地下礦山高分段復雜形態溜井精細探測與穩定性分析

段志昆，陳 鋒

1煤炭科學技術研究院有限公司 北京 100013

2北京徠達泰科科技有限公司 北京 100010

在地下礦山多中段協同開采過程中，需在各中 段之間布置溜井，作為一種在多階段運輸中從上至下運送礦石的巷道。溜井對于提高礦山運輸及生產效率方面起著重要的作用[1-4]。但是，礦山礦巖性質多為硬巖，溜井在長期使用過程中受到礦石的沖擊及侵蝕，易引起井壁變形破壞[5-6]。井壁破壞后掉落的巖石容易造成溜井堵塞，進而導致溜井口的礦石堆積。若溜井口發生垮塌，將產生嚴重的礦井沖擊波[7]，威脅附近生產井巷及卸礦口人員與設備安全，不僅影響到礦山的生產效率，更會造成礦山安全隱患。

因此，需要對溜井內壁的圍巖形態特征進行定時觀測與穩定性分析，以評估溜井的使用情況，并及時發現溜井存在的安全隱患。而溜井作為復雜受限空間，作業人員無法進入內部進行精細測量，只能依靠非接觸式測量方式進行探測。羅廣強等人[8]利用 CALS 鉆孔式掃描儀開展了溜井的精細探測，在此基礎上進行 Midas-FLAC3D 耦合方法的建模分析，對該復雜井巷工程的穩定狀況進行了穩定性分析；劉宇等人[9]設計了基于 SLAM 技術的手持式激光掃描儀在溜井內部的數據獲取方法，并利用 Delaunay 生長法構建溜井實體模型，提取指定位置的斷面信息，最終準確分析其內部形變情況；吳曉旭等人[10]為探究儲料對溜井卸礦沖擊的緩沖特性，采用離散元法分析溜井卸礦沖擊作用下儲料緩沖過程，確定了在當前溜井結構、礦巖粒徑分布下的臨界儲料高度值；趙星如等人[11]構建了滑動狀態下運動礦巖的力學模型，研究了溜井結構參數對礦巖運動特征的影響，得出了傾斜溜井中礦巖滑動的運動速度函數關系。

綜上所述，三維激光掃描技術是一種有效且精確的溜井測量手段[12]。但以往研究中通常使用鉆孔式掃描儀或利用延深桿對溜井進行測量，針對高分段、復雜形態溜井，通常需要分段測量，這就導致測量作業繁瑣，且點云數據處理過程中需要進行大量的拼接及矯正工作，難以實現復雜受限空間的全面、快速、精確、安全的探測。此外，在溜井穩定性分析研究中，由于三維激光掃描可以提供準確的溜井模型，因此采用數值分析手段能夠更真實地反映三維溜井空間的穩定性[13]。

為此，針對高分段復雜形態溜井精確探測困難與作業安全風險大等問題，利用一種下放式保護裝置與 GeoSLAM 三維激光掃描儀結合的手段，針對高分段復雜形態溜井環境實現精細探測，快速獲取高分段復雜形態溜井的精細三維模型，并利用 Midas-FLAC3D 耦合方法開展溜井實測模型的穩定性分析，實現高分段復雜形態溜井精細探測和穩定性分析。

1 工程背景

某銅礦山主溜井設計直徑為 6 m，溜井垂直深度接近 320 m，從 2 312 m 中段至 1 978 m 中段，共服務 6 個中段的礦石運輸，各中段卸礦口均由一段斜溜槽連接主溜井。由于垂直溜井貯礦階段高度受限制，放礦沖擊力大，礦石易粉碎，井壁沖擊磨損大。而溜井深度大時維護困難，導致井壁有片幫垮落。此前該銅礦山主溜井因放礦沖刷嚴重，造成大面積片幫，導致井壁垮塌，從而堵塞溜井口，影響到整個礦山的正常生產與經濟效益。由此可見，主溜井是礦山的主要生產系統，及時精確掌握主溜井健康狀態對礦山安全生產十分重要。

