基于三維激光掃描儀的礦山高溜井垮塌數字化分析

陳凱

（峽江縣自然資源局 吉安 343000）

引言

溜井在礦山運輸，提高礦山生產效率、降低成本發揮重要作用，溜井在金屬礦山運輸中普遍存在，在礦山巖石條件不好的情況下，礦石在溜井運輸過程中，對溜井進行沖擊、摩擦，容易造成溜井發生破壞[1]。鑒于溜井探測條件復雜，獲取實際模型難度大，國內目前對溜井探測還是處在初步階段，對溜井形態分析主要是靠肉眼分析。目前，高溜井垮塌區探測方法主要有：CT 探測、地震法、電阻率法、電磁法、探地雷達以及三維激光探測技術等[3]。但是地震波法空區探測技術（包括地震法、CT探測等）極易受到噪音影響。電磁法探測空區探測技術（包括電磁法、探地雷達、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。與三維激光探測技術相比，其它探測方法抗干擾能力較弱，探測深度及精度受限、過程繁瑣，同時可視化程度也比較低[4]。

圖1 激光探測原理圖

目前國內外金屬礦山廣泛采用新型的空區激光探測系統（C-ALS）對溜井垮塌區進行現場實時三維探測，可高效、準確地獲取溜井垮塌區的三維空間形態、所處的空間位置，以及溜井垮塌區域的實際邊界和垮塌量等實時的信息，探測結果的可視化程度較高[5-6]。結合C-ALS-SURPAC 耦合技術，對溜井垮塌區進行建?？梢暬幚?，得到溜井實際準確模型，獲取溜井在空間的垮塌位置、溜井垮塌的實際邊界、溜井垮塌量等數據[7-8]。為礦山對溜井垮塌的治理提供技術支持及完整的數據模型。

1 溜井實體模型獲取

1.1 C-ALS與SURPAC耦合數字化技術介紹

圖2 實體模型建模流程

高溜井探測是將C-ALS掃描的點云數據進行處理，數據保存為Surpac 軟件支持的“.dxf 文件”，在Surpac軟件中將“.dxf”文件轉換成“.str”文件，并且在SURPAC 實體操作模塊，形成實體模型“.dtm”文件。如果形成實體過程中出現問題，則將“.dxf”文件在CAD 中進行處理，處理后將其保存為“.dxf”文件，再進行操作，如果形成實體過程中沒出現問題，則進行下一步操作。在數字化建模軟件SURPAC 中對得到的高溜井實體模型進行驗證，如果驗證失敗，在對實體模型進行處理。得到的實體在SURPAC 中，可進行實際探測模型與設計模型對于分析，可得到垮塌部位、垮塌量等數據。高溜井激光探測原理如圖1所示；高溜井三維模型Surpac生成流程如圖2所示。

1.2 垮塌區現場數據獲取

通過對現場觀察，確定儀器架設位置，找到最好的測點位置對高溜井垮塌區域進行三維探測。采用激光掃描儀探測溜井的位置是相對位置，即相對與激光掃描頭中心點的坐標[9]。所以在探測開始之前，先對激光探頭及探桿進行探測，借助兩點空間三維坐標，求出三維激光掃描儀桿件在空間的方位角，在探測過程中，輸入探頭坐標定位，輸入方位角定高溜井在空間方向，探測的三維點云數據即為高溜井的實際空間位置。高溜井空間定位坐標的獲取如表1所示。

表1 高溜井垮塌定位數據的獲取

根據現場實測的點云數據，在軟件中轉化為“.str”文件，并對文件進行去除噪音點、重復點等操作，利用礦山數字化建模軟件SURPAC 中的實體模型模塊，對數據進行處理，得到高溜井的實際空間模型，對高溜井垮塌部位建立設計三維模型，通過兩種模型對比分析。如圖3所示。

圖3 高溜井溜井三維模型圖

根據建模所得到的的實際三維空間模型，對模型每隔10m 進行剖切，得到高溜井垮塌的部位每隔10m 標高參數體積、平均水平面積、設計水平面積、累計體積等參數。如表2 所示；通過分析標高體積、平均水平面積得到高溜井主要垮塌標高，可知高溜井主要垮塌部位，為后續高溜井垮塌分析及治理提供技術支持。如折線圖4所示。

表2 高溜井垮塌各高度參數獲取表

圖4 高溜井垮塌標高位置圖

根據表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位置達到最高峰，隨后變小。通過三種折線圖的對比分析可知，此礦山高溜井垮塌嚴重，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

運用三維礦山軟件SURPAC 對高溜井垮塌部位進行水平剖面，每隔10m高度垂直Z軸剖切一個水平剖面，得到高溜井的實測模型與設計模型標高剖切圖。水平剖面的剖切標高在-740m 到-800m 之間。根據水平剖面圖可知，高溜井垮塌的最大寬度，對高溜井進行縱剖面剖切，得到高溜井垮塌縱剖面圖。如圖5所示。

圖5 溜井剖面圖

通過對溜井每隔10m切橫剖面圖，看出溜井在-740m 以上基本無塌陷，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 標高附近垮塌較大，高溜井垮塌面積在最大為140m2左右。對溜井進行縱剖面圖的分析，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，對溜槽進行沖擊及磨蝕，根據礦石的運動規律，礦石從斜溜槽下放后，會對溜槽對面的溜井壁進行沖擊，造成溜井壁破壞嚴重，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，不同礦山不同地質條件，溜井的破壞方式也不同，高溜井的施工方式不同，也會造成溜井垮塌的原因不同。通過對高溜井進行剖面切割，得到高溜井垮塌的剖面圖，如圖5所示，通過垮塌剖面圖可知，礦巖在溜井中運輸，因礦石運動路線不同，對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。礦石在放礦過程中，對溜井壁進行沖擊，使溜井形成松動圈，在漫長沖擊過程中，溜井壁慢慢發生破壞，最終導致溜井垮塌。因此，在分析溜井垮塌原因中，抓住主要因素是必須的。對完整高溜井壁垮塌原因，主要是礦石在放礦過程中，長期對溜井壁沖擊、碰撞、摩擦。是溜井破壞的主要誘因。

3 結論

根據高溜井垮塌部位現場實測三維模型圖及垮塌剖面圖面積分析，可以得到以下結論。

（1）利用三維激光掃描儀（C-ALS）對溜井實體模型進行探測，并用大型礦山軟件SURPAC 對溜井探測模型進行實體建模，突破了傳統方法難以實現對溜井三維空間的獲取，構建了溜井三維可視化模型。通過溜井三維可視化模型，準確獲得溜井在空間內的三維形態、空間的實際位置、溜井的實際邊界。

（2）對三維模型進行橫剖面及縱剖面切割，分析溜井的在各標高的垮塌面積，得到溜井的垮塌面積在-780m 左右達到最大，最大垮塌面積140m2左右，為高溜井垮塌治理提供技術支持。

（3）通過縱剖面圖及高溜井實體探測模型分析得到溜井的垮塌原因主要是溜井在礦石放礦過程中對-760m 中段斜溜槽沖擊造成破壞，根據礦石運動軌跡對溜井壁進行沖擊、碰撞、摩擦造成損壞。