三維激光掃描技術(shù)在冬瓜山銅礦采空區(qū)探測(cè)中的應(yīng)用

姚志偉，方志甫，桂旺華，鄭攻關(guān)，汪令輝

(1.銅陵有色金屬集團(tuán)控股有限公司技術(shù)中心，安徽 銅陵 244000；2.銅陵有色金屬集團(tuán)股份有限公司冬瓜山銅礦，安徽 銅陵 244000)

三維激光掃描技術(shù)探測(cè)采空區(qū)，掌握采空區(qū)具體的形態(tài)，是采空區(qū)穩(wěn)定性分析、采空區(qū)治理方案和充填量確定的基礎(chǔ)資料。在采用分步開采的礦山(冬瓜山銅礦、安慶銅礦等)，采空區(qū)探測(cè)形成的三維模型能直觀可視一步驟采場(chǎng)的回采邊界，對(duì)二步驟采場(chǎng)邊界控制、參數(shù)優(yōu)化起到重要指導(dǎo)作用，從而降低貧化、減少損失[1-4]。

2010年銅陵有色技術(shù)中心引進(jìn)加拿大Optech研制的CMS(3D Laser Cavity Monitoring System)空區(qū)三維激光探測(cè)系統(tǒng)在冬瓜山銅礦應(yīng)用，對(duì)空區(qū)邊界控制、后續(xù)回采、地壓監(jiān)測(cè)等起到很好的指導(dǎo)作用。但CMS系統(tǒng)對(duì)于部分回采結(jié)束后難以接近的盲空區(qū)(無硐室相通或硐室已被破壞人員無法進(jìn)入)無法實(shí)現(xiàn)探測(cè)，給后期回采設(shè)計(jì)帶來了困難。C-ALS三維激光掃描系統(tǒng)以其體積小的特性有效地彌補(bǔ)了CMS系統(tǒng)對(duì)盲空區(qū)無法得到及時(shí)、準(zhǔn)確探測(cè)的不足，為礦山后續(xù)采礦安全生產(chǎn)提供了有力的技術(shù)保障。

1 CMS和C-ALS簡(jiǎn)介

三維激光探測(cè)系統(tǒng)CMS(3D Laser Cavity Monitoring System)是加拿大Optech公司生產(chǎn)的一種基于激光的空區(qū)探測(cè)系統(tǒng)。基本構(gòu)成包括激光掃描頭、電源箱、手持式控制器、支撐桿架及數(shù)據(jù)處理軟件。進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)需要3～4人協(xié)同作業(yè)(含測(cè)量人員2人)。CMS探測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理是利用其自帶的處理軟件將“.txt”格式的文件轉(zhuǎn)換成“.dxf”格式的文件。

C-ALS(Cavity-Autoscanning Laser System)為英國(guó)MDL(Measurement Devices Limited)公司生產(chǎn)的沿鉆孔下放的三維激光掃描系統(tǒng)，探頭直徑僅5 cm，孔徑大于70 mm即可放下。基本構(gòu)成包括探頭(內(nèi)置一個(gè)攝像機(jī))、折疊式鉆桿、電纜、控制箱和電源。進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)需要5～6人協(xié)同作業(yè)(含測(cè)量人員2人)。C-ALS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理是利用其自帶的處理軟件將“.MDL”格式的文件轉(zhuǎn)換為“.dxf”格式的文件。CMS與C-ALS的主要技術(shù)參數(shù)對(duì)照見表1[5]。

表1 CMS與C-ALS技術(shù)參數(shù)對(duì)照表

對(duì)比以上參數(shù)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)可發(fā)現(xiàn)CMS與C-ALS系統(tǒng)各自優(yōu)缺點(diǎn)：

1)CMS系統(tǒng)設(shè)備組件數(shù)量少，現(xiàn)場(chǎng)操作簡(jiǎn)便，需要的人員少，有利于輕裝簡(jiǎn)行；一般用于有硐室相通的采空區(qū)探測(cè)，此時(shí)探測(cè)效率較高。

2)與其他三維掃描系統(tǒng)相比，C-ALS系統(tǒng)所需鉆孔直徑極大縮小，C-ALS探頭直徑為5 cm，能通過直徑7 cm以上的鉆孔，便于利用礦山現(xiàn)有鉆孔進(jìn)行測(cè)量，但C-ALS系統(tǒng)設(shè)備組件較多，現(xiàn)場(chǎng)架設(shè)需要的人員和時(shí)間更長(zhǎng)。因此，在探測(cè)盲采空區(qū)(無硐室相通或硐室已被破壞人員無法進(jìn)入)時(shí)更能發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。

3)相較于CMS系統(tǒng)的280°掃描，C-ALS系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)無盲區(qū)的360°掃描[6]。CMS系統(tǒng)應(yīng)用于有硐室相通的采空區(qū)探測(cè)時(shí)，盲區(qū)范圍剛好在硐室范圍內(nèi)，不會(huì)影響探測(cè)模型的完整性。

