羅河鐵礦采空區(qū)三維激光掃描及應(yīng)用分析研究

李 建，王世松，張 馳，陳 凱

(1.安徽馬鋼羅河礦業(yè)有限責(zé)任公司，合肥 231500；2.北京礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 100160)

為了適應(yīng)當(dāng)前先進(jìn)采礦裝備和技術(shù)快速發(fā)展的需要，羅河鐵礦采用高分段充填采礦法回采礦石[1]。為了保證作業(yè)安全、生產(chǎn)高效，實(shí)際回采過(guò)程中相鄰采場(chǎng)分兩步驟進(jìn)行回采，即先回采礦房，然后進(jìn)行充填作業(yè)，最后回采礦柱。上述過(guò)程中，采空區(qū)作為生產(chǎn)環(huán)節(jié)的衍生產(chǎn)物，其空間體積及實(shí)際邊界對(duì)出礦量統(tǒng)計(jì)、充填料核算以及二步驟回采設(shè)計(jì)等具有重要的指導(dǎo)意義[2-4]。

傳統(tǒng)方式一般采用全站儀在不同水平對(duì)同一空區(qū)的邊界實(shí)施單點(diǎn)測(cè)量[5-7]，最后通過(guò)連線方式構(gòu)建采空區(qū)大致邊界，這種手段測(cè)量效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、測(cè)量邊界與實(shí)際邊界存在較大誤差，無(wú)法用來(lái)指導(dǎo)生產(chǎn)。

三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用徹底顛覆了人們對(duì)于采空區(qū)測(cè)量的認(rèn)識(shí)[8-10]，其中以北京礦冶科技集團(tuán)有限公司自主研發(fā)的BLSS-PE礦用三維激光掃描測(cè)量系統(tǒng)為代表[11-15]，可準(zhǔn)確、高效的獲取采空區(qū)三維形態(tài)，賦以礦山真實(shí)坐標(biāo)，可得到采空區(qū)實(shí)際形態(tài)及空間位置，進(jìn)而通過(guò)相關(guān)軟件可快速準(zhǔn)確地計(jì)算空區(qū)體積、截取特征剖面即可輔助進(jìn)行采礦設(shè)計(jì)，建立設(shè)計(jì)模型并通過(guò)布爾計(jì)算后可得到超欠挖體積及殘存礦量。

本文通過(guò)引入BLSS-PE礦用三維激光掃描測(cè)量系統(tǒng)對(duì)羅河鐵礦-508 m生產(chǎn)中段的45-3#以及47-3#采場(chǎng)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)掃描，并開(kāi)展了基于掃描點(diǎn)云的空區(qū)三維建模、體積計(jì)算以及二步驟回采設(shè)計(jì)，為礦山生產(chǎn)提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 礦山概況

羅河鐵礦位于安徽省合肥市廬江縣境內(nèi)，地處江淮丘陵南部，為低山丘陵地形，地面標(biāo)高為16.1～275 m。礦區(qū)地表地層產(chǎn)狀平緩，褶皺不發(fā)育。礦體埋藏在-382～-846 m標(biāo)高內(nèi)，東淺西深，傾伏角3°～12°。距離地表最淺425 m，最深856 m。礦體總厚度一般為2.03～246.58 m，礦體平均厚度76.87 m。

45-3#采空區(qū)與47-3#采空區(qū)位于-508 m水平，采區(qū)西北部，20#聯(lián)巷與30#聯(lián)巷之間，45-3#采空區(qū)位于47-3#采空區(qū)東側(cè)，根據(jù)羅河鐵礦礦房布置規(guī)則，在采空區(qū)形成前，兩個(gè)礦房之間由二步采礦房46-3#采場(chǎng)隔開(kāi)，空區(qū)自-508 m水平垂直延伸至-540 m水平，空區(qū)高約32 m，寬約18 m，長(zhǎng)約64 m，采空區(qū)形成前礦房采用中深孔扇形孔爆破回采。圖1為-508 m水平采場(chǎng)布置圖。

圖1 -508 m水平采場(chǎng)布置圖

2 測(cè)量系統(tǒng)介紹

BLSS-PE礦用三維激光掃描測(cè)量系統(tǒng)是一款由北京礦冶科技集團(tuán)有限公司自主研發(fā)，專門(mén)應(yīng)用于地下金屬礦山空間形態(tài)掃描的非接觸測(cè)量系統(tǒng)。系統(tǒng)(圖2)主要由掃描主機(jī)、電源箱、掃描控制終端以及輔助測(cè)量系統(tǒng)等四部分組成，其中掃描主機(jī)主要用于獲取掃描空間的距離及角度信息并轉(zhuǎn)化為三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，電源箱一方面用來(lái)為掃描主機(jī)供電，另一方面將由掃描主機(jī)獲取的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線的方式傳輸給掃描控制終端，掃描控制終端則通過(guò)無(wú)線的方式與電源箱進(jìn)行連接，控制終端上安裝有專業(yè)的掃描控制及數(shù)據(jù)分析軟件，通過(guò)設(shè)置適用于掃描工況的數(shù)據(jù)參數(shù)并下發(fā)于掃描主機(jī)完成三維空間的快速掃描。輔助測(cè)量系統(tǒng)主要用于將掃描主機(jī)伸入待測(cè)空區(qū)的指定位置開(kāi)展掃描工作。

