可編輯功能強等突出優(yōu)勢，便于模型的后續(xù)應用［12-14］。圖4為Surpac中構建的空區(qū)三維模型。

3 災源空區(qū)三維模型應用實踐

空區(qū)體積及頂板面積大小及周邊超挖量的多少直接影響空區(qū)圍巖的穩(wěn)定性，采場超欠挖量及采場存留礦量等指標能很好的反映采場的回采質量，采場垮塌區(qū)回采指標計算及動態(tài)監(jiān)測能有效反映垮塌區(qū)動態(tài)變化情況，對控制空區(qū)進一步災變有重要的意義。

圖4 空區(qū)三維模型Fig.4 3D model of the cavity

圖5 回采設計單元模型與實測實體模型邊界對比Fig.5 Comparison of survey entity model and design unit model

3.1 采空區(qū)體積及頂板面積計算

采空區(qū)三維模型生成后，采用Surpac可計算出空區(qū)體積。具體方法為：①將空區(qū)實體模型導入Surpac軟件中；②驗證空區(qū)實體模型，如驗證錯誤需對模型進行修改；③空區(qū)實體模型驗證無誤后，計算空區(qū)體積。運用QVOL軟件的面積計算功能可計算出空區(qū)的頂板面積。表1為安慶銅礦三個探測采空區(qū)的體積及頂板面積計算結果。

表1 探測空區(qū)體積及頂板面積計算結果Table 1 Calculation results of cavity volume and roof area

3.2 采空區(qū)邊界對比及超挖量計算

采場回采過程中由于爆破邊界控制不準或局部地段存在結構面，造成采后空區(qū)邊界與原采場設計邊界不相吻合，存在超挖和欠挖現(xiàn)象。采用傳統(tǒng)的測量手段很難準確獲取采場回采后的實際邊界，也就無法掌握采場的超欠挖情況。為解采場實際邊界與設計邊界出入情況，生成回采設計單元的實體模型，并將其與探測采空區(qū)模型復合，形成復合模型，該模型可清晰地展示出采場實測邊界與設計邊界的出入情況，如圖5所示。通過回采設計單元模型與空區(qū)三維模型間的布爾運算計算出某銅坑各采場的超挖量和欠挖量，結果見表2。

通過回采設計單元模型與探測空區(qū)模型邊界對比分析可知，采空區(qū)周邊均存在超挖現(xiàn)象，這可能是鑿巖爆破參數或鉆孔偏差所致。超挖比較嚴重會影響圍巖穩(wěn)定性，甚至會造成礦柱及頂板的垮塌。在對采場間柱進行回采時，應根據采場實際邊界進行爆破設計，合理確定炮孔位置和爆破參數。

表2 某銅礦采場超挖計算結果Table 2 Volume of over-excavation of each stope in a Copper Mine

3.3 存留礦量計算

通過CMS對各個空區(qū)的探測并形成空區(qū)實體模型，發(fā)現(xiàn)在空區(qū)底部有礦石存留現(xiàn)象，局部地段還比較集中。結合回采設計單元、底部結構及探測空區(qū)實體模型，通過計算可以獲得采場內存留的礦石量。存留礦量的計算方法如下。

（1）模型復合及剖切。在Surpac軟件中將實測采空區(qū)模型與采場設計模型、底部結構模型復合，對復合模型進行剖切獲得的一系列剖面，每個剖面上能顯示出該位置上空區(qū)、礦體設計邊界、底部結構的邊界線。

（2）剖面分析及處理。對剖面中存留礦石的范圍進行線串處理，刪除多余的線，只保留存留礦石輪廓線串，要求完整且閉合。

（3）生成存留礦量模型。根據圈定的每個剖面上存留礦石的輪廓線，在Surpac軟件中處理后，利用剖面之間連三角網生成實體模型，即為采空區(qū)內底部存留礦石模型。圖6是采場空區(qū)中存留礦石與底部結構的復合模型，圖中可見存留礦石在空區(qū)底部存留的位置。

圖6 存留礦量與底部結構三維模型復合圖Fig.6 Complex map of 3D model between the retention ore and the bottom structure

