基于激光掃描技術(shù)的溜井垮塌探測及安全措施研究

王世松

（安徽馬鋼羅河礦業(yè)有限責(zé)任公司）

主溜井是地下礦山生產(chǎn)的重要工程，肩負(fù)著礦、巖存儲和轉(zhuǎn)運(yùn)的重任，溜井能否正常運(yùn)行直接影響礦山的安全高效生產(chǎn)［1］。銅綠山銅礦溜井在放礦時受到礦石沖擊與磨損，使用過程中多次發(fā)生片幫導(dǎo)致卸礦巷道破壞［2］；大紅山銅礦主溜井在使用中出現(xiàn)大面積垮塌、片幫［3］。一旦溜井發(fā)生坍塌，會對井下工作人員、生產(chǎn)設(shè)備造成巨大的危害，給礦山企業(yè)帶來難以估量的經(jīng)濟(jì)損失。針對該類問題，掌握溜井的變形垮落情況至關(guān)重要。本文以羅河鐵礦主溜井為研究對象，探索溜井空間的探測方法，并提出應(yīng)對措施。

1 溜井探測技術(shù)方案

傳統(tǒng)的地下礦山垮塌區(qū)探測方法是地震勘探影像法，其通過地震波在不同介質(zhì)中傳播的速度和反射、折射的規(guī)律來確定垮塌區(qū)的大致位置和范圍。另一種方法是重力勘探法，利用地球的重力場變化檢測地下垮塌區(qū)的存在。此外，還可以使用電磁法、地電法、地磁法等非侵入性勘探技術(shù)進(jìn)行地下礦山垮塌區(qū)的探測。但由于地下巖體、巖性、結(jié)構(gòu)面的復(fù)雜性，以及地下水的影響，導(dǎo)致探測精度不夠精確，難以對垮塌區(qū)域穩(wěn)定性進(jìn)行有效、準(zhǔn)確分析與評估，從而規(guī)避礦山生產(chǎn)開采中的安全隱患。

近年來，基于三維激光掃描的探測技術(shù)在礦山地形地質(zhì)、井下測量、變形監(jiān)測等方面得到良好的發(fā)展與應(yīng)用［4-6］。三維激光掃描技術(shù)又被稱為實(shí)景復(fù)制技術(shù)，它突破了傳統(tǒng)的單點(diǎn)測量方法，能夠在計(jì)算機(jī)內(nèi)以點(diǎn)云形式1∶1呈現(xiàn)所掃描的物體及場景，具有高效率、高精度、自動化的獨(dú)特優(yōu)勢。通過利用三維激光掃描技術(shù)掃描物體表面的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，獲取高精度、高分辨率的數(shù)字地形模型，能夠有效測量出垮塌區(qū)域內(nèi)部的具體形態(tài)，在此基礎(chǔ)上，能確定垮塌區(qū)域的具體位置和嚴(yán)重程度，分析評價出垮塌后的風(fēng)險隱患。

BLSS-PE空區(qū)探測系統(tǒng)是一種非接觸測量系統(tǒng)，專門應(yīng)用于地下工程的三維空間形態(tài)獲取與分析，該系統(tǒng)包含2 個部分。首先是BLSS-PE 三維激光掃描儀，它具備數(shù)據(jù)采集、供電通訊和操作控，3個模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)待測空間三維形態(tài)的快速采集和實(shí)時動態(tài)觀察。該激光掃描儀采用先進(jìn)的激光技術(shù)，能夠高效地獲取地下工程的空間數(shù)據(jù)。其次，系統(tǒng)還配備了專業(yè)化的面向點(diǎn)云的智能采礦設(shè)計(jì)與分析軟件平臺，能夠?qū)崿F(xiàn)掃描空間三維模型的快速重建和深入分析。該軟件平臺結(jié)合了點(diǎn)云處理算法和智能化的采礦設(shè)計(jì)功能，可以為地下工程提供全面的數(shù)據(jù)支持和智能化的設(shè)計(jì)方案。通過BLSS-PE空區(qū)探測系統(tǒng)，地下工程的空間形態(tài)獲取和分析將更加高效、準(zhǔn)確。

2 羅河鐵礦溜井三維激光掃描

2.1 地下溜井空區(qū)介紹

羅河鐵礦位于安徽省廬江縣城以南方向35 km處，礦區(qū)面積4.4 km2，鐵礦石儲量5.06 億t，平均TFe品位34.8%，屬于特大型地下礦山。其中，-560 m 水平礦石溜井是主要的放礦溜井，井筒標(biāo)高從-560 m水平降至-640 m 水平，高度為80 m，直徑為5.64 m，井筒上部從東往西鋪設(shè)鐵軌進(jìn)車卸礦。該溜井于2012 年9 月20 日投入使用，服務(wù)年限超過10 a，承擔(dān)較大的放礦任務(wù)。由于長期卸礦對井壁沖擊、礦石擠壓，造成錳鋼板掉落，溜井井壁存在局部的冒頂、垮落現(xiàn)象，溜井中段空區(qū)暴露面積過大。為了避免發(fā)生較大的溜井垮塌事故，影響后期生產(chǎn)，利用BLSS-PE 井下空區(qū)三維激光掃描系統(tǒng)進(jìn)行空區(qū)全面掃描探測，獲取溜井垮塌區(qū)域三維空間信息，確定溜井井壁垮落情況，為礦山安全生產(chǎn)提供參考。

