基于三維激光掃描的溜井測量與分析

文 興，朱青凌

(1.長沙礦山研究院有限責任公司，長沙 410012；2.金屬礦山安全技術(shù)國家重點實驗室，長沙 410012)

溜井是地下礦山溜破系統(tǒng)重要組成部分，是利用自重從上往下溜放礦石或廢石的通道，主要功能是負責集貯和轉(zhuǎn)運井下開采礦巖，在地下固體礦山廣泛使用[1]。

礦山正常生產(chǎn)過程中，頻繁往溜井倒入和放出礦石或廢石，溜井井壁受到礦巖的沖刷和碰撞沖擊作用，常會出現(xiàn)磨損甚至破壞，當局部破壞發(fā)展到一定程度，就有可能威脅到整個溜破系統(tǒng)安全，甚至殃及相鄰井筒和巷道，影響礦山安全生產(chǎn)[2]。

為了確保溜井的安全使用，需要定期對溜井進行探測和測量，評估溜井的安全狀況。但由于溜井構(gòu)造的特殊性，處于安全考慮，一般不允許人員直接進入溜井內(nèi)部了解情況，采用傳統(tǒng)測量方式也無法準確獲得內(nèi)部數(shù)據(jù)。因此，溜井測量宜采用連續(xù)、自動、精確的非接觸式測量設(shè)備，且能實現(xiàn)三維可視化。

1 工程背景與測量方法

1.1 工程背景

某地下銅礦采用斜坡道+豎井開拓，大直徑深孔采礦嗣后充填采礦法開采，設(shè)計原礦生產(chǎn)能力為0.5萬t/d，目前已開拓形成0、-50、-100 m三個中段。

2號溜井為主礦石溜井，位于斜坡道附近，標高為0 ～-150 m。在0、-50、-100 m中段內(nèi)各設(shè)卸礦硐室。溜井為圓形斷面，主井筒凈直徑3.5 m，-120 m以下部分為儲礦段，直徑5 m。溜井井口段25.0 m內(nèi)采用整體混凝土支護，厚度500 mm。溜礦段采用噴射混凝土支護，厚度100 mm。礦倉部位，為防止礦石的沖擊和磨損，在礦倉下部12 m高度范圍內(nèi)采用鋼軌加固。裝礦硐室以砼整體支護為主，支護厚度400 mm，混凝土強度為C25。

2號溜井于2015年建成并投入使用，至2018年6月，已正常使用3年，累計總放礦量約300萬t。溜井使用過程中，礦山根據(jù)溜井的儲礦量、礦石塊度等判斷，自2017年6月開始，2號礦石溜井發(fā)生過幾次不同程度的垮冒現(xiàn)象。為了準確掌握2號溜井井筒斷面形狀，評估井筒垮塌程度，需要開展精確測量工作，分析和評估溜井垮塌情況，為溜井運行維護、使用管理和安全治理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和科學依據(jù)。

1.2 測量方法

三維激光掃描技術(shù)是一門新興的測繪技術(shù)，是測繪領(lǐng)域繼GPS技術(shù)之后的又一次技術(shù)革命，三維激光掃描技術(shù)又稱“實景復(fù)制技術(shù)”[3-4]。三維激光掃描儀采用高速激光的非接觸式測量方法，能在復(fù)雜場地和有限空間對被測目標進行快速準確的掃描和測量，獲得海量點云數(shù)據(jù)[5-6]。點云數(shù)據(jù)經(jīng)過處理，可建立三維實體模型展示溜井現(xiàn)狀情況，能為溜井安全穩(wěn)定狀況評估和后期治理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和科學依據(jù)。

C-ALS掃描系統(tǒng)為英國MDL公司開發(fā)的一款微型耐用的3D激光掃描系統(tǒng)，能對地下空穴和空腔安全、快速、精確地進行掃描[7]。儀器探頭呈桿狀，直徑為50 mm，可以通過鉆孔，用折疊桿將探頭送放至難以接近的采空區(qū)、溶洞以及任何空腔內(nèi)進行掃描。C-ALS采用馬達驅(qū)動雙軸掃描探頭，實現(xiàn)在水平方向和垂直方向做360°球形掃描，一次掃描可覆蓋整個空穴，最大掃描距離達150 m。C-ALS探頭集成了轉(zhuǎn)動、傾斜、內(nèi)置羅盤等多個傳感器，激光掃描點云數(shù)據(jù)定向和定位準確性高。系統(tǒng)掃描方法和原理如圖1所示。