2 基于三維激光掃描技術的溜井精細探測

2.1 溜井精細探測裝備

針對某銅礦山高分段復雜形態溜井的精細測量，選用 GeoSLAM 手持式三維激光掃描儀作為測量溜井的主要工具，如圖 1 所示。該設備基于 SLAM 算法實現運動形態下的點云數據收集，能較好地適應井下多粉塵、高濕、高溫等復雜環境的數據采集工作，測量精度可達±2 cm。

圖1 三維激光掃描儀Fig.1 3D laser scanner

在溜井探測過程中容易發生落石碰撞、設備與井壁碰撞、操作失誤等問題，從而造成設備損害或數據收集質量不佳。為此，設計了一種溜井探測過程中的溜井防碰撞裝置，如圖 2 所示。三維激光掃描儀固定在保護裝置內，通過數據線將設備連接口與井口所設置的主機相連，實現測量過程中的數據實時上傳及更新。在溜井測量過程中，該裝置可保護三維激光掃描儀，避免與井壁及落石發生碰撞，并提供足量的照明。同時，裝置中的三角鏈接裝置可防止鋼絲繩下降過程中發生旋轉，從而保證掃描數據的準確性。

圖2 溜井測量裝備保護裝置Fig.2 Orepass detection protective device

2.2 溜井精細探測方法

考慮到該主溜井測量深度大，內部形態復雜且不明確，根據所設計的溜井測量保護裝置，利用保護架、卷揚機實現溜井的三維激光掃描升降測量，如圖 3 所示。首先，在溜井口布置井口保護架，為井口人員及設備提供保護，也為測量創建平臺空間；再通過鋼絲繩連接卷揚機與三維激光掃描測量裝置，利用卷揚機實現測量裝置在溜井中的升降。

圖3 溜井升降測量Fig.3 Orepass lift measurement

在測量前，先利用卷揚機將攝像頭下放至溜井底部，確定溜井實際測量深度以及井筒內部實際工況后，即可利用三維激光掃描測量裝置進行精細測量。測量人員在井口通過與測量裝置數據接口相連的主機觀測溜井測量的動態實時點云數據，判斷測量作業的質量與進度，實現溜井點云模型測量的一次生成。

2.3 溜井精細探測結果分析

采用上述測量方法，獲取某銅礦山主溜井精細測量點云模型，進行點云數據的坐標矯正以及誤差分析[14]，并利用點云重構方式構建出溜井的三維實體模型，如圖 4 所示?？梢钥闯?，所采用的溜井測量方法能夠較精確地獲取溜井的實際三維數據，溜井測量高度從 2 311.56 m 水平至 1 973.83 m 水平，總測量井深為 337.73 m。從高度等值線以及溜井測量模型與設計模型的對比 (見圖 5) 可看出，從 2 040.48 m 水平至 2 290.71 m 水平，溜井均發生不同程度上的垮落，其中 2 082.14 m 水平至 2 207.15 m 水平溜井垮落較為嚴重，最大垮落區域的跨度可達 32.67 m。從該溜井的實測模型可判斷此溜井的井壁損傷程度較大，考慮到礦山仍在使用該溜井進行放礦作業，有必要對溜井的穩定性進行分析評判。

圖4 溜井測量模型Fig.4 Orepass measurement model

圖5 溜井模型對比Fig.5 Comparison of models

3 溜井穩定性分析

3.1 數值分析方法

為了全面分析某銅礦溜井穩定性，根據上述設計實測得到的溜井三維模型，利用 Madis-GTS-NX 軟件進行溜井數值模型的建模[15]，如圖 6 所示。通過Madis-GTS-NX 軟件，可以較好地實現與點云數據及實體模型的交互，從而生成符合實際工況的數值模型，如圖 6(a) 所示。建立的計算模型長 250 m、寬 150 m、高 600 m，靠近溜井處網格尺寸設置為 0.5 m，其余區域網格尺寸設置為 2 m，共生成 1 250 754 個節點、1 141 289 個單元。其中，考慮到礦山實際的地層分布，將溜井劃分為 2 個巖層 (圍巖 1 與圍巖 2)，不同圍巖的物理力學參數如表 1 所示。利用 Madis-GTS-NX 軟件建立數值計算模型，通過網格轉化，將處理后的數值計算模型導入 FLAC3D 中進行穩定性計算[16]，如圖 6(b) 所示。在計算過程中，對模型x方向與y方向的邊界以及模型底部的z方向進行固定。考慮到地表為 2 800 m 水平高度，溜井井口的實際埋深則為 500 m，為了還原真實的地應力，模型施加埋深 500 m 的應力分布，實現模型的初始地應力平衡。

