基于C-ALS三維激光掃描的深埋隱蔽采空區空間形態探測與治理

邱振華，林秀云

(廣東省大寶山礦業有限公司， 廣東 韶關市 512128)

1 礦山概況

廣東省大寶山礦區位于韶關市曲江區沙溪鎮境內，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，年產量為330萬t，礦區最高開采標高為865m，最低標高為637m，臺階高度為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。

大寶山礦業有限公司銅硫鉛鋅多金屬礦區原為露天?井下聯合開采，由于民采的歷史原因，采坑境界內+730m～+400m之間遺留大量采空區，范圍涉及整個采場。據統計，礦山每年發生采空區塌陷險情數十起，僅2019年就發生78起，嚴重威脅正常生產。因此，亟待開展深埋隱蔽采空區空間形態探測技術的研究，以降低事故發生概率。

2 采空區探測

2.1 C-ALS三維激光探測

礦山采空區三維激光探測系統選用C-ALS空區自動激光掃描系統。該系統主要由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，以覆蓋整個空區。儀器有線遙測系統可將測量數據傳回地面的控制單元，利用MDL的控制軟件實時獲取激光掃描生成的三維空區圖像，ALS掃描系統具有垂直掃描和水平掃描兩種功能（見圖1）。亦可建立空區三維模型，然后將空區模型與礦體模型復合，得到礦區三維實體模型。

圖1 掃描軌跡

2.2 采空區探測數據處理

采空區經過C-ALS三維激光掃描后，利用C-ALS控制軟件得到采空區三維掃描數據。對采空區三維掃描數據進行分析，得到采空區相關空間參數：方位坐標，頂板標高，底板標高，采空區高度、跨度、面積、體積等。C-ALS控制軟件可以將三維掃描圖轉換為CAD版本，運用CAD軟件將采空區三維俯視圖繪制成采空區平面圖。

2020年4月2日，通過水平掃描方式獲取采場512線709m層面下方689采空區三維掃描圖像及CAD平面圖，如圖2所示。掃描采空區參數見表1。

圖2 689采空區掃描結果

表1 51-689采空區參數

2020年5月8日，通過垂直掃描方式獲得采場37線649m層面下方632采空區三維掃描圖像及CAD平面圖，如圖3所示。掃描采空區參數見表2。

圖3 632采空區掃描結果

表2 632采空區參數

2.3 C-ALS三維激光掃描驗證

為了校驗C-ALS三維激光探測的深埋隱蔽采空區空間形態精度，2020年5月13日，在685層面45線對即將處理的658采空區進行三維激光掃描。經三維激光掃描獲取的該采空區三維模型及平面圖如圖4所示，采空區參數見表3。

圖4 658采空區掃描結果

5月15日，在685m層面對658采空區實施崩落頂板爆破處理，結果見表4。

表3 658采空區參數

表4 658采空區爆破處理實際鉆孔參數表

通過表1可以看出：

（1）根據掃描參數設計的采空區炮孔深度與實際穿孔深度基本相符，孔深存在誤差的原因主要是實際層面標高與設計標高+685m有差異；

（2）采空區內設計炮孔基本都打穿，10號孔因為巖石破碎無法穿孔，13號孔未出現異常，穿孔精準度為95%；

（3）經爆破處理后對地形進行測量核對評估，認為爆破后頂板碎石對采空區完全充實，效果達到預期目標。

658采空區掃描數據及處理情況說明C-ALS三維激光掃描儀掃描的采空區參數與實際相符合。

3 采空區礦體開采技術

采空區經掃描后對掃描采空區進行管理，在生產計劃圖紙上建立采空區管理檔案，掌握采剝作業下方采空區情況，在開采過程中實施動態管理。圖5為649m、661m層面33至37勘探線下部已探明采空區的情況資料。

圖5 33-37線已掃描采空區資料

（1）確定采空區保安層安全厚度。根據采空區頂板鉆孔巖性情況，保安層最小厚度按h=0.71b?1.02計算。確定采空區安全厚度后制定爆破參數處理采空區，處理臺階以上的臺階開采正常推進。以658采空區為例，658采空區爆破崩落處理臺階為685m，其上方697m、709m、721m臺階正常推進。

（2）揭露采空區。在685m臺階上方揭露采空區時，需對采空區上方的爆堆鏟裝作業制定安全運輸方案，以防發生采空區垮塌。通常為固定一臺挖機設備，環繞采空區外側對采空區上方松石進行鏟裝，挖機需要進入采空區范圍內鏟裝時，分析掃描數據，挖機機臺選擇在頂板較厚位置，運輸車輛一進一出?，F場有安全管理人員全程監管，直至松石清理完畢。

（3）采空區管理。對已經探明揭露暫時不處理的采空區，先進行層面警戒，樹立標識牌，嚴禁無關人員、車輛設備進入空區范圍內；設置測量觀測點定時監測，日常采空區管理人員對該采空區進行測量、檢查。

（4）處理采空區。采空區完全揭露在處理層面后，制定爆破崩落頂板處理方案，對采空區進行處理，消除采空區隱患。

4 結論

（1）深埋隱蔽采空區嚴重制約礦山安全生產，而C-ALS空區自動激光掃描系統能夠有效解決此類空區空間形態探測難題，該系統具有使用靈活、探測速度快、三維可視化程度高、精準三維探測等優點，為采空區處置提供科學依據和技術保障。

（2）大寶山礦運用 C-ALS空區自動激光掃描8年來，共探測161個隱患密閉采空區，探測精確度為95%，避免可能發生的設備墜落事故138起，取得了良好安全效果。

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