（4）存留礦量計算

根據上述生成的模型，可由Surpac準確報告模型的體積，存留礦量的計算公式如下，由該方法計算某銅礦采場存留礦石量結果見表3。

式中：H——存留礦量（t）；

C——存留礦石體積（m3）；

K——礦石松散系數；

ρ——礦石比重（t/m3）。

表3 某銅礦采場存留礦石量計算結果Table 3 Volume of retention ore in a Copper Mine

3.4 采場周邊欠挖量計算

在存留礦量基礎上，計算采場欠挖量計算公式如下：

W=（N+Z）-（L+S+C+T）

式中：W——欠挖體積（m3）；

C——采場內存留礦石的體積（m3）；

N——回采設計單元體積（m3）；

L——底部結構體積（m3）；

S——出礦進路體積（m3）；

T——探測空區(qū)體積（m3）；

Z——周邊超挖體積（m3）。

為便于理解上面的公式，這里給出采場設計單元模型與探測空區(qū)模型的復合模型及其剖面，如圖7所示。表4為銅礦采場欠挖量計算結果。

圖7 采場設計單元模型與探測空區(qū)模型的復合模型及剖面Fig.7 Complex and section map of a design unit model and survey entity model of stope

表4 某銅礦采場欠挖量計算結果Table 4 Volume of under-excavation of a stope in a Copper Mine

3.5 采場垮塌區(qū)回采指標計算及動態(tài)監(jiān)測

礦山開采過程中，由于巖體原巖應力破壞、受局部爆破沖擊影響以及采場結構等因素的影響，導致采場周圍圍巖失穩(wěn)，出現(xiàn)礦柱的垮塌，嚴重影響了開采的安全性，也為礦山進一步開采帶來安全隱患。因此，準確獲取垮塌區(qū)的位置和形態(tài)，掌握垮塌區(qū)信息，對礦山后續(xù)開采至關重要。

圖8為某銅礦相鄰三采場垮塌區(qū)平面圖，56-6#采場現(xiàn)已回采完畢，準備予以封閉，等待充填，56-7#采場尚未進行設計，即為預留礦柱，56-8#采場目前在中間部位進行了局部爆破，并有在出礦。在對56-8#采場靠58#線位置破頂時，由于采場結構比較發(fā)育，結構面貫穿于56-8#和56-7#，導致56-7#采場垮塌，致使56-6#、56-7#和56-8#三個采場連通，現(xiàn)場情況比較嚴重。為了準確獲取垮塌區(qū)位置（包括高度，寬度等指標），實現(xiàn)對垮塌區(qū)的動態(tài)監(jiān)測，為先后兩次對垮塌區(qū)進行探測并開展相關研究，揭示了垮塌區(qū)動態(tài)變化情況，為礦山制定垮塌區(qū)處理及垮塌后礦石回收方案提供決策依據。圖9為56-7#采場垮塌區(qū)兩次探測模型對比。采場指標匯總見表5。

圖8 采場垮塌區(qū)平面圖Fig.8 Plan of the slope collapse region

圖9 56－7#采場垮塌區(qū)兩次探測模型對比Fig.9 Comparison diagram of detected results of collapse region 56－7#in two tests

表5 兩次探測垮塌區(qū)計算結果對比Table 5 Comparison of detection results in the collapse region in two tests

根據采場垮塌區(qū)的二次探測及計算結果，可得出：采場56-7#與旁邊采場已經連通，并與旁邊采場形成一個復雜大型空區(qū)，空區(qū)體積及頂板暴露面積正逐步增加，目前已分別增加至140243 m3和2830 m2；隨著垮塌區(qū)采場存留礦量的減少，垮塌區(qū)垂直高度增加，暴露面積也逐步擴大，造成周圍巖層應力進一步集中，致使垮塌區(qū)再次發(fā)生垮塌。相比第一次探測時垮塌區(qū)范圍，第二次探測垮塌區(qū)長與高分別增加了6.5 m和12.3 m。目前垮塌區(qū)體積為28383m3，采場垮塌量為105017t；從兩次探測結果來看，暫停采場垮塌區(qū)周圍采場的爆破工作，繼續(xù)回收采場內存留礦石，待存留礦石全部出完。

4 結論

應用空區(qū)激光精密探測系統(tǒng)CMS實現(xiàn)了金屬礦采空區(qū)的三維精密探測，以探測數據為基礎，運用建模軟件準確構建了復雜空區(qū)的三維可視化模型，從而直觀地展現(xiàn)出了空區(qū)的空間形態(tài)，準確獲得了災源空區(qū)的空間位置和實際邊界，實現(xiàn)了對采場垮塌區(qū)的回采指標計算及動態(tài)監(jiān)測。實踐表明，運用以CMS探測數據為基礎的空區(qū)三維模型構建技術及建立的空區(qū)三維模型，可以準確地計算出采空區(qū)的各項相關回采數據，從而為礦山下步驟回采所需進行的爆破設計、充填設計、空區(qū)安全性評價以及空區(qū)綜合治理提供了可靠的資料依據。

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