東龍賓，王少泉，藺帥宇，龐 森，喬洪斌

(1.中冶北方(大連)工程技術(shù)有限公司，遼寧 大連 116600；2.新疆鋼鐵雅滿蘇礦業(yè)有限責(zé)任公司，新疆 哈密 839000)

金屬礦采空區(qū)具有隱蔽性，自身失穩(wěn)造成的直接災(zāi)害及次生災(zāi)害種類繁多，危害極大[1-2]。大量未處理的采空區(qū)嚴(yán)重影響井下開采的安全，已成為金屬礦山重大危險(xiǎn)源之一，國(guó)務(wù)院安委會(huì)、國(guó)家安監(jiān)總局已經(jīng)出臺(tái)大量條文規(guī)定，要求加強(qiáng)采空區(qū)監(jiān)測(cè)和治理[3-4]。及時(shí)準(zhǔn)確的對(duì)地下采空區(qū)進(jìn)行定位與探測(cè)，是進(jìn)行采空區(qū)穩(wěn)定性分析和災(zāi)害控制的前提。在采空區(qū)探測(cè)方面，根據(jù)探測(cè)技術(shù)的不同原理，探測(cè)技術(shù)可分為電法、電磁法、非電法及地震波法等。美國(guó)在探測(cè)方法及探測(cè)技術(shù)方面處于世界領(lǐng)先水平，全面發(fā)展了各類物理探測(cè)方法；日本則在工程物探技術(shù)方面處于世界領(lǐng)先地位，尤其是地震波法；我國(guó)早期主要采用工程鉆進(jìn)的方法進(jìn)行采空區(qū)探測(cè)，工程量大，而且效果較差。

隨著采空區(qū)的復(fù)雜性和數(shù)量日益增多，工程技術(shù)人員對(duì)探測(cè)精度的要求也逐漸提高，地球物理勘探手段得到的結(jié)果不能對(duì)采空區(qū)處理產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性的作用，所以應(yīng)用高精度的三維激光掃描為代表的精細(xì)探測(cè)技術(shù)已經(jīng)成為未來采空區(qū)探測(cè)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)[5-7]，該方法能精確地探測(cè)出采空區(qū)的三維形態(tài)及空間位置。其中應(yīng)用比較廣泛的設(shè)備有CMS空區(qū)激光探測(cè)系統(tǒng)和C-ALS空區(qū)激光探測(cè)系統(tǒng)。許多學(xué)者也已經(jīng)做了大量實(shí)踐，比如，王運(yùn)敏等[8]通過CMS對(duì)石人溝鐵礦采空區(qū)進(jìn)行了掃描，獲取了空區(qū)的形態(tài)，為空區(qū)處理和礦柱回采提供了依據(jù)。彭林等[9]采用C-ALS三維激光掃描系統(tǒng)對(duì)采空區(qū)實(shí)施精準(zhǔn)探測(cè)，建立了采空區(qū)可視化模型，并對(duì)采空區(qū)進(jìn)行了穩(wěn)定性分析。馬玉濤等[10]總結(jié)了C-ALS系統(tǒng)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，并在安慶銅礦成功進(jìn)行了應(yīng)用。黃彬等[11]通過C-ALS采空區(qū)探測(cè)，獲取了采空區(qū)的三維信息。王麗君等[12]應(yīng)用CMS激光探測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了采空區(qū)的精密探測(cè)和三維建模。李群等[13]利用三維激光掃描系統(tǒng)對(duì)空區(qū)進(jìn)行三維激光探測(cè)，并利用3DMine 軟件建立采空區(qū)的三維實(shí)體模型，并進(jìn)行空區(qū)穩(wěn)定性分析等，取得了較好的效果。

本文依托礦山現(xiàn)場(chǎng)條件復(fù)雜性和適應(yīng)性，運(yùn)用空區(qū)激光自動(dòng)掃描系統(tǒng)C-ALS，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采空區(qū)的三維形態(tài)進(jìn)行了精確探測(cè)，建立采場(chǎng)現(xiàn)狀的三維模型，為采空區(qū)處理、礦山實(shí)際生產(chǎn)提供可靠的基礎(chǔ)資料。

1 C-ALS采空區(qū)三維激光測(cè)試系統(tǒng)

由英國(guó)MDL公司研制的地下空區(qū)三維激光掃描儀C-ALS，是一種可以對(duì)采空區(qū)進(jìn)行三維測(cè)量的設(shè)備(如圖1所示)。操作簡(jiǎn)單，探頭直徑5 cm，可通過鉆孔進(jìn)入采空區(qū)，將掃描儀深入空腔后，會(huì)根據(jù)設(shè)置自動(dòng)以360°的視角對(duì)空區(qū)進(jìn)行環(huán)狀掃描，取得高密度的“點(diǎn)云”，所得的結(jié)果為三維可視的空腔內(nèi)部(如圖2所示)。在軟件當(dāng)中，三維空腔點(diǎn)云具有真實(shí)的方位與坐標(biāo)數(shù)據(jù)，真實(shí)的體積與范圍值，可以輕松的量測(cè)與分析，多次掃描結(jié)果可以拼接成完整的空腔點(diǎn)云，為最終處理提供最直觀的參考依據(jù)。設(shè)備掃描范圍半徑為150 m，精度為±5 cm，分辨率1 cm，豎直方向掃描范圍-90°～+90°，水平方向掃描范圍0°～360°。掃描結(jié)束后，通過CavityScan軟件，可以將獲取的點(diǎn)云轉(zhuǎn)換成常用軟件的格式，面對(duì)眾多礦業(yè)軟件，都可以無縫連接，比如Auto CAD、3DMine、Surpac、Cass、Dmine、Micromine等。