圖2 BLSS-PE礦用三維激光掃描系統(tǒng)

3 采空區(qū)探測(cè)及數(shù)據(jù)處理

3.1 采空區(qū)三維探測(cè)

結(jié)合45-3#礦房和47-3#礦房前期設(shè)計(jì)的礦房回采實(shí)施方案，采空區(qū)形成后，測(cè)量人員可沿20聯(lián)巷進(jìn)入采場(chǎng)聯(lián)絡(luò)巷然后到達(dá)待測(cè)區(qū)域，掃描設(shè)備可通過(guò)20南切割巷伸入空區(qū)內(nèi)部并開(kāi)展測(cè)量工作。具體步驟如下：1)確定最佳的掃描主機(jī)伸入角度及可操作長(zhǎng)度；2)按照預(yù)先確定的可操作長(zhǎng)度計(jì)算延長(zhǎng)桿數(shù)量并逐節(jié)進(jìn)行連接；3)將掃描主機(jī)通過(guò)通訊電纜與電源箱連接；4)打開(kāi)掃描控制終端并調(diào)試設(shè)備的運(yùn)行狀況；5)將固定有掃描主機(jī)的延長(zhǎng)桿按照預(yù)定角度伸入采空區(qū)內(nèi)部并開(kāi)展掃描；6)掃描完成后，采用全站儀測(cè)量掃描主機(jī)尾部定位靶標(biāo)坐標(biāo)。圖3為現(xiàn)場(chǎng)掃描實(shí)施圖。

其中，為了能夠?qū)呙璜@得的采空區(qū)三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)與礦山實(shí)際位置完全復(fù)合，按照上述步驟6)中提及的測(cè)量掃描主機(jī)控制點(diǎn)坐標(biāo)如表1所示。

3.2 采空區(qū)三維實(shí)體模型構(gòu)建

基于現(xiàn)場(chǎng)掃描獲得的45-3#采空區(qū)和47-3#采空區(qū)三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，如圖4所示，首先將其坐標(biāo)進(jìn)行真實(shí)化處理，得到與礦山實(shí)際位置完全一致的三維點(diǎn)云模型，如圖5所示，然后依次執(zhí)行掃描點(diǎn)成線，掃描線重采樣以及三維建模等操作，得到采空區(qū)三維實(shí)體模型如圖6所示。

圖3 采空區(qū)三維探測(cè)

表1 控制點(diǎn)實(shí)測(cè)坐標(biāo)數(shù)據(jù)

圖4 采空區(qū)三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)

圖5 三維點(diǎn)云定位模型

4 采空區(qū)掃描數(shù)據(jù)應(yīng)用分析

4.1 采空區(qū)體積統(tǒng)計(jì)及對(duì)比分析

基于上述建立的采空區(qū)三維實(shí)體模型，采用建立塊體模型的方式填充采空區(qū)內(nèi)部并計(jì)算塊體的體積，如圖7(a)、(b)所示分別為45-3#采空區(qū)和47-3#采空區(qū)的塊體模型。

圖6 采空區(qū)三維實(shí)體模型

圖7 采空區(qū)塊體模型

基于上述45-3#采空區(qū)和47-3#采空區(qū)塊體模型，計(jì)算采空區(qū)體積如表2所示。

針對(duì)礦房的出礦量問(wèn)題，礦山通常根據(jù)鏟運(yùn)機(jī)鏟斗數(shù)以及卡車(chē)運(yùn)輸次數(shù)來(lái)量化統(tǒng)計(jì)，該種方式統(tǒng)計(jì)所得礦房出礦量誤差大，同時(shí)受人為因素影響容易出現(xiàn)漏記或者多記的情況，導(dǎo)致不同部門(mén)所得數(shù)據(jù)不對(duì)稱，為此我們將此次掃描獲得的采空區(qū)體積與礦山采用原始方式得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比如表3所示。

表2 采空區(qū)體積統(tǒng)計(jì)表

表3 出礦量統(tǒng)計(jì)對(duì)比分析

基于表3的對(duì)比結(jié)果，認(rèn)為通過(guò)掃描儀獲得的數(shù)據(jù)是準(zhǔn)確的(經(jīng)過(guò)中國(guó)計(jì)量科學(xué)院認(rèn)證)，則傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)方式與掃描儀獲得的掃描結(jié)果相比，其統(tǒng)計(jì)結(jié)果的不確定性較大、誤差較高，不利于礦山生產(chǎn)管理。

