基于三維激光掃描技術(shù)的復(fù)雜采空區(qū)群爆破治理

楊樹志，束學(xué)來(lái)，張兵兵，楊 飛

(宏大爆破工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，廣州 510623)

采空區(qū)作為露天礦山重大安全隱患之一，嚴(yán)重制約了露天礦山安全高效采剝施工與管理。空間賦存形態(tài)、圍巖屬性及現(xiàn)場(chǎng)施工難易程度均影響采空區(qū)防治決策，因此，迫切需要針對(duì)采空區(qū)現(xiàn)狀，實(shí)現(xiàn)三維動(dòng)態(tài)可視化的精準(zhǔn)探測(cè)，為制定采空區(qū)治理方案提供重要支撐。當(dāng)前，對(duì)于地下采空區(qū)的探測(cè)方法主要有[1-3]：傳統(tǒng)的鉆探法、綜合物探法、三維地震法、瞬變電磁法、高密度電阻法、地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)法等，這幾種主流的探測(cè)方法雖然能滿足現(xiàn)場(chǎng)采空區(qū)探測(cè)要求，但存在人工勞動(dòng)強(qiáng)度大、時(shí)效性慢等缺陷。現(xiàn)階段，三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于探測(cè)采空區(qū)方面，具有時(shí)效性高、三維可視化程度好等優(yōu)勢(shì)[4-5]，在一定程度上彌補(bǔ)了傳統(tǒng)物探方法的缺點(diǎn)，極大地解放了現(xiàn)場(chǎng)鉆探勞動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)了露天礦山地下采空區(qū)非接觸式精準(zhǔn)探測(cè)。傳統(tǒng)采空區(qū)的處理，是基于鉆探的成果進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)化設(shè)計(jì)，存在探測(cè)不準(zhǔn)且方案不準(zhǔn)確的缺陷，基于三維激光掃描技術(shù)分析采空區(qū)群賦存狀態(tài)，構(gòu)建采空區(qū)強(qiáng)制爆破設(shè)計(jì)方案，有助于實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)爆破，可為采空區(qū)的處理提供新的研究思路。

1 工程背景

大寶山露天礦為地采轉(zhuǎn)露采型礦山，原井下開采以銅硫礦為主，其采空區(qū)主要來(lái)源于早期不規(guī)范開采遺留下的采空區(qū)和早期民采、盜采泛濫形成的盲空區(qū)。經(jīng)過前期的大規(guī)模勘探，大部分采空區(qū)群準(zhǔn)確的分布規(guī)律、空間賦存形態(tài)、規(guī)模狀況等已有了較為詳細(xì)的地質(zhì)資料信息。但仍存在一些盲采空區(qū)難以準(zhǔn)確探測(cè)，且缺乏基礎(chǔ)的地質(zhì)資料信息，加之采場(chǎng)北部51號(hào)勘探線以北區(qū)域存在的采空區(qū)更是無(wú)資料可參考，巖層地表形態(tài)也無(wú)采空區(qū)顯著表現(xiàn)特征。而49號(hào)勘探線630采空區(qū)群(49-634-1、49-634-2、492-635采空區(qū))的存在(見圖1)，不僅嚴(yán)重威脅現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)人員的人身安全，更是直接制約北部661臺(tái)階推進(jìn)速度及采剝效率，造成了高品位礦石資源的嚴(yán)重浪費(fèi)。目前需要解決的問題有：①采空區(qū)群賦存形態(tài)的精準(zhǔn)探測(cè)，建立采空區(qū)真實(shí)模型，快速準(zhǔn)確獲取相關(guān)參數(shù)；②基于采空區(qū)的真實(shí)三維模型，制定精細(xì)化爆破設(shè)計(jì)方案，確保方案的合理性與可行性。

2 采空區(qū)探測(cè)及三維建模

采空區(qū)探測(cè)最早采用的是物理探測(cè)方法，應(yīng)用于軍事、地質(zhì)勘探礦石位置方面。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)于采空區(qū)的探測(cè)，仍以傳統(tǒng)鉆探為主要手段，可有效揭示采空區(qū)基本的賦存信息，為決策者提供參考，但往往需要決策者依靠工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)；同時(shí)也存在諸多不足之處，如：勘探孔數(shù)目多、成本高、采空區(qū)實(shí)時(shí)信息不準(zhǔn)確、分布狀況不直觀等。鑒于此，借助C-ALS地下采空區(qū)三維掃描儀對(duì)630采空區(qū)群進(jìn)行了精準(zhǔn)探測(cè)，安全高效地掌握了630采空區(qū)群形態(tài)特征和分布參數(shù)，為采空區(qū)穩(wěn)定性分析、采空區(qū)爆破設(shè)計(jì)處理方案制定提供了重要保證。

