基于無人機航測技術的露天礦山采空區精細化驗收

張兵兵 許龍星 張 璞 張崗濤

（宏大爆破工程集團有限責任公司，廣東 廣州 510623）

露天礦山遺留的采空區給安全管理工作帶來了極大的挑戰，針對采空區處理，三維激光掃描儀、綜合物探技術、高密度電法以及綜合探測等技術被應用于采空區的精密探測［1-4］，為獲取隱伏采空區的位置及相關參數提供了極大幫助，有助于準確分析采空區潛在的危害程度。在采空區處理的安全評價方面，數值模擬軟件如FLAC3D、ANSYS等，被應用于分析采空區處理前后的安全處理效果評價［5-6］；在工程實踐中，采空區充填率和遺留采空區體積等相關指標的可操作性更強，崔曉榮等［7］認為在充填率大于85%時，表明采空區在爆破作用下的處理效果良好。在實際情況中，露天礦山采空區處理效果評價主要采用的是經驗法，通過觀察爆堆的宏觀外在表象，分析采空區坍塌程度，判定其是否處于安全狀態。經驗法主要依賴于技術管理人員的現場工作經驗，具有一定的局限性，難以實現精細化評價與驗收，故需要引入更為有效的技術手段。

無人機航測技術在采空區等重大安全隱患的排查與分析方面，具有安全性好、可靠性高、效率高等顯著優勢，可真實反映被測區域的地形地貌三維信息，已被廣泛應用于露天礦山開采設計與安全管理領域［8-10］。在無人機精度評估方面，三維模型精度、成圖結果精度是評估的主要方面；章夢霞等［11］分析了露天礦區特點，采用低空無人機遙感測繪技術生成了礦山的三維數字模型，滿足1∶2 000比例尺成圖精度要求。馮雅秀［12］討論了傾斜攝影建模、三維重構及精度評估的指標，通過工程實踐，認為航測精度如三維模型精度、DSM及DOM精度均符合三維建模要求。在無人機數據處理方面，康玉霄等［13］詳細分析了無人機數據處理流程及關鍵技術細節，包括航線規劃、像控點布置、數據解算與模型分析，為有序開展無人機航測工作提供了參考。上述研究表明：通過無人機航測技術得到的三維模型精度滿足實際生產需求，已成功應用于露天礦山的生產實踐中。

通過查閱相關文獻發現，無人機航測技術在采空區方面的應用研究相對較少，尤其是在采空區處理效果評定方面。通過應用無人機航測技術，可得到采空區爆前爆后兩期真實三維數據，進行影像模型信息與實際處理效果的匹配分析，有助于實現采空區的精細化評價與驗收，為此，本研究結合實例對此進行分析。

1 采空區處理效果精細化驗收的內涵

現階段，尚缺乏爆破處理后露天礦山采空區評價的相關標準與規范；在工程實踐方面，采空區充填率與遺留采空區體積作為主要的評價指標，兩者是通過公式計算得到相應的參數，對比分析采空區處理前后的數據，進而判定爆破后的采空區充填效果。

相比于傳統的采空區處理效果驗收方法，基于無人機航測技術的露天礦山采空區精細化驗收，不僅僅通過外在現象進行評定，其“精細化”主要體現在：①通過無人機航測獲取采空區爆前爆后兩期三維模型，三維可視化效果好，帶有真實三維點云信息，安全可操作性好，細節紋理豐富；帶有高程點信息，能夠詳細地反映采空區爆前爆后的空間形態變化；②采空區反映在爆區三維模型中，使得采空區與爆區地形一一對應，通過對比兩期三維模型，采空區的真實爆破處理效果得以清晰地展示；③通過在三維模型中圈定采空區的范圍及對比爆后的實際效果，有助于提高采空區處理效果評價的可靠性；④基于無人機航測得到的影像及三維模型信息，結合現場實際處理效果及實際挖裝反饋情況，可從多個方面綜合評判采空區的實際處理效果。

為有效分析地采轉露天復采礦山采空區的崩落爆破處理效果，需綜合以下信息進行綜合評定：①爆破后盲采空區及廢棄巷道所在區域的崩落充填情況；②無人機錄制的爆破處理視頻影像及多角度航拍影像信息；③實際挖裝作業是否出現異常情況。