4)C-ALS系統(tǒng)通過在探頭中內(nèi)置攝像頭和照明系統(tǒng)來避免探頭在下放過程的損壞。CMS系統(tǒng)探測(cè)時(shí)則需要注意硐室上方的浮石對(duì)儀器設(shè)備造成損壞。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，作者認(rèn)為C-ALS系統(tǒng)的損壞風(fēng)險(xiǎn)還是要高于CMS系統(tǒng)。

5)C-ALS系統(tǒng)內(nèi)置的傳感器能實(shí)時(shí)探測(cè)顯示探桿傾角和轉(zhuǎn)角，可同時(shí)用于鉆孔測(cè)斜。同時(shí)C-ALS系統(tǒng)在井筒探測(cè)、對(duì)高溫高濕高粉塵環(huán)境的適應(yīng)性、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)顯示方面具有一定優(yōu)勢(shì)。

2 冬瓜山銅礦采空區(qū)探測(cè)實(shí)踐

冬瓜山銅礦位于安徽省銅陵市獅子山區(qū)，是銅陵有色金屬集團(tuán)公司主力礦山之一，主要采用大直徑深孔階段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法開采。

采用CMS系統(tǒng)探測(cè)的某采空區(qū)三視圖見圖1，探測(cè)模型與設(shè)計(jì)模型復(fù)合圖見圖2，剖面圖見圖3。根據(jù)DIMINE軟件的報(bào)告實(shí)體體積和布爾運(yùn)算功能可以求出該采空區(qū)的損失率、貧化率(表2)。

圖1 采空區(qū)探測(cè)模型Fig.1 Goaf detection model

圖2 采空區(qū)探測(cè)模型與設(shè)計(jì)模型復(fù)合圖Fig.2 Composite diagram of goaf detection model and design model

表2 采空區(qū)損失率、貧化率計(jì)算表

C-ALS系統(tǒng)除了能對(duì)盲空區(qū)(無硐室相通或硐室已被破壞人員無法進(jìn)入)實(shí)施探測(cè)，彌補(bǔ)CMS系統(tǒng)的不足之外，還能對(duì)井筒等進(jìn)行探測(cè)。冬瓜山銅礦某溜井探測(cè)模型見圖3，該溜井模型剖面與附近豎井及中段巷道對(duì)照見圖4。

圖3 溜井探測(cè)模型Fig.3 Slide detection model

圖4 溜井探測(cè)模型與中段巷道對(duì)照?qǐng)D(單位：mm)Fig.4 Comparison of slip detection model and roadway(Unit:mm)

結(jié)合模型圖分析認(rèn)為，該溜井形狀成扁平狀，三維實(shí)體模型體積為2 400.5 m3，走向長(zhǎng)約24 m，腹部厚度約為6 m。-850 m剖面面積為62.6 m2，長(zhǎng)度23.5 m，最寬處寬度5.2 m，離巷道最近距離為6.2 m，與1#井最近處距離約為8.2 m，與2#井最近處距離約為35.5 m；-875 m剖面面積為28.5 m2，長(zhǎng)度15 m，最寬處寬度3.2 m。離巷道最近距離為1.2 m，與1#井最近處距離約為15 m，與2#井最近處距離約為42.4 m。因此，該井筒在-875 m與巷道距離較近，需要采取措施加以處理。

2010年至今，銅陵有色技術(shù)中心累計(jì)在冬瓜山銅礦探測(cè)采空區(qū)170多個(gè)，建立了冬瓜山銅礦完備的采空區(qū)模型體系，為該礦的空區(qū)穩(wěn)定性分析、充填量確定、二步驟回采爆破設(shè)計(jì)、隔離礦柱回采方案設(shè)計(jì)等提供了大量詳實(shí)具體的基礎(chǔ)資料，有力推動(dòng)了數(shù)字礦山建設(shè)，是不可多得的成功實(shí)踐。

3 結(jié)論

1)實(shí)踐表明，三維激光掃描技術(shù)在礦山生產(chǎn)應(yīng)用廣泛，目前主要用于采空區(qū)探測(cè)、輔助礦柱回采爆破設(shè)計(jì)、損失率和貧化率校對(duì)、鉆孔測(cè)斜、溜井破壞情況探測(cè)等。

2)經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用，CMS系統(tǒng)和C-ALS系統(tǒng)各有優(yōu)缺點(diǎn)，CMS系統(tǒng)對(duì)有硐室相通的采空區(qū)探測(cè)效率較高，C-ALS系統(tǒng)在盲空區(qū)(無硐室相通或硐室已被破壞人員無法進(jìn)入)和井筒探測(cè)時(shí)更能發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。

3)三維激光掃描技術(shù)在冬瓜山銅礦的成功應(yīng)用為該礦的安全生產(chǎn)提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。