基于C-ALS三維激光掃描的深埋隱蔽采空區(qū)空間形態(tài)探測(cè)與治理

邱振華，林秀云

(廣東省大寶山礦業(yè)有限公司， 廣東 韶關(guān)市 512128)

1 礦山概況

廣東省大寶山礦區(qū)位于韶關(guān)市曲江區(qū)沙溪鎮(zhèn)境內(nèi)，是以鐵、銅、鉛鋅礦為主的大型多金屬露天礦山。+750m以上主要為褐鐵礦，以下為黃銅礦、磁黃銅礦、硫、鉛鋅礦。褐鐵礦已于2015年采完，目前主要開采銅硫礦，年產(chǎn)量為330萬t，礦區(qū)最高開采標(biāo)高為865m，最低標(biāo)高為637m，臺(tái)階高度為12m，開采范圍在0～63勘探線之間。目前開采水平為+637m～+793m，+793m以上為基建剝離。

大寶山礦業(yè)有限公司銅硫鉛鋅多金屬礦區(qū)原為露天?井下聯(lián)合開采，由于民采的歷史原因，采坑境界內(nèi)+730m～+400m之間遺留大量采空區(qū)，范圍涉及整個(gè)采場(chǎng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，礦山每年發(fā)生采空區(qū)塌陷險(xiǎn)情數(shù)十起，僅2019年就發(fā)生78起，嚴(yán)重威脅正常生產(chǎn)。因此，亟待開展深埋隱蔽采空區(qū)空間形態(tài)探測(cè)技術(shù)的研究，以降低事故發(fā)生概率。

2 采空區(qū)探測(cè)

2.1 C-ALS三維激光探測(cè)

礦山采空區(qū)三維激光探測(cè)系統(tǒng)選用C-ALS空區(qū)自動(dòng)激光掃描系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由C-ALS探頭、連接加長件、主電纜線、鉆孔跟蹤桿架、地面單元、供電電源線、筆記本電腦等構(gòu)件組成。

C-ALS采用雙軸掃描探頭，掃描范圍為0.5m～150m，以覆蓋整個(gè)空區(qū)。儀器有線遙測(cè)系統(tǒng)可將測(cè)量數(shù)據(jù)傳回地面的控制單元，利用MDL的控制軟件實(shí)時(shí)獲取激光掃描生成的三維空區(qū)圖像，ALS掃描系統(tǒng)具有垂直掃描和水平掃描兩種功能（見圖1）。亦可建立空區(qū)三維模型，然后將空區(qū)模型與礦體模型復(fù)合，得到礦區(qū)三維實(shí)體模型。

圖1 掃描軌跡

2.2 采空區(qū)探測(cè)數(shù)據(jù)處理

采空區(qū)經(jīng)過C-ALS三維激光掃描后，利用C-ALS控制軟件得到采空區(qū)三維掃描數(shù)據(jù)。對(duì)采空區(qū)三維掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到采空區(qū)相關(guān)空間參數(shù)：方位坐標(biāo)，頂板標(biāo)高，底板標(biāo)高，采空區(qū)高度、跨度、面積、體積等。C-ALS控制軟件可以將三維掃描圖轉(zhuǎn)換為CAD版本，運(yùn)用CAD軟件將采空區(qū)三維俯視圖繪制成采空區(qū)平面圖。

2020年4月2日，通過水平掃描方式獲取采場(chǎng)512線709m層面下方689采空區(qū)三維掃描圖像及CAD平面圖，如圖2所示。掃描采空區(qū)參數(shù)見表1。

圖2 689采空區(qū)掃描結(jié)果

表1 51-689采空區(qū)參數(shù)

2020年5月8日，通過垂直掃描方式獲得采場(chǎng)37線649m層面下方632采空區(qū)三維掃描圖像及CAD平面圖，如圖3所示。掃描采空區(qū)參數(shù)見表2。

圖3 632采空區(qū)掃描結(jié)果

表2 632采空區(qū)參數(shù)

2.3 C-ALS三維激光掃描驗(yàn)證

為了校驗(yàn)C-ALS三維激光探測(cè)的深埋隱蔽采空區(qū)空間形態(tài)精度，2020年5月13日，在685層面45線對(duì)即將處理的658采空區(qū)進(jìn)行三維激光掃描。經(jīng)三維激光掃描獲取的該采空區(qū)三維模型及平面圖如圖4所示，采空區(qū)參數(shù)見表3。

圖4 658采空區(qū)掃描結(jié)果

5月15日，在685m層面對(duì)658采空區(qū)實(shí)施崩落頂板爆破處理，結(jié)果見表4。

表3 658采空區(qū)參數(shù)