2 工程概況

大寶山礦早先主要采用空場法崩落采礦，產生了較多的采空區及巷道，雖然大部分采空區采用了廢石充填，但也遺留了較多未經處理的采空區；并且早期礦山民采、盜采現象管控較難，造成礦石品位較高的區域存在一些無開采設計資料的盲采空區。后期為了提高資源回收率和安全生產管理水平，采用了露天開采模式，故這些遺留的有資料及無資料的采空區對采場安全生產帶來了較大威脅。

計劃爆破處理的649 m北部平臺下方存在廢棄的640 m平硐，由于此處礦石品位較高且地質資料不全，按照“有疑必探，先探后采”的原則，在可疑區域提前安排一個25 m深的探孔，鉆至17.8 m時，出現打穿現象，空洞深度為3.4 m。及時采用三維激光掃描儀（C-ALS）進行了探測，掃描發現采空區頂板為641.1 m，底板為631.5 m，頂板距離640 m平硐最薄處厚度僅為5 m，查閱原始資料顯示該采空區無相應的地質資料，故判定為盲采空區。相關參數如表1所示，640 m平硐及盲采空區所在的范圍如圖1所示。

長沙礦山研究院有限責任公司前期在大寶山露天礦進行采空區大面積探測及潛在危險性分析時，經過大量數據驗算，總結給出了較為貼合大寶山露天采場采空區實際情況的保安層經驗公式。探孔作業時鉆孔巖芯完整，相應的保安層公式為

h=0.71b-1.02，

式中，h為保安層厚度，m；b為最大跨度，m。

計算得h=6.44 m，故認為盲采空區相對安全，計劃在649 m層面隨臺階爆破協同處理，為下部平臺的持續推進及盤活東西幫道路奠定基礎。

3 無人機航測技術應用

為了高效準確地判定爆破崩落后的盲采空區及廢棄巷道的處理效果，利用無人機進行了兩期航測，即爆破前和爆破后，相應的作業流程如圖2所示。

3.1 外業航測

本研究采用的大疆精靈4 RTK無人機為小型四旋翼高精度航測無人機，具備厘米級導航定位系統和高性能成像系統，搭載高清攝像頭，在低空攝影測量應用方面優勢明顯。在航測區域規劃方面［14-15］，采用5向航線飛行，軟件會自動在計劃航測區域的基礎上進行適度擴大，以確保傾斜攝影得到的航測數據真實可靠。

考慮到大寶山露天礦山649 m水平以上為山坡式開采，649 m水平以下為凹陷式開采，為了確保航測安全及數據可靠性，本次航測高度定為100 m，重疊率設計為85%，測區規劃如圖3所示。像控點布置兼顧測區的平面和高程精度需要，在爆區東側、西側、北側、南側各布置了1個1 m×1 m的像控布［16］，如圖4所示。同時在爆區鄰近的南側布置了2個檢查點，為了保證像控點及檢查點坐標信息真實可靠，采用RTK連續進行了10次測量，測量時要求居中對齊，確保多次測量數據的x、y、z坐標誤差在毫米級，確保不會對像控點進行誤測，而影響到后期數據分析，取10次數據的平均值作為實測值。

按照設定的5向航線自動航測，耗時30 min后獲取了454幅高清色彩分明且自帶POS數據的爆區原始影像；爆破結束后，及時獲取了649 m臺階爆破后的453幅高清色彩分明且自帶POS數據的影像。

3.2 內業處理

本次獲取的航測數據采用Context Capture軟件逐一進行三維建模，具有操作簡單、處理精度高等優勢，廣泛應用在傾斜攝影三維建模中。通過自帶POS數據影像初始化、像控點刺點、空三解算、模型重建等步驟，得到了兩期對應的三維模型數據。

3.2.1 誤差分析

在三維模型中，像控點清晰可見，如圖5所示。在生成的三維模型質量報告中，通過對獲取的各種誤差種類信息進行綜合判斷，發現誤差值很?。ū?）。

由表2可知：采用單鏡頭5向傾斜攝影測量后，三維模型全局中值誤差僅為0.2 cm，分辨率較高，X、Y、Z方向的誤差值均較小；4個像控點射線距離均方根誤差為0.1～0.2 mm，誤差整體較小。同時，通過分析現場布置的2個相鄰檢查點的實測值與三維模型生成的二維地形圖對應的坐標值，發現X方向相差0.002 m，Y方向一致，Z方向相差4 cm。經過精度檢校后，綜合判斷認為符合1∶500地形圖制圖要求，表明將三維模型信息轉化為二維地形信息時，精度較高，為評價采空區爆破處理效果奠定了基礎。

