三維激光掃描技術在三道莊礦復雜采空區探測中的應用

張金柱， 彭府華

(1.洛陽欒川鉬業集團股份有限公司， 河南 洛陽市 471500； 2.長沙礦山研究院有限責任公司，湖南 長沙 410012； 3.國家金屬采礦工程技術研究中心， 湖南 長沙 410012)

0 引 言

20世紀八九十年代，受大量私人民采等其它混亂開采影響，導致我國地下礦山出現大量采空區，礦體變得千瘡百孔。21世紀國家開始陸續禁止這些不正規的私人開采，并開始對資源進行整合，統一規劃開采。前期混亂開采形成的采空區給后期開采帶來了嚴重的安全隱患。這些采空區的位置和形態往往很難確定，這是由于前期私人開采不規范，設計資料不全，甚至沒有設計資料，同時，經過長時間的雨水和自然作用等影響，地下采空區出現垮塌，相互貫通等現象[1-2]。

為了合理回收殘礦資源，近年來出現了許多“地下轉露天開采”的礦山，這種方法可以實現厚大殘礦資源的高效回采，但同時前期地下開采形成的采空區也給露天開采帶來了更大的安全隱患。由于地下采空區位置和形態不明，很可能發生開采臺階突然垮塌，造成在其上方作業的設備和人員出現傷亡事故。因此，如何提前確定露天開采境界下方采空區的位置和形態是進行安全生產的重中之重。本文介紹了三維激光掃描技術在三道莊礦空區探測中的應用，意在解決礦山不明采空區探測問題，同時為國內外其它相似礦山提供參考。

1 工程背景

三道莊礦位于河南省欒川縣，礦山從20世紀六十年代開采進行地下開采，八九十年代出現了幾十家單位同時開采的混亂局面，2002年后開始對資源進行整合并統一規劃開采。根據礦體的賦存條件以及前期開采情況，制定了露天開采方案。前期地下開采形成了約1800萬m3，面積120萬m2的采空區，這些采空區具有以下特點：

(1) 由于缺乏設計資料，很多采空區位置和形態不明確；

(2) 由于前期地下開采區域礦石品位高，設計預留部分礦柱被偷采，導致采空區與設計資料不符；

(3) 受長期雨水、自然風化和爆破震動等因素影響，部分礦柱發生了垮塌，導致采空區貫通現象嚴重。

露天境界下方存在大量采空區給露天開采帶來了極大的安全隱患，2005年以后，地表臺階發生多次垮塌，塌陷面積達40萬m2，最大塌陷深度達80 m，造成了人員傷亡和設備損失等安全事故。因此，提前對開采境界下方采空區進行精確探測是三道莊礦安全生產的前提和重中之重[3-5]。

2 三維激光掃描技術簡介[6-8]

2.1 三維激光掃描技術原理

三維激光掃描技術是建立在激光測距原理基礎上，掃描過程中，三維激光掃描儀發射出一束激光脈沖，激光到達空區邊界后反射回儀器，記錄激光到達時間T，同時激光掃描儀可以任意旋轉激光脈沖橫向掃描角度值β和縱向掃描角度值α(見圖1)。通過建立坐標系統，由此可以得到目標點P點的坐標計算公式。

激光發射點O距離目標點P的距離L為：

L=1/2cT

式中，c為激光在大氣中的傳播速度；T為激光發射后到達目標點反射返回的傳播時間。

待測目標點的坐標為：

式中，L為激光發射點距離待測目標點的距離；α為激光縱向掃描角度值；β為激光橫向掃描角度值。

圖1 三維激光掃描原理

2.2 三維激光掃描系統

三道莊礦為了解決采空區探測問題，從英國MDL公司引進了一套采空區三維激光自動掃描系統C-ALS。該系統可以將激光探頭通過鉆孔進入到空區內部進行掃描，掃描儀內置導航模塊，可測量空區內探頭的位置和方向。掃描儀可以360°全方位無盲區掃描，設計的水平和垂直掃描方式可以確保對采空區整個空間的掃描，表1為C-ALS系統技術參數。通過自帶的軟件可以得到采空區的三維模型，并可以和CAD、Dimine和Surpac等常用數字礦山軟件進行對接。

表1 C-ALS系統技術參數

3 三維激光掃描技術應用實踐

3.1 空區掃描過程

將三維激光掃描頭通過連接桿放入鉆孔中，通過攝像頭視頻查看掃描頭是否進入采空區內，當掃描頭進入采空區后開始掃描(見圖2)。掃描方式一般有水平方向和垂直方向掃描，為了保證空區掃描的準確性，每次空區掃描時都要進行水平方向和垂直方向掃描，掃描步長增量為1°，掃描獲得的數據將保存至掃描控制儀中。

圖2 空區三維激光掃描

3.2 空區三維模型建立

將現場掃描獲得的采空區數據導入CavityScan 軟件中進行處理，可以得到采空區的三維包絡圖(見圖3)。

同時，還可以將數據導入CAD、3Dmine等常用的數字礦山軟件中，獲得采空區的三維模型。圖4是通過將掃描獲得的數據導入3Dmine中得到的三道莊礦采空區三維模型圖。由此可以為礦山采空區穩定性分析、采空區處理、臺階生產爆破設計提供直接技術參數，對于礦山安全生產具有重要的作用。

圖3 采空區三維包絡

圖4 三道莊礦采空區三維模型

4 結 論

(1) 三道莊礦受前期地下混亂開采影響，在露天開采境界下方存在大量不明采空區，給露天開采帶來了極大的安全隱患，如何實現采空區的快速精確探測是礦山安全生產的重中之重。

(2) 三維激光掃描技術具有測量精度高、操作簡單等特點，通過360°無盲區掃描，可快速準確地獲得采空區位置、大小和形狀等參數。

(3) 通過將掃描獲得的采空區數據導入CAD、3Dmine等常用數字礦山軟件中，得到了三道莊礦采空區三維模型，為后續采空區穩定性分析、采空區處理、臺階生產爆破設計等提供了直接技術參數，對于礦山安全生產具有重要的作用。

參考文獻：

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