文 興，朱青凌

(1.長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司，長(zhǎng)沙 410012；2.金屬礦山安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410012)

溜井是地下礦山溜破系統(tǒng)重要組成部分，是利用自重從上往下溜放礦石或廢石的通道，主要功能是負(fù)責(zé)集貯和轉(zhuǎn)運(yùn)井下開采礦巖，在地下固體礦山廣泛使用[1]。

礦山正常生產(chǎn)過程中，頻繁往溜井倒入和放出礦石或廢石，溜井井壁受到礦巖的沖刷和碰撞沖擊作用，常會(huì)出現(xiàn)磨損甚至破壞，當(dāng)局部破壞發(fā)展到一定程度，就有可能威脅到整個(gè)溜破系統(tǒng)