圖6 溜井穩定性數值計算模型Fig.6 Numerical calculation model of orepass stability

表1 溜井穩定性數值計算參數Tab.1 Numerical calculation parameters of orepass stability

3.2 數值分析結果

3.2.1 應力分布及破壞區域分析結果

通過 FLAC3D 軟件計算得到的溜井應力分布及破壞區域分析結果如圖 7 所示?？梢钥闯觯锞谔幊霈F拉應力集中現象 (見圖 7(a))，其中最大主應力分布在 2 133.92 m 水平處，最大主應力為 0.27 MPa，超過圍巖 2 的抗拉強度 0.18 MPa，接近圍巖 1 的抗拉強度 0.29 MPa，說明溜井井壁容易發生拉破壞；最小主應力為 0.02 MPa (見圖 7(b))，未達到圍巖的抗壓強度峰值；從圍巖破壞的塑性區分布來看 (見圖 7(c))，溜井井壁主要分布拉破壞塑性區，說明溜井井壁圍巖在拉應力作用下，容易發生拉裂及垮落破壞。

圖7 應力分布及破壞區域數值計算結果Fig.7 Numerical calculation results of stress distribution and collapsed zone

3.2.2 溜井位移數值分析結果

通過 FLAC3D 軟件計算得到的溜井位移分析結果如圖 8 所示。從圖 8(a)、(b) 可以看出，在x及y方向上，2 082.14 m 水平至 2 207.15 m 水平溜井井壁圍巖均呈現向溜井內部方向的位移，最大橫向位移值為 6.7 mm，主要分布在 2 133.92 m 水平處；從圖 8(c) 可以看出，在z方向上，最大豎向位移值為 1.8 mm，主要分布在 2 133.92 m 水平處。綜合來看，該銅礦溜井在 2 133.92 m 水平處容易發生進一步的井壁垮落破壞。

圖8 溜井井壁位移計算結果Fig.8 Calculation results of displacement of shaft wall

4 結論

(1) 利用溜井三維激光掃描測量設備下放式保護裝置，結合 GeoSLAM 三維激光掃描儀，實現了某銅礦主溜井的三維激光掃描升降測量，獲取了從 2 311.56 m 水平至 1 973.83 m 水平，總測量井深為 337.73 m 的溜井模型，表明所采用的溜井測量方法能夠精確、安全地針對高分段復雜形態溜井進行測量。

(2) 基于測量得到的主溜井模型，通過高度等值線及測量與設計對比結果可知，從 2 040.48 m 水平至 2 290.71 m 水平，溜井均發生不同程度上的垮落，其中 2 082.14 m 水平至 2 207.15 m 水平溜井垮落較為嚴重，最大垮落區域的跨度可達 32.67 m。

(3) 利用 Midas-FLAC3D 耦合方法開展溜井實測模型的穩定性分析，應力及破壞區域分析結果說明溜井井壁圍巖在拉應力作用下，容易發生拉裂及垮落破壞，其中最大拉應力分布在 2 133.92 m 水平處；位移分布分析結果表明，圍巖均呈現向溜井內部方向的位移，且位移值主要分布在 2 133.92 m 水平處，說明該銅礦溜井在 2 133.92 m 水平處容易發生進一步的井壁垮落破壞。

(4) 研究針對高分段復雜形態溜井，設計一種基于三維激光掃描的升降測量方式，實現高分段復雜形態溜井的安全、精確測量，該方法可降低測量作業難度與點云數據處理的復雜度。同時，結合數值分析方法，開展了實測溜井形態的穩定性分析，最終形成一種適用于地下金屬礦山高分段復雜形態溜井精細測量及穩定性分析的有效方式。