基于三維激光掃描儀的礦山高溜井垮塌數(shù)字化分析

陳凱

（峽江縣自然資源局 吉安 343000）

引言

溜井在礦山運(yùn)輸，提高礦山生產(chǎn)效率、降低成本發(fā)揮重要作用，溜井在金屬礦山運(yùn)輸中普遍存在，在礦山巖石條件不好的情況下，礦石在溜井運(yùn)輸過(guò)程中，對(duì)溜井進(jìn)行沖擊、摩擦，容易造成溜井發(fā)生破壞[1]。鑒于溜井探測(cè)條件復(fù)雜，獲取實(shí)際模型難度大，國(guó)內(nèi)目前對(duì)溜井探測(cè)還是處在初步階段，對(duì)溜井形態(tài)分析主要是靠肉眼分析。目前，高溜井垮塌區(qū)探測(cè)方法主要有：CT 探測(cè)、地震法、電阻率法、電磁法、探地雷達(dá)以及三維激光探測(cè)技術(shù)等[3]。但是地震波法空區(qū)探測(cè)技術(shù)（包括地震法、CT探測(cè)等）極易受到噪音影響。電磁法探測(cè)空區(qū)探測(cè)技術(shù)（包括電磁法、探地雷達(dá)、電阻率法等）常受到地下礦山的電線、管道、雜散的電流以及各種電磁干擾。與三維激光探測(cè)技術(shù)相比，其它探測(cè)方法抗干擾能力較弱，探測(cè)深度及精度受限、過(guò)程繁瑣，同時(shí)可視化程度也比較低[4]。

圖1 激光探測(cè)原理圖

目前國(guó)內(nèi)外金屬礦山廣泛采用新型的空區(qū)激光探測(cè)系統(tǒng)（C-ALS）對(duì)溜井垮塌區(qū)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)三維探測(cè)，可高效、準(zhǔn)確地獲取溜井垮塌區(qū)的三維空間形態(tài)、所處的空間位置，以及溜井垮塌區(qū)域的實(shí)際邊界和垮塌量等實(shí)時(shí)的信息，探測(cè)結(jié)果的可視化程度較高[5-6]。結(jié)合C-ALS-SURPAC 耦合技術(shù)，對(duì)溜井垮塌區(qū)進(jìn)行建?？梢暬幚?，得到溜井實(shí)際準(zhǔn)確模型，獲取溜井在空間的垮塌位置、溜井垮塌的實(shí)際邊界、溜井垮塌量等數(shù)據(jù)[7-8]。為礦山對(duì)溜井垮塌的治理提供技術(shù)支持及完整的數(shù)據(jù)模型。

1 溜井實(shí)體模型獲取

1.1 C-ALS與SURPAC耦合數(shù)字化技術(shù)介紹

圖2 實(shí)體模型建模流程

高溜井探測(cè)是將C-ALS掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，數(shù)據(jù)保存為Surpac 軟件支持的“.dxf 文件”，在Surpac軟件中將“.dxf”文件轉(zhuǎn)換成“.str”文件，并且在SURPAC 實(shí)體操作模塊，形成實(shí)體模型“.dtm”文件。如果形成實(shí)體過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題，則將“.dxf”文件在CAD 中進(jìn)行處理，處理后將其保存為“.dxf”文件，再進(jìn)行操作，如果形成實(shí)體過(guò)程中沒(méi)出現(xiàn)問(wèn)題，則進(jìn)行下一步操作。在數(shù)字化建模軟件SURPAC 中對(duì)得到的高溜井實(shí)體模型進(jìn)行驗(yàn)證，如果驗(yàn)證失敗，在對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行處理。得到的實(shí)體在SURPAC 中，可進(jìn)行實(shí)際探測(cè)模型與設(shè)計(jì)模型對(duì)于分析，可得到垮塌部位、垮塌量等數(shù)據(jù)。高溜井激光探測(cè)原理如圖1所示；高溜井三維模型Surpac生成流程如圖2所示。

1.2 垮塌區(qū)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)獲取

通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)觀察，確定儀器架設(shè)位置，找到最好的測(cè)點(diǎn)位置對(duì)高溜井垮塌區(qū)域進(jìn)行三維探測(cè)。采用激光掃描儀探測(cè)溜井的位置是相對(duì)位置，即相對(duì)與激光掃描頭中心點(diǎn)的坐標(biāo)[9]。所以在探測(cè)開(kāi)始之前，先對(duì)激光探頭及探桿進(jìn)行探測(cè)，借助兩點(diǎn)空間三維坐標(biāo)，求出三維激光掃描儀桿件在空間的方位角，在探測(cè)過(guò)程中，輸入探頭坐標(biāo)定位，輸入方位角定高溜井在空間方向，探測(cè)的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)即為高溜井的實(shí)際空間位置。高溜井空間定位坐標(biāo)的獲取如表1所示。

表1 高溜井垮塌定位數(shù)據(jù)的獲取

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，在軟件中轉(zhuǎn)化為“.str”文件，并對(duì)文件進(jìn)行去除噪音點(diǎn)、重復(fù)點(diǎn)等操作，利用礦山數(shù)字化建模軟件SURPAC 中的實(shí)體模型模塊，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到高溜井的實(shí)際空間模型，對(duì)高溜井垮塌部位建立設(shè)計(jì)三維模型，通過(guò)兩種模型對(duì)比分析。如圖3所示。