2.2 溜井掃描探測方案

根據(jù)-560 m 水平溜井現(xiàn)場實(shí)際情況，本次溜井探測采用吊籠固定掃描儀自下往上進(jìn)行掃描，具體流程如下：

（1）首先吊籠空置從上部向底部下放一次，等下放至底部，鋼絲繩沒有拉力的情況下，在絞車鋼絲繩上做好記號，用作下一次下放吊籠深度的參照，吊籠上固定強(qiáng)光電筒用于查看吊籠是否發(fā)生自轉(zhuǎn)，如吊籠旋轉(zhuǎn)，要進(jìn)行調(diào)整，確保吊籠不發(fā)生旋轉(zhuǎn)。

（2）工作人員負(fù)責(zé)利用鐵礦卸礦站現(xiàn)有檢修絞車、吊籠在-560 m 水平卸礦站搭建檢測平臺，用于固定掃描儀；在吊籠2個方向（平行卸礦站的進(jìn)車、出車方向）的兩邊固定測繩，要綁扎牢固，掃描儀固定在吊籠中心位置隨著吊籠同時下放。

（3）井筒料位深度總長80 m，根據(jù)主溜井的結(jié)構(gòu)，估計(jì)吊籠下放至深度35 m 就能滿足掃描儀能掃描到料位以上的空區(qū)數(shù)據(jù)。首先開動絞車將吊籠自-560 m 水平下放至深約35 m 的位置，用激光測距儀實(shí)測深度，并實(shí)時查看掃描數(shù)據(jù)是否可靠，然后緩慢提升吊籠，向上一直進(jìn)行掃描工作至-560 m 水平，對-560 m 水平巷道、控制點(diǎn)開展掃描工作，直至溜井的掃描工作完成。

3 激光掃描數(shù)據(jù)處理及分析

3.1 空區(qū)掃描三維建模

根據(jù)掃描所得到的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理去除噪聲點(diǎn)、雜點(diǎn)后，利用BLSS-PE 三維建模軟件構(gòu)建主溜井實(shí)體模型（圖1）。

3.2 礦山空區(qū)模擬分析

根據(jù)三維掃描數(shù)據(jù)利用FLAC3D建立數(shù)值計(jì)算簡化模型，模型尺寸長150 m、寬25 m、高250 m，從溜井到巖體模型外部設(shè)置合理的網(wǎng)格過渡，在計(jì)算模型中共生成23 164個節(jié)點(diǎn)、29 700個單元。

通過查閱羅河鐵礦的地質(zhì)資料對模型賦予相應(yīng)的巖石力學(xué)參數(shù)（表1），在模型頂端賦予溜井所在標(biāo)高的巖體自重應(yīng)力與水平應(yīng)力，得到原巖應(yīng)力初始平衡狀態(tài)，然后模擬溜井所處的受力與變形狀態(tài)，得到溜井巖壁的應(yīng)力場和位移場。選取東西方向剖面和南北方向剖面應(yīng)力場和位移場進(jìn)行說明分析。

東西方向剖面和南北方向剖面應(yīng)力場和位移場分別見圖2、圖3。可以看出，溜井周圍的巖體主要存在拉應(yīng)力分布，特別是在斜溜槽下方到溜井底部區(qū)域較為突出，最大將近10 MPa。而溜井井壁則受到壓應(yīng)力影響，最大約為2.3 MPa。若溜井需要大量放礦，受到礦石的沖擊摩擦，容易造成井壁圍巖的張拉破壞。主溜井井壁位移變化較大，特別是斜溜槽底部區(qū)域，最大變形量為9 cm，其余井壁也都在6 cm 以上，整個主溜井變形較為明顯，需要對井壁加強(qiáng)監(jiān)測，防止發(fā)生垮塌事故。

3.3 礦山空區(qū)大小分析

運(yùn)用三維建模軟件對模型進(jìn)行剖切，選取部分溜井垮落剖面圖進(jìn)行分析（圖4、圖5）。從東西方向垂直剖面可以看出，溜井從-572 m 水平開始逐漸變大，井壁東邊垮落尤為嚴(yán)重，寬度最大可達(dá)8.96 m，西邊井壁寬度在-598 m 水平處擴(kuò)大了3.37 m。其中，-587 m 水平到-598 m 水平井壁東面受礦石主要沖擊影響垮落寬度達(dá)8 m 以上，-598 m 水平到-612 m 水平井壁東面垮落寬度從8.78 m 減少至6.97 m，到-628 m 水平井壁東面垮落寬度減少至3.88 m。從南北方向垂直剖面可以看出，溜井從斜溜槽下端開始變大，溜井井壁南邊從-580 m 水平發(fā)生垮落，最大寬度可達(dá)6.41 m，在-598 m 垮落趨勢向北邊偏移，北邊井壁在-612 m 水平處垮落寬度達(dá)到最大，擴(kuò)大至4.12 m，主溜井整體發(fā)生嚴(yán)重垮落。