4.2 超欠挖體積計(jì)算

貧損指標(biāo)作為衡量礦山采礦技術(shù)水平的主要指標(biāo)，關(guān)鍵在于計(jì)算超欠挖體積，基于45-3#采空區(qū)和47-3#采空區(qū)掃描模型，建立設(shè)計(jì)模型如圖8所示。

圖8 礦房設(shè)計(jì)模型

將上述設(shè)計(jì)模型與掃描模型進(jìn)行復(fù)合得到圖9所示的復(fù)合圖。

基于上述復(fù)合圖，分別進(jìn)行布爾運(yùn)算得到45-3#采場(chǎng)和47-3#采場(chǎng)的超挖實(shí)體模型如圖10所示。

圖9 掃描模型與設(shè)計(jì)模型復(fù)合圖

圖10 布爾計(jì)算結(jié)果

根據(jù)上述布爾計(jì)算得到的超挖體積三維實(shí)體模型，采用塊體模型方式計(jì)算超挖體積，然后計(jì)算欠挖體積統(tǒng)計(jì)如表4所示。

表4 超欠挖體積統(tǒng)計(jì)表

*欠挖體積說(shuō)明：由于底部殘存礦石未回采，欠挖體積包含殘存礦石體積。

4.3 二步驟回采設(shè)計(jì)

根據(jù)羅河鐵礦回采設(shè)計(jì)方案，46-3#采場(chǎng)位于45-3#采場(chǎng)和47-3#采場(chǎng)之間，45-3#采場(chǎng)和47-3#采場(chǎng)回采完畢后需首先進(jìn)行充填作業(yè)，然后再回采46-3#采場(chǎng)，傳統(tǒng)回采方案中，46-3#采場(chǎng)的炮孔設(shè)計(jì)按照設(shè)計(jì)采場(chǎng)邊界執(zhí)行，但由于相鄰采場(chǎng)回采時(shí)存在一定程度的超挖或者欠挖，因而導(dǎo)致設(shè)計(jì)炮孔很可能未達(dá)到回采礦房邊界或者超過(guò)回采邊界進(jìn)入充填體內(nèi)，并進(jìn)而導(dǎo)致礦石的損失和貧化。采空區(qū)掃描數(shù)據(jù)的應(yīng)用則較好的彌補(bǔ)了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)存在的不足。

首先，將圖6中得到的采空區(qū)三維實(shí)體模型與炮孔設(shè)計(jì)圖進(jìn)行復(fù)合得到如圖11所示的空區(qū)掃描模型與中段平面復(fù)合圖。

圖11 空區(qū)掃描模型與中段平面復(fù)合圖

根據(jù)炮排布置情況，依次切割剖面，得到每排炮孔對(duì)應(yīng)的采空區(qū)邊界，這里我們選擇第17排進(jìn)行說(shuō)明，如圖12所示為第17排炮孔對(duì)應(yīng)的采空區(qū)剖面圖、設(shè)計(jì)采場(chǎng)邊界以及46-3#采場(chǎng)塹溝位置。

通過(guò)圖12可知，設(shè)計(jì)采場(chǎng)邊界明顯越過(guò)了采空區(qū)，如果按照設(shè)計(jì)邊界設(shè)計(jì)炮孔，后期回采時(shí)勢(shì)必會(huì)崩落充填體，造成一定程度的損失和貧化，為此，基于采空區(qū)邊界設(shè)計(jì)回采炮孔如圖13所示。

圖12 二步驟回采礦房與采空區(qū)相對(duì)關(guān)系

基于上述采空區(qū)邊界確定的孔底參數(shù)在較大程度上規(guī)避了后期爆破對(duì)于充填體的影響，理論上將降低單個(gè)礦房的損失貧化，對(duì)整個(gè)礦山意義重大。

圖13 基于采空區(qū)邊界的炮孔設(shè)計(jì)

5 結(jié)論

1)建立了采空區(qū)三維實(shí)體模型，獲得了45-3#和47-3#采空區(qū)空間位置以及邊界信息。

2)基于現(xiàn)場(chǎng)掃描獲得的采空區(qū)三維模型，計(jì)算了采空區(qū)的真實(shí)體積，并與傳統(tǒng)方式進(jìn)行了對(duì)比分析，并說(shuō)明了傳統(tǒng)方式存在的不足，提高了礦山在出礦量統(tǒng)計(jì)方面準(zhǔn)確性。

3)建立了原始礦房的設(shè)計(jì)模型，并與掃描獲得的三維模型進(jìn)行了復(fù)合計(jì)算，得到了礦房的超欠挖體積，為進(jìn)一步計(jì)算礦房的損失貧化提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

4)將一步驟采空區(qū)邊界與二步驟回采礦房的設(shè)計(jì)邊界進(jìn)行了對(duì)比，說(shuō)明了采空區(qū)真實(shí)邊界對(duì)于礦房回采時(shí)炮孔設(shè)計(jì)的重要意義。