圖1 C-ALS掃描原理示意圖Fig.1 The diagram of C-ALS scanning principle

2 溜井現(xiàn)場掃描測量

2.1 現(xiàn)場掃描測量過程

2號溜井總長度為150 m，在-50、-100和-150 m三個中段設(shè)有卸礦斜溜槽?？紤]到測量人員和掃描設(shè)備安全以及取得良好的探測效果，掃描探測工作分兩階段進行。

第一階段完成0～-100 m中段溜井掃描工作，利用0 m中段2號溜井頂部導向孔(孔徑約250 mm)下放設(shè)備進行掃描，然后通過折疊連接桿不斷下降，進行分段采集溜井數(shù)據(jù)，共進行14次測量，取得了完整和豐富的點云數(shù)據(jù)。

第二階段完成-100～-150 m中段溜井掃描工作，需要在-100 m溜井格篩上安裝工作平臺，在斜溜槽內(nèi)安裝導向管，內(nèi)徑136 mm，長度18 m，導向管上部固定在溜井格篩上，通過導向管下放掃描探頭至溜井內(nèi)進行掃描探測，最后對-100 m中段放礦斜溜槽進行掃描，取得了完整和豐富的點云數(shù)據(jù)。C-ALS測試過程如圖2所示。

圖2 C-ALS測試過程示意圖Fig.2 The diagram of C-ALS test process

2.2 點云數(shù)據(jù)

三維激光掃描的點密度達厘米級，能最大限度地展現(xiàn)溜井現(xiàn)狀，能為溜井安全評估和治理提供精確的基礎(chǔ)測量數(shù)據(jù)[8]。對2號溜井進行現(xiàn)場掃描后，采用Cavity Scan專業(yè)軟件對原始點云數(shù)據(jù)進行坐標賦值，編輯并生成點云圖，如圖3～5所示。

圖3 2號溜井0～100 m標高掃描點云數(shù)據(jù)圖Fig.3 The scanning point cloud data of 0-100 m elevation on No.2 slip well

圖4 2號溜井-100～-150 m標高掃描點云數(shù)據(jù)圖Fig.4 The diagram of scanning point cloud data of -100--150 m elevation on No.2 slip well

圖5 2號溜井-100 m斜溜槽掃描點云數(shù)據(jù)圖Fig.5 The diagram of scanning point cloud data of -100 m inclined chute on No.2 slip well

3 數(shù)據(jù)處理與分析應(yīng)用

3.1 數(shù)據(jù)處理與實體建模

Cavity Scan軟件為C-ALS三維激光掃描系統(tǒng)的配套專業(yè)軟件，其通用性較差，掃描結(jié)果不方便隨意查看和操作，同時其三維顯示為點云數(shù)據(jù)、線或者三角網(wǎng)顯示，沒有三維實體顯示，不能直觀反映出溜井的空間信息[9]。通過Cavity Scan軟件對點云數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理，將點云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)镾urpac軟件能夠支持的水平線文件，對2號溜井的兩段掃描結(jié)果進行組合，生成密集的水平線文件，再采用Surpac軟件進行三維實體建模[10]。

Surpac是一款全面集成的三維數(shù)字化礦業(yè)軟件，在國內(nèi)外廣泛使用。采用Surpac軟件建立的溜井三維實體模型，其模型可以進行直觀的空間關(guān)系顯示以及相應(yīng)的操作，為溜井現(xiàn)狀分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，其轉(zhuǎn)化文件和三維實體模型如圖6和圖7所示。

圖6 Cavity Scan文件轉(zhuǎn)Surpac線文件Fig.6 The file on Surpac line transformed by Cavity Scan file

圖7 2號溜井Surpac三維實體模型Fig.7 The Surpac 3D solid model on No.2 slip well

3.2 溜井與其他工程空間關(guān)系分析

溜井失穩(wěn)或垮塌會威脅到周邊工程的安全，采用Surpac軟件建立溜井與周邊工程三維可視化模型，分析溜井與周圍工程的空間距離和方位關(guān)系，評估溜井對周圍工程的危害，如圖8所示。

圖8 實測2號溜井與其他工程位置關(guān)系圖Fig.8 The measured location relationship between No.2 slip well and other projects