3.4 溜井空區(qū)安全分析

根據(jù)溜井三維掃描模型與剖面圖可知，溜井受到長期放礦的沖擊使井筒斷面擴(kuò)大，發(fā)生嚴(yán)重的變形垮落。井壁從-572 m 到-630 m 水平發(fā)生嚴(yán)重垮塌，其中-578 m 與-598 m 水平垮落面積最大，-612 m與-628 m 水平垮落面積次之，溜井垮落量為5 196.24 m3。從主溜井垂直剖面看，溜井垮落段受到卸礦滾落撞擊的影響，東西方向垮塌極為嚴(yán)重，而南北方向垮塌相對均勻，主溜井所處位置存在較大的安全隱患。若垮塌區(qū)域進(jìn)一步擴(kuò)大后，會導(dǎo)致溜井上方卸礦站面臨下部區(qū)域承重能力下降，隨著卸礦的堆積，溜井可能發(fā)生整體塌陷事故。

4 地下礦山空區(qū)安全措施治理方案

根據(jù)三維激光掃描模型分析結(jié)果來看，主溜井主要由于放礦產(chǎn)生的沖擊載荷而發(fā)生磨損、垮落，為防止溜井進(jìn)一步發(fā)生事故，需要對溜井采取一定的安全措施進(jìn)行治理，具體的治理方案如下：

（1）主溜井垮落處回填支護(hù)。主溜井采用普通礦渣425#水泥，澆灌C25混凝土對溜井中段垮落處進(jìn)行回填密實(shí)?；靥钸^程中應(yīng)設(shè)立監(jiān)測設(shè)備，確?；靥钯|(zhì)量。

（2）溜井鎖口安裝格篩。為保護(hù)溜井下口振動放礦閘門和溜井本身的安全，防止大塊礦石沖擊井壁，避免在閘門口破碎大塊，溜井口必須使用高標(biāo)號混凝土進(jìn)行鎖口并安裝格篩，即使溜井周圍的巖石特性較好，也可采取該項(xiàng)措施防止大塊礦石進(jìn)入溜井沖擊巖壁，堵塞井口。

（3）建立混凝土擋墻。為保證鏟運(yùn)機(jī)出礦的安全，避免其連人帶車墜入溜井，在聯(lián)絡(luò)道與溜井的連接處，沿溜井的邊緣設(shè)置高300 mm、厚300 mm 的混凝土擋墻，混凝土標(biāo)號不低于C15。

（4）溜井使用管理。應(yīng)加強(qiáng)溜井管理，保持其暢通，減少破壞以延長其使用壽命。在出礦過程中，應(yīng)經(jīng)常檢查各格篩組件是否松脫，發(fā)現(xiàn)問題時及時修理，以防格篩或其組件掉入井內(nèi)。生產(chǎn)溜井必須保持滿井狀態(tài)，上部空井段高度不得超過10 m，并使井中礦石經(jīng)常處于流動狀態(tài)，24 h 內(nèi)必須放礦一次，以免因壓實(shí)結(jié)塊而引起阻塞。暫時不用的溜井必須放空，只保留4～5 m 的緩沖墊層，以保護(hù)放礦閘門。溜井口處必須有懸掛安全帶的裝置，以保證在格篩上處理大塊人員的安全。同時必須安裝紅燈和簡易柵欄門以警示溜井的位置，防止人員不慎墜井。

5 結(jié)論

（1）采用BLSS-PE 空區(qū)探測系統(tǒng)對羅河鐵礦-560 m 水平主溜井開展了現(xiàn)場探測，獲取垮塌溜井詳細(xì)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，建立了主溜井垮的三維實(shí)體模型，從而得到主溜井的破壞形態(tài)、垮塌體積、垮塌范圍等三維信息。該技術(shù)方案通過結(jié)合先進(jìn)的激光掃描和數(shù)據(jù)處理功能，實(shí)現(xiàn)對地下礦山復(fù)雜環(huán)境探測，為礦山安全管理提供了精確、快速的空區(qū)探測手段。

（2）基于激光掃描所獲得的垮塌溜井三維模型簡化進(jìn)行FLAC3D有限元模擬，由計(jì)算結(jié)果可知溜井周圍的巖體主要存在拉應(yīng)力分布，特別是在斜溜槽下方到溜井底部區(qū)域存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大將近10 MPa，位移變形明顯。

（3）通過對主溜井各剖面圖分析，得出溜井空區(qū)-572～-630 m 水平為嚴(yán)重的變形垮落段，受到礦石的沖擊發(fā)生垮塌，垮落量達(dá)5 196.24 m3，因而存在嚴(yán)重的安全隱患，需要及時進(jìn)行修復(fù)治理。

（4）針對主溜井的變形垮落情況，從主溜井垮落處回填支護(hù)、溜井鎖口安裝格篩、建立混凝土擋墻、溜井使用管理4個方面提出溜井安全治理措施，為后續(xù)礦山的安全生產(chǎn)提供保障。