采空區(qū)三維激光實(shí)時(shí)掃描及模型建立，主要分為地面準(zhǔn)備工作、外業(yè)數(shù)據(jù)采集和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理分析。其中，地面準(zhǔn)備工作主要有硬件設(shè)備的各項(xiàng)連接、鉆孔口和定向桿尾部參考坐標(biāo)的測(cè)量、儀器下放參數(shù)的設(shè)置等。

2.1 采空區(qū)的精準(zhǔn)探測(cè)

采用三維激光掃描儀實(shí)施外業(yè)數(shù)據(jù)采集，主要是高效獲取采空區(qū)賦存的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。現(xiàn)場(chǎng)施工中，根據(jù)地質(zhì)資料，在位于采空區(qū)上方穩(wěn)定性較好、安全性較高的區(qū)域，首先施工一個(gè)勘探孔，便于將C-ALS激光掃描系統(tǒng)沿探孔進(jìn)入空腔。探頭儀器通過前端攝像頭獲取周圍影像信息，實(shí)時(shí)反映儀器周圍環(huán)境狀況，其測(cè)量原理是“Time of flight 脈沖激光”[6]，借助激光探測(cè)到巖石表面或其他結(jié)構(gòu)表面反射回來(lái)之間的飛行時(shí)間計(jì)算出前端探頭與各巖體表面之間的距離，探孔中的儀器掃描時(shí)通過內(nèi)置的數(shù)字指南針及縱向傾斜和橫向轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器來(lái)定位自身的坐標(biāo)和朝向，并將掃描產(chǎn)生的“點(diǎn)云”進(jìn)行精確定位。

2.2 采空區(qū)三維模型的建立

三維模型建立為內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理階段，以形成采空區(qū)形態(tài)可視化及獲取具體參數(shù)為目標(biāo)。由于現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)環(huán)境因素影響，如探孔中流動(dòng)粉塵、高溫探孔中形成的霧氣等，現(xiàn)場(chǎng)采空區(qū)三維激光掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)會(huì)存在噪聲。因此，在三維模型建立之前需將點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪預(yù)處理，再將處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)作為三維實(shí)體建模的數(shù)據(jù)源進(jìn)行建模。630采空區(qū)群三維實(shí)體模型如圖2所示。

圖2 采空區(qū)群三維模型 Fig.2 3D model of goafs group

通過三維模型分析，可直觀地獲取630采空區(qū)群的空間賦存形態(tài)及層位信息，結(jié)合三視圖得出：三個(gè)采空區(qū)頂板位置、空間水平距離十分接近，其中49-634-1采空區(qū)和49-634-2采空區(qū)幾乎連成整體，形成了受限采空區(qū)群，無(wú)可利用的外側(cè)自由面。其中，492-635采空區(qū)南側(cè)、49-634-1采空區(qū)東南側(cè)及49-634-2采空區(qū)西北側(cè)有進(jìn)一步延伸的趨勢(shì)(見圖3)。

圖3 采空區(qū)相互位置關(guān)系Fig.3 Relative location relationship between goafs

2.3 采空區(qū)分布參數(shù)的獲取

通過分析三維激光掃描與三維建模成果信息，結(jié)合采空區(qū)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地表相互位置可知，492-635采空區(qū)、49-634-1采空區(qū)及49-634-2采空區(qū)的體積分別為938.6、1 136.6、1 527.7 m3，采空區(qū)群具體參數(shù)如表1所示。

表1 采空區(qū)群參數(shù)

3 采空區(qū)群爆破方案設(shè)計(jì)

3.1 采空區(qū)穩(wěn)定性分析

采空區(qū)上覆巖層安全厚度直接影響著其穩(wěn)定性，上覆巖層自身靜載荷、上部設(shè)備動(dòng)載荷、周圍區(qū)域爆破振動(dòng)產(chǎn)生的應(yīng)力波傳遞都會(huì)改變采空區(qū)圍巖應(yīng)力，致使頂板巖石跨落。大寶山露天礦49號(hào)勘探線630采空區(qū)群頂板區(qū)域位于微風(fēng)化英安巖帶，鉆探取芯較為完整，依據(jù)長(zhǎng)沙有色設(shè)計(jì)研究院早期在大寶山礦所做的大量實(shí)踐工作得出的最小保安層計(jì)算公式：

h=0.71b-1.02

(1)

