三維激光掃描技術(shù)在采場(chǎng)回收率計(jì)算中的應(yīng)用

孫 超 王繼成 顧靜心

（安徽馬鋼張莊礦業(yè)有限責(zé)任公司）

張莊鐵礦是特大型地下鐵礦山，采用大直徑深孔階段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法，開(kāi)發(fā)利用方案設(shè)計(jì)回收率為85%。井下階段高度為90 m，分盤(pán)區(qū)開(kāi)采，盤(pán)區(qū)長(zhǎng)100 m，盤(pán)區(qū)間留設(shè)18 m寬的盤(pán)區(qū)礦柱。盤(pán)區(qū)內(nèi)垂直礦體走向交替布置一步、二步采場(chǎng)，采場(chǎng)長(zhǎng)度為礦體厚度（最后可達(dá)164 m），一步采場(chǎng)寬度為15 m，二步采場(chǎng)寬度為18 m。

一步采場(chǎng)在爆破作業(yè)時(shí)，易受采場(chǎng)圍巖巖性或者構(gòu)造影響，導(dǎo)致采場(chǎng)邊幫參差不齊，造成超爆或者欠爆問(wèn)題，甚至引起側(cè)幫大面積垮落。由于采場(chǎng)高度高，又已經(jīng)形成采空區(qū)，無(wú)法近距離目視爆破效果，導(dǎo)致很難準(zhǔn)確估算采場(chǎng)回采礦石量。采場(chǎng)實(shí)際回收率估算不準(zhǔn)，給生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)帶來(lái)管理難題。

1 三維激光掃描儀介紹

1.1 系統(tǒng)工作原理

該設(shè)備激光發(fā)射器發(fā)出激光脈沖信號(hào)，經(jīng)物體表面漫反射后，沿相同路徑反射傳回到接收器，通過(guò)不同對(duì)象對(duì)激光的光射時(shí)間差，可以計(jì)算目標(biāo)點(diǎn)與掃描儀距離。控制編碼器同步測(cè)量每個(gè)激光脈沖橫向掃描角度觀察值和縱向掃描角度觀察值，最終獲取被測(cè)物體表面每個(gè)采樣點(diǎn)空間立體坐標(biāo)。被測(cè)對(duì)象離散點(diǎn)的集合稱(chēng)為距離影像或點(diǎn)云。

1.2 技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

本次公司采購(gòu)的三維激光掃描儀型號(hào)為MaptekSR3，具有掃描速度快、范圍廣、精度高、適應(yīng)井下復(fù)雜環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)。該掃描作業(yè)過(guò)程中不需要光源，可以在黑暗中進(jìn)行測(cè)量。采用主動(dòng)發(fā)射掃描光源（激光），通過(guò)探測(cè)自身發(fā)射的激光回波信號(hào)來(lái)獲取目標(biāo)物體的空間數(shù)據(jù)信息，因此在掃描過(guò)程中，不受掃描環(huán)境的時(shí)間和空間限制［1-5］。

2 采空區(qū)建模

空區(qū)模型的建立需要經(jīng)過(guò)空區(qū)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、創(chuàng)建模型3個(gè)環(huán)節(jié)。

2.1 數(shù)據(jù)采集

現(xiàn)場(chǎng)已知控制點(diǎn)在巷道頂板，用鉛錘對(duì)準(zhǔn)基座中心或者掃描儀頂部連接件的中心，2個(gè)中心在垂直方向的一條線上，通過(guò)站點(diǎn)后視對(duì)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)直接按照名稱(chēng)匹配即可配準(zhǔn)到絕對(duì)坐標(biāo)下。坐標(biāo)對(duì)準(zhǔn)后，引入到靠近采空區(qū)處，操作掃描儀配備的手簿進(jìn)行數(shù)據(jù)采集作業(yè)。

2.2 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采集完畢后，首先將U盤(pán)插入掃描儀操作手簿，選中新掃描的點(diǎn)云文件，選擇傳輸，新數(shù)據(jù)就會(huì)存儲(chǔ)到U盤(pán)。然后通過(guò)Maptek軟件完成點(diǎn)云數(shù)據(jù)匹配，生成該采場(chǎng)obj文件。