圖3 高溜井溜井三維模型圖

根據(jù)建模所得到的的實(shí)際三維空間模型，對(duì)模型每隔10m 進(jìn)行剖切，得到高溜井垮塌的部位每隔10m 標(biāo)高參數(shù)體積、平均水平面積、設(shè)計(jì)水平面積、累計(jì)體積等參數(shù)。如表2 所示；通過(guò)分析標(biāo)高體積、平均水平面積得到高溜井主要垮塌標(biāo)高，可知高溜井主要垮塌部位，為后續(xù)高溜井垮塌分析及治理提供技術(shù)支持。如折線圖4所示。

表2 高溜井垮塌各高度參數(shù)獲取表

圖4 高溜井垮塌標(biāo)高位置圖

根據(jù)表2及圖4可知：高溜井垮塌位置隨著深度的增加，高溜井垮塌面積越大，在-780m 到-790m 位置，高溜井垮塌面積最大，垮塌最嚴(yán)重的。隨著深度的增加，垮塌體積及平均水平垮塌面積逐漸變大。在-780m到-790m位置達(dá)到最高峰，隨后變小。通過(guò)三種折線圖的對(duì)比分析可知，此礦山高溜井垮塌嚴(yán)重，需要盡快治理。

2 高溜井垮塌部位剖面圖

2.1 高溜井垮塌水平剖面圖

運(yùn)用三維礦山軟件SURPAC 對(duì)高溜井垮塌部位進(jìn)行水平剖面，每隔10m高度垂直Z軸剖切一個(gè)水平剖面，得到高溜井的實(shí)測(cè)模型與設(shè)計(jì)模型標(biāo)高剖切圖。水平剖面的剖切標(biāo)高在-740m 到-800m 之間。根據(jù)水平剖面圖可知，高溜井垮塌的最大寬度，對(duì)高溜井進(jìn)行縱剖面剖切，得到高溜井垮塌縱剖面圖。如圖5所示。

圖5 溜井剖面圖

通過(guò)對(duì)溜井每隔10m切橫剖面圖，看出溜井在-740m 以上基本無(wú)塌陷，在-800m 以下溜井垮塌部位主要在溜井出礦口部位，溜井垮塌面積在-780m 標(biāo)高附近垮塌較大，高溜井垮塌面積在最大為140m2左右。對(duì)溜井進(jìn)行縱剖面圖的分析，得到溜井垮塌的垮塌部位為-760m 以下斜溜槽，具體分析原因是礦體在-700m中段放礦時(shí)，對(duì)溜槽進(jìn)行沖擊及磨蝕，根據(jù)礦石的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，礦石從斜溜槽下放后，會(huì)對(duì)溜槽對(duì)面的溜井壁進(jìn)行沖擊，造成溜井壁破壞嚴(yán)重，最終破壞到溜井的出礦巷道頂板，造成出礦巷道的頂板破壞。

2.2 溜井垮塌原因分析

高溜井垮塌因素很多，不同礦山不同地質(zhì)條件，溜井的破壞方式也不同，高溜井的施工方式不同，也會(huì)造成溜井垮塌的原因不同。通過(guò)對(duì)高溜井進(jìn)行剖面切割，得到高溜井垮塌的剖面圖，如圖5所示，通過(guò)垮塌剖面圖可知，礦巖在溜井中運(yùn)輸，因礦石運(yùn)動(dòng)路線不同，對(duì)高溜井壁沖刷的位置不同，但溜井破壞的方式主要為沖擊、碰撞破壞。礦石在放礦過(guò)程中，對(duì)溜井壁進(jìn)行沖擊，使溜井形成松動(dòng)圈，在漫長(zhǎng)沖擊過(guò)程中，溜井壁慢慢發(fā)生破壞，最終導(dǎo)致溜井垮塌。因此，在分析溜井垮塌原因中，抓住主要因素是必須的。對(duì)完整高溜井壁垮塌原因，主要是礦石在放礦過(guò)程中，長(zhǎng)期對(duì)溜井壁沖擊、碰撞、摩擦。是溜井破壞的主要誘因。

3 結(jié)論

根據(jù)高溜井垮塌部位現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)三維模型圖及垮塌剖面圖面積分析，可以得到以下結(jié)論。

（1）利用三維激光掃描儀（C-ALS）對(duì)溜井實(shí)體模型進(jìn)行探測(cè)，并用大型礦山軟件SURPAC 對(duì)溜井探測(cè)模型進(jìn)行實(shí)體建模，突破了傳統(tǒng)方法難以實(shí)現(xiàn)對(duì)溜井三維空間的獲取，構(gòu)建了溜井三維可視化模型。通過(guò)溜井三維可視化模型，準(zhǔn)確獲得溜井在空間內(nèi)的三維形態(tài)、空間的實(shí)際位置、溜井的實(shí)際邊界。

（2）對(duì)三維模型進(jìn)行橫剖面及縱剖面切割，分析溜井的在各標(biāo)高的垮塌面積，得到溜井的垮塌面積在-780m 左右達(dá)到最大，最大垮塌面積140m2左右，為高溜井垮塌治理提供技術(shù)支持。

（3）通過(guò)縱剖面圖及高溜井實(shí)體探測(cè)模型分析得到溜井的垮塌原因主要是溜井在礦石放礦過(guò)程中對(duì)-760m 中段斜溜槽沖擊造成破壞，根據(jù)礦石運(yùn)動(dòng)軌跡對(duì)溜井壁進(jìn)行沖擊、碰撞、摩擦造成損壞。