式中：h為最小保安層厚度，m；b為采空區(qū)頂板最大跨度，m。

三維激光掃描結(jié)果得出492-635、49-634-1、49-634-2采空區(qū)頂板最大跨度分別為14.4、14.4、23.3 m，進(jìn)而計(jì)算得出最小保安層厚度分別為9.2、9.2、15.5 m。根據(jù)露天采場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)際推進(jìn)情況，計(jì)劃在661平臺(tái)對(duì)49線630采空區(qū)群進(jìn)行強(qiáng)制爆破崩落處理，此時(shí)3個(gè)采空區(qū)最小頂板厚度分別為11.98、16.11、19.01 m，均大于采空區(qū)最小保安層厚度，表明采空區(qū)上方區(qū)域暫處于安全狀態(tài)。

3.2 采空區(qū)群爆破處理方案

根據(jù)穩(wěn)定性分析結(jié)果，本次處理630采空區(qū)群是在661平臺(tái)進(jìn)行統(tǒng)一垂直穿孔并實(shí)施爆破作業(yè)，以確保人員設(shè)備施工安全可靠。

1)爆破參數(shù)。采空區(qū)群所在的爆區(qū)穿孔的鉆孔直徑為155 mm，設(shè)計(jì)孔網(wǎng)參數(shù)為4.5 m×4.5 m，相比于露天采場(chǎng)正常臺(tái)階爆破的孔網(wǎng)參數(shù)(4.5 m×6.5 m)較小；采空區(qū)群采用中心加強(qiáng)法，即位于采空區(qū)中心區(qū)域，2個(gè)探孔間多加2個(gè)炮孔形成小正方形結(jié)構(gòu)，通過增加采空區(qū)頂板最薄弱區(qū)域的炸藥單耗，形成局部加強(qiáng)爆破處理(見圖4)，同時(shí)增加區(qū)域總裝藥量增大巖體間的碰撞強(qiáng)度，進(jìn)而確保采空區(qū)頂板崩落。

圖4 采空區(qū)群炮孔布置Fig.4 Layout of blasting holes of goafs group

為確保待處理的采空區(qū)充填效果良好，采空區(qū)范圍內(nèi)的鉆孔要求均打穿采空區(qū)頂板[7-8]，其中采空區(qū)范圍內(nèi)有6個(gè)為中心加強(qiáng)孔，采空區(qū)外側(cè)有11個(gè)炮孔，合計(jì)1 621.7 m。此外，在采空區(qū)爆破處理范圍外也設(shè)計(jì)了一些炮孔，目的是在爆破時(shí)將前排有效推出，減少夾制作用。結(jié)合三維激光探測(cè)到的采空區(qū)高度，并考慮到后續(xù)工作面實(shí)際推進(jìn)情況，在采空區(qū)范圍外的炮孔設(shè)計(jì)深度為26 m，實(shí)際以炮孔打穿為準(zhǔn)，設(shè)計(jì)的最大單孔裝藥量為326 kg，總裝藥量為22 568 kg。

2)起爆網(wǎng)路。采空區(qū)群的起爆網(wǎng)路設(shè)計(jì)如圖5所示，全部采用J系列的數(shù)碼電子雷管，起爆點(diǎn)的數(shù)碼電子雷管延時(shí)時(shí)間設(shè)置為50 ms，設(shè)置在臨近邊坡的位置，先形成自由面，為采空區(qū)群的處理減少夾制作用。爆區(qū)的炮孔雷管延時(shí)時(shí)間從115 ms到1 350 ms，孔間及排間延時(shí)時(shí)間分別為25、65 ms。共計(jì)采用244發(fā)數(shù)碼電子雷管實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的逐孔起爆，確保延時(shí)時(shí)間較為合理。

注：數(shù)字為延時(shí)時(shí)間，ms。圖5 采空區(qū)群起爆網(wǎng)路Fig.5 Blasting network of goafs group