從模型空間關(guān)系得出，1號溜井位于2號溜井北偏東78°方向，井筒中心距離為20 m，2號溜井垮塌位置主要集中在-113 m標高處，垮塌方位為225°，為-100 m中段斜溜槽正對面，朝遠離1號溜井方向發(fā)展；掃描探測未見1號和2號溜井出現(xiàn)貫通現(xiàn)象，2號溜井垮塌邊界距離1號溜井設(shè)計井筒壁的最小距離為10.85 m，因此2號溜井的垮塌對1#溜井暫時不會造成安全影響。

3.3 平剖面輸出與破壞特征分析

根據(jù)建立的2號溜井實測模型，輸出典型剖面圖和水平斷面圖，如圖9和圖10所示。通過對2號溜井實測模型進行剖面和平面的分析，得出一系列2號溜井實測模型的空間信息和參數(shù)，對數(shù)據(jù)信息進行匯總和做圖，如圖9～11、表1所示。

圖9 2號溜井中心線剖面圖Fig.9 The sectional view of centerline on No.2 slip well

從2號溜井中心線剖面圖和水平斷面圖可以得出：0～-100 m段井筒壁整體完整性較好，在-43～-49 m標高處有局部垮塌現(xiàn)象。最大垮塌位置在-47 m標高處，最大垮塌尺寸3.6 m，實測井筒斷面等效直徑9.6 m，實測井筒斷面積72.50 m2，最大垮塌尺寸為原設(shè)計井筒直徑的0.9倍，垮塌區(qū)域高程范圍不大，且是沿井筒四周較均勻垮塌，井筒其他部位基本完整，因此，該段井筒穩(wěn)定較好，不會對周邊巷道和工程造成安全影響。-100～-150 m段井筒壁完整性較好，垮塌現(xiàn)象主要出現(xiàn)在-110～-130 m標高范圍內(nèi)，井壁擴刷面較均勻。最大垮塌位置在-126 m標高處，最大垮塌尺寸4.2 m，實測井筒斷面等效直徑8.8 m，實測井筒斷面積60.26 m2，最大垮塌尺寸為原設(shè)計井筒直徑的0.84倍，主要垮塌方位為斜溜槽正對面，其方位角約225°，為井筒壁整體刷大，井筒壁完整性較好。-110 m標高垮塌位置與-100 m中段尚有10 m以上的安全距離，因此暫不會對-100 m中段周邊巷道和工程造成安全影響。

圖10 2號溜井設(shè)計與實測水平斷面圖Fig.10 The designed and measured horizontal section on No.2 slip well

表1 2號溜井實測模型實測體積和垮塌體積統(tǒng)計表

注：實測體積為溜井掃描的實際體積，垮塌體積為實際體積減去設(shè)計體積。

圖11 2號溜井實測模型實測體積和垮塌體積對比圖Fig.11 The comparison of measured volume and collapsed volume of the measured model on No.2 slip well

根據(jù)垮塌量統(tǒng)計和計算結(jié)果，2號溜井總垮塌量約為2 155 m3，其中-100～-150 m段占45.43%，-50～-100 m段占19.35%，0～-50 m段占35.22%。

4 結(jié)論

溜井是礦山溜破系統(tǒng)的重要組成部分，其安全狀況直接影響礦山正常生產(chǎn)，溜井井壁受中段卸礦不斷沖擊受損，經(jīng)常會出現(xiàn)垮塌破壞現(xiàn)象，受作業(yè)空間和測量條件限制，常規(guī)測量手段難以滿足要求，本文采用C-ALS三維激光掃描系統(tǒng)對2號溜井進行了準確掃描和探測，得出以下結(jié)論和建議：

1)現(xiàn)場掃描取得了豐富和完整的點云數(shù)據(jù)，能準確反映溜井垮塌的空間形態(tài)、位置和實際邊界，通過數(shù)據(jù)處理，建立了溜井及周邊工程三維實體模型，實現(xiàn)了溜井垮塌狀況三維可視化。

2)通過對溜井實測模型與設(shè)計模型進行布爾運算，輸出平、剖面圖，統(tǒng)計和計算井筒參數(shù)，得出了溜井在不同標高的具體垮塌體積和形狀參數(shù)，分析了溜井的破壞情況和破壞特征。

3)2號溜井垮塌垮塌位置只要集中在各中段放礦斜溜槽對面，井壁擴刷面較均勻，實測斷面多為近圓形，對井筒整體穩(wěn)定性有利，暫時不會對1號溜井、破碎硐室造成安全影響。

4)建議溜井滿井筒儲礦、出礦，減小卸礦時礦石對井筒壁的沖刷破壞，建立溜井礦石面動態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，動態(tài)調(diào)控出礦量和倒礦量。