表4 658采空區(qū)爆破處理實(shí)際鉆孔參數(shù)表

通過表1可以看出：

（1）根據(jù)掃描參數(shù)設(shè)計(jì)的采空區(qū)炮孔深度與實(shí)際穿孔深度基本相符，孔深存在誤差的原因主要是實(shí)際層面標(biāo)高與設(shè)計(jì)標(biāo)高+685m有差異；

（2）采空區(qū)內(nèi)設(shè)計(jì)炮孔基本都打穿，10號(hào)孔因?yàn)閹r石破碎無法穿孔，13號(hào)孔未出現(xiàn)異常，穿孔精準(zhǔn)度為95%；

（3）經(jīng)爆破處理后對(duì)地形進(jìn)行測(cè)量核對(duì)評(píng)估，認(rèn)為爆破后頂板碎石對(duì)采空區(qū)完全充實(shí)，效果達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

658采空區(qū)掃描數(shù)據(jù)及處理情況說明C-ALS三維激光掃描儀掃描的采空區(qū)參數(shù)與實(shí)際相符合。

3 采空區(qū)礦體開采技術(shù)

采空區(qū)經(jīng)掃描后對(duì)掃描采空區(qū)進(jìn)行管理，在生產(chǎn)計(jì)劃圖紙上建立采空區(qū)管理檔案，掌握采剝作業(yè)下方采空區(qū)情況，在開采過程中實(shí)施動(dòng)態(tài)管理。圖5為649m、661m層面33至37勘探線下部已探明采空區(qū)的情況資料。

圖5 33-37線已掃描采空區(qū)資料

（1）確定采空區(qū)保安層安全厚度。根據(jù)采空區(qū)頂板鉆孔巖性情況，保安層最小厚度按h=0.71b?1.02計(jì)算。確定采空區(qū)安全厚度后制定爆破參數(shù)處理采空區(qū)，處理臺(tái)階以上的臺(tái)階開采正常推進(jìn)。以658采空區(qū)為例，658采空區(qū)爆破崩落處理臺(tái)階為685m，其上方697m、709m、721m臺(tái)階正常推進(jìn)。

（2）揭露采空區(qū)。在685m臺(tái)階上方揭露采空區(qū)時(shí)，需對(duì)采空區(qū)上方的爆堆鏟裝作業(yè)制定安全運(yùn)輸方案，以防發(fā)生采空區(qū)垮塌。通常為固定一臺(tái)挖機(jī)設(shè)備，環(huán)繞采空區(qū)外側(cè)對(duì)采空區(qū)上方松石進(jìn)行鏟裝，挖機(jī)需要進(jìn)入采空區(qū)范圍內(nèi)鏟裝時(shí)，分析掃描數(shù)據(jù)，挖機(jī)機(jī)臺(tái)選擇在頂板較厚位置，運(yùn)輸車輛一進(jìn)一出?，F(xiàn)場(chǎng)有安全管理人員全程監(jiān)管，直至松石清理完畢。

（3）采空區(qū)管理。對(duì)已經(jīng)探明揭露暫時(shí)不處理的采空區(qū)，先進(jìn)行層面警戒，樹立標(biāo)識(shí)牌，嚴(yán)禁無關(guān)人員、車輛設(shè)備進(jìn)入空區(qū)范圍內(nèi)；設(shè)置測(cè)量觀測(cè)點(diǎn)定時(shí)監(jiān)測(cè)，日常采空區(qū)管理人員對(duì)該采空區(qū)進(jìn)行測(cè)量、檢查。

（4）處理采空區(qū)。采空區(qū)完全揭露在處理層面后，制定爆破崩落頂板處理方案，對(duì)采空區(qū)進(jìn)行處理，消除采空區(qū)隱患。

4 結(jié)論

（1）深埋隱蔽采空區(qū)嚴(yán)重制約礦山安全生產(chǎn)，而C-ALS空區(qū)自動(dòng)激光掃描系統(tǒng)能夠有效解決此類空區(qū)空間形態(tài)探測(cè)難題，該系統(tǒng)具有使用靈活、探測(cè)速度快、三維可視化程度高、精準(zhǔn)三維探測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，為采空區(qū)處置提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)保障。

（2）大寶山礦運(yùn)用 C-ALS空區(qū)自動(dòng)激光掃描8年來，共探測(cè)161個(gè)隱患密閉采空區(qū)，探測(cè)精確度為95%，避免可能發(fā)生的設(shè)備墜落事故138起，取得了良好安全效果。

（3）大寶山礦深埋隱蔽采空區(qū)主要采用爆破崩落頂板處置方法，該方法是在采空區(qū)頂板按一定網(wǎng)度布置炮孔打穿采空區(qū)，然后對(duì)孔底進(jìn)行吊裝回填，最后裝藥充填起爆。該處置方法施工簡(jiǎn)單，多年來大寶山礦共成功處置了96個(gè)采空區(qū)，取得了良好效果。