3)裝藥結(jié)構(gòu)選擇及炮孔填塞分類設(shè)計(jì)。由于巖體裂隙滲水影響，局部炮孔可能存在少量甚至大量的積水，均采用90 mm成品藥卷的2#巖石乳化炸藥，此時(shí)的填塞物為細(xì)小碎石子；而對(duì)于不含水的炮孔，在現(xiàn)場(chǎng)施工階段采用2#巖石乳化炸藥為起爆藥包、混裝銨油炸藥為主裝藥，采用耦合裝藥方式，填塞物則為鉆機(jī)吹出的細(xì)小巖粉。其中，打穿的炮孔采用底部填塞7.5 m，中部采用耦合裝藥方式，上部填塞4.5 m。未打穿的炮孔，包括水孔及無(wú)水孔，則采用耦合連續(xù)裝藥，僅在上部填塞4.5 m(見圖6)。

圖6 采空區(qū)炮孔裝藥結(jié)構(gòu)Fig.6 Charge structure of goafs blasthole

4)爆破振動(dòng)。依據(jù)經(jīng)典的爆破振動(dòng)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式：

(2)

考慮到大寶山礦巖石堅(jiān)硬程度及采場(chǎng)周邊建構(gòu)筑物防護(hù)要求，確定v取3 cm/s，K取200，α取1.5，安全警戒距離為200 m，從而得出Qmax為1 800 kg。而采空區(qū)炮孔采用逐孔起爆方式，設(shè)計(jì)的單次最大裝藥量?jī)H為326 kg，遠(yuǎn)小于Qmax，表明爆破振動(dòng)有害效應(yīng)的影響較為有限。考慮到采空區(qū)的安全隱患較大，現(xiàn)場(chǎng)安全警戒的實(shí)際距離為300 m，大于爆破安全規(guī)程的要求，以確保作業(yè)人員、建筑物及施工設(shè)備的安全性。

3.3 爆破效果分析與討論

對(duì)630采空區(qū)群實(shí)施爆破處理時(shí)，采用采空區(qū)頂板強(qiáng)制崩落充填法，用充填率和遺留空區(qū)體積來(lái)共同衡量爆破處理效果[9]。經(jīng)無(wú)人機(jī)航拍采集爆堆多角度影像信息，以及爆破后現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)，發(fā)現(xiàn)爆破區(qū)域前排推出形成的爆堆成形較好，采空區(qū)范圍內(nèi)存在顯著的地表塌陷現(xiàn)象，表明該區(qū)域采空區(qū)頂板、圍巖跨落的松渣以及巖石將采空區(qū)有效填充，采用手持式測(cè)量?jī)x器獲取邊界及高程點(diǎn)信息，通過對(duì)比分析爆前體積與爆后爆堆體積的對(duì)應(yīng)關(guān)系，得到采空區(qū)充填率達(dá)到90%以上，表明492-635采空區(qū)東側(cè)局部區(qū)域未塌實(shí)，但遺留空區(qū)體積較小。本次630采空區(qū)群爆破效果良好，有效地消除了采空區(qū)帶來(lái)的安全隱患，加快了661平臺(tái)向北推進(jìn)的進(jìn)度，且滿足現(xiàn)場(chǎng)安全挖裝作業(yè)要求，達(dá)到了預(yù)期效果。且采空區(qū)內(nèi)部的高品位銅硫礦石資源得以有效利用，資源綜合利用效率大幅提升。

4 結(jié)語(yǔ)

1)采用C-ALS三維激光掃描儀實(shí)現(xiàn)了采空區(qū)群的精準(zhǔn)探測(cè)，建立了630采空區(qū)群真實(shí)三維模型，得到采空區(qū)群體積為3 602.9 m3、投影總面積為676.4 m2。

2)依據(jù)采空區(qū)最小保安層經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算得出了630采空區(qū)群爆破前最小保安層厚度，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值大于理論計(jì)算值，表明采空區(qū)群處于安全狀態(tài)。

3)從爆破參數(shù)、起爆網(wǎng)路、裝藥結(jié)構(gòu)及炮孔填塞等方面，給出了相應(yīng)的爆破處理方案。對(duì)630采空區(qū)群采取強(qiáng)制崩落法進(jìn)行協(xié)同爆破處理，有效地消除了采空區(qū)群相互干擾，爆破后充填率達(dá)90%，塌落較為明顯，降低了采空區(qū)群潛在的安全隱患。