2.3 模型創(chuàng)建

采場(chǎng)obj文件導(dǎo)入到Geomagic Studio軟件后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行技術(shù)處理，得到了采場(chǎng)空間表面信息，生成采場(chǎng)開(kāi)采三維實(shí)體模型，如圖1所示。通過(guò)體積查詢(xún)功能，該采場(chǎng)模型實(shí)際空間體積為9.01萬(wàn)m3。

3 實(shí)際回收率計(jì)算

采場(chǎng)實(shí)際回收率是指從某采場(chǎng)內(nèi)采出的礦石總量與該采場(chǎng)擁有的地質(zhì)總儲(chǔ)量的百分比。若想計(jì)算采場(chǎng)實(shí)際回收率，必須要同時(shí)計(jì)算出某采場(chǎng)采出的礦石總量和該采場(chǎng)地質(zhì)總儲(chǔ)量2個(gè)參數(shù)。開(kāi)采后的采出礦石總量借助三維激光掃描儀來(lái)計(jì)算，開(kāi)采前的地質(zhì)總儲(chǔ)量用DIMINE軟件建立地質(zhì)總儲(chǔ)量模型來(lái)計(jì)算。下面以-390 m中段的503S采場(chǎng)作為案例進(jìn)行計(jì)算實(shí)際回收率說(shuō)明。

3.1 地質(zhì)總儲(chǔ)量模型建立

將井下揭露該采場(chǎng)的礦巖邊界線地質(zhì)素描CAD格式圖導(dǎo)入到DIMINE軟件中，利用實(shí)體建模模塊功能生成三維地質(zhì)總儲(chǔ)量模型，如圖2所示。通過(guò)體積查詢(xún)功能，該采場(chǎng)地質(zhì)總儲(chǔ)量模型體積V1=10.67萬(wàn)m3。最后再導(dǎo)出Maptek和DIMINE軟件互相兼容的CAD格式文件，方便下一步差異實(shí)體體積運(yùn)算。

3.2 采場(chǎng)差異實(shí)體體積運(yùn)算

利用Maptek軟件的差異實(shí)體體積功能（圖3），對(duì)采出鐵礦石量進(jìn)行運(yùn)算，剔除了該采場(chǎng)上下盤(pán)圍巖體積0.2萬(wàn)m3，得出了該采場(chǎng)中采出鐵礦石的總體積V2=8.81萬(wàn)m3。

3.3 實(shí)際回收率計(jì)算

該采場(chǎng)開(kāi)采前地質(zhì)總儲(chǔ)量、開(kāi)采后采出總礦石量以及實(shí)際回收率計(jì)算公式分別見(jiàn)式（1）～式（3）：

式中，k為采場(chǎng)實(shí)際回收率；Q為采場(chǎng)開(kāi)采前地質(zhì)總儲(chǔ)量，萬(wàn)t；q為采場(chǎng)開(kāi)采后采出礦石總量，萬(wàn)t；V1為采場(chǎng)開(kāi)采前礦石總體積，萬(wàn)m3；V2為采場(chǎng)開(kāi)采后采出礦石總體積，萬(wàn)m3；t是該礦床的礦石密度，為3.39 t/m3。

根據(jù)式（1）和式（2），分別計(jì)算出該采場(chǎng)開(kāi)采前地質(zhì)總儲(chǔ)量Q=36.17萬(wàn)t和開(kāi)采后采出礦石總量q=29.87萬(wàn)t。依據(jù)式（3）計(jì)算出該采場(chǎng)實(shí)際回收率k=82.6%。

4 結(jié) 論

（1）三維激光掃描技術(shù)實(shí)現(xiàn)了該采場(chǎng)空區(qū)的空間“實(shí)景復(fù)制”，形成了空區(qū)模型，可以清晰地看出采場(chǎng)開(kāi)采后的實(shí)際情況。

（2）該采場(chǎng)實(shí)際回收率為82.6%，低于設(shè)計(jì)回收率85%，原因主要是上盤(pán)三角礦體存在欠爆現(xiàn)象，導(dǎo)致了礦產(chǎn)資源的損失。

（3）基于三維激光掃描技術(shù)，精準(zhǔn)計(jì)算出了采場(chǎng)實(shí)際采出礦石量和實(shí)際回收率，解決了以往回收率計(jì)算效率低、回采礦石量估算不精確等技術(shù)難點(diǎn)，可以為礦產(chǎn)資源管理提供參考依據(jù)。