3.2.2 兩期模型對比

為了更好地分析三維模型數據信息，將盲采空區及廢棄巷道的點位數據導入IData軟件，實現測量點位數據與三維模型的套合，可在三維模型上顯示盲采空區及廢棄巷道的相關信息，同時將爆區外側炮孔連線導入至模型中，對應的兩期模型如圖6所示。

4 采空區處理效果評價與驗收

4.1 崩落充填情況分析

在采空區評價方面，需要獲取相應的數據，而傳統的人工測量的隨機性較大，準確性難以保證。通過應用無人機航測，實現采空區覆蓋范圍的完整數據收集，數據采集的精細化程度得以提高［17］，精細化評價的可靠性得以保證。

在IData軟件中，通過導入爆前和爆后兩期盲采空區及廢棄巷道的三維模型信息，獲取崩落爆破后的高程點變化情況，如圖7所示，同時考慮爆破后巖石的松散系數（取1.3），綜合分析得到實際采空區爆后的充填程度。由于該采空區有側向自由面，與無自由面的采空區強制崩落直接充填形成爆坑相比，存在差異性，故需要考慮相應區域巖石在爆破作用下的實際推出距離。

盲采空區平均高度為4 m，最大高度為9 m，按照間排距6.5 m×4.0 m、炮孔平均深度17.6 m、最小抵抗線為4 m的布置方式，綜合考慮松散系數1.3及前排炮孔15 m的推進距離，盲采空區所在區域高程應降低3 m左右；而盲采空區布孔處的實際高程為651.8～653.9 m，盲采空區爆后高程為650.3～651.3 m，通過兩期高程信息比對發現，高程降低了1.5～2.6 m；充填相對高度增加率為110%～200%，表明盲采空區得到了有效充填。

4.2 基于爆破前后影像的采空區處理效果分析

通過無人機在爆破推進方向近距離錄制的爆破視頻，發現巖石推出距離整體上符合預期，盲采空區及廢棄巷道所在位置處，在爆破的瞬間存在顯著的塌陷及廢石充填現象；在爆后現場檢查時，也發現兩者與臺階的正常區域存在明顯區別，有顯著的下沉現象，推進現象不明顯，局部存在充填情況，這與采空區的不規則形狀、范圍、高度不一及巖石的松散系數有關。無人機拍攝的采空區處理后高清影像（圖8）顯示，在爆破的作用下，采空區得到了有效充填。

4.3 采空區挖裝情況

為了確保挖裝作業安全高效進行，在該盲采空區開始挖裝作業前，技術人員提前圈定標注了盲采空區及廢棄巷道所在范圍，并對挖機人員及現場管理人員進行了相應的技術交底工作。在此區域施工時采取由外向內的試探挖裝，現場實際挖裝中未出現空洞及其他異常情況，表明采空區得到了有效治理，較好地消除了該作業區域的安全隱患。

5 結 論

（1）盲采空區嚴重威脅著露天礦山的安全生產工作，如何有效評價與驗收盲采空區在崩落爆破后的實際處理效果，顯得尤為重要。采用無人機航測技術評價采空區處理效果，分析了采空區精細化驗收內涵，并從充填程度、爆破影像、實際挖裝情況3個方面綜合評價了盲采空區處理效果。

（2）采用大疆精靈4 RTK無人機進行低空100 m高重疊率的5向航線航測，通過兩期外業航測與內業處理，得到了盲采空區爆前及爆后兩期三維模型，經過精度檢校發現，誤差滿足1∶500地形圖制圖要求，可靠性較好。

（3）采用IData軟件計算得到的盲采空區高程明顯下降，充填相對高度增加率為110%～200%，再結合無人機獲取的多角度航拍影像及挖裝的實際情況，驗證了649 m平臺的盲采空區得到了有效處理，表明無人機航測技術在采空區精細化驗收評價方面有一定的應用前景。