2 雅滿蘇鐵礦應(yīng)用實(shí)踐

2.1 采空區(qū)探測(cè)

雅滿蘇鐵礦井下首采階段820～880 m中段礦房采礦方法為有底部結(jié)構(gòu)淺孔留礦法，經(jīng)過多年開采，共形成13個(gè)采空區(qū)，如圖3所示。由于空區(qū)暴露時(shí)間長(zhǎng)，受地壓影響作用，礦巖發(fā)生變形，穩(wěn)固性變差，采空區(qū)誘發(fā)地面沉陷、失穩(wěn)坍塌、巖爆、沖擊地壓、垮塌沖擊波等災(zāi)害的可能性及不確定性制約著下階段礦體的開采。因此為進(jìn)行下階段生產(chǎn)，課題組對(duì)其中具備探測(cè)條件的11個(gè)采空區(qū)進(jìn)行了探測(cè)工作。

圖1 C-ALS套裝圖Fig.1 C-ALS package diagram

圖2 工作過程示意圖Fig.2 Schematic diagram of the working process

掃描方式：水平掃描，垂直方向采用3°增益角，利用CavityScan、Geomagic Studio對(duì)探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲取了每個(gè)空區(qū)的形態(tài)、體積、空間位置以及直接關(guān)系到采空區(qū)穩(wěn)定性的上盤圍巖暴露面積等信息，通過布爾運(yùn)算還可獲取間柱形態(tài)。為節(jié)約篇幅，我們?cè)诒?中列舉了其中5個(gè)采空區(qū)探測(cè)結(jié)果，由探測(cè)結(jié)果可知，1#采空區(qū)和3#采空區(qū)之間礦柱已經(jīng)破壞，采空區(qū)已經(jīng)連通；3#、5#、7#和9#采空區(qū)體積較大，且之間礦柱較窄；17#采空區(qū)頂柱已經(jīng)破壞，在回風(fēng)巷道底板形成“天窗”；21#和21#西采空區(qū)還有較多存窿礦石，且空區(qū)已經(jīng)連通。

圖3 820 m中段采空區(qū)分布示意圖Fig.3 Schematic diagram of the distribution of goaf in the middle section of 820 m

空區(qū)編號(hào)空區(qū)實(shí)測(cè)形態(tài)體積/萬m3采空區(qū)實(shí)測(cè)尺寸/m長(zhǎng)度寬度高度上盤圍巖實(shí)測(cè)暴露面積/m2頂柱實(shí)測(cè)暴露面積/m2連通情況1#3.485.115.848.62 135372與3#空區(qū)連通3#4.086.921.342.92 746635與1#空區(qū)連通5#3.243.017.264.21 643653獨(dú)立空區(qū)7#2.841.015.243.31 633545獨(dú)立空區(qū)9#2.439.020.047.41 565518獨(dú)立空區(qū)

2.2 三維實(shí)體模型構(gòu)建

采空區(qū)上部為原有露天采場(chǎng)(已經(jīng)閉坑)，采空區(qū)處理過程中必須考慮采空區(qū)與露天采場(chǎng)的空間關(guān)系以及對(duì)露天采場(chǎng)的影響。基于采空區(qū)探測(cè)結(jié)果，結(jié)合3DMine三維礦業(yè)工程軟件，建立了采空區(qū)群、露天采場(chǎng)、現(xiàn)有巷道的耦合三維模型，實(shí)現(xiàn)礦山現(xiàn)狀的三維可視化，為實(shí)現(xiàn)采空區(qū)信息集成管理、安全生產(chǎn)提供了重要基礎(chǔ)，如圖4所示。

圖4 采空區(qū)、開拓系統(tǒng)及露天采場(chǎng)復(fù)合圖Fig.4 Composite view of goaf, development system and open pit

3 結(jié)論

本文在總結(jié)采空區(qū)探測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)上，采用三維激光掃描設(shè)備C-ALS，精確地獲取了雅滿蘇鐵礦采空區(qū)的三維空間信息，使采空區(qū)模型趨于真實(shí)，為后續(xù)采空區(qū)處理相關(guān)工作提供了重要數(shù)據(jù)。研究主要結(jié)論包括：

1)精細(xì)探測(cè)是實(shí)現(xiàn)采空區(qū)可視化的重要手段，通過C-ALS激光探測(cè)系統(tǒng)，獲取了采空區(qū)三維形態(tài)、體積、空間位置、頂板暴露面積等關(guān)鍵信息，建立了開拓系統(tǒng)、露天采場(chǎng)及采空區(qū)群的三維復(fù)合圖，實(shí)現(xiàn)了礦山三維現(xiàn)狀的可視化。

2)C-ALS探測(cè)系統(tǒng)操作方便靈活，與其他三維掃描系統(tǒng)相比，探頭直徑僅有50 mm，可通過小直徑鉆孔下放測(cè)量，現(xiàn)場(chǎng)適應(yīng)性強(qiáng)，且探測(cè)人員無需進(jìn)入空區(qū)，操作安全，具有很好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

3)本研究成果的應(yīng)用可大大提高采空區(qū)穩(wěn)定分析的準(zhǔn)確性，同時(shí)也可為下階段采空區(qū)處理方案的炮孔布置優(yōu)化、措施巷道施工等提供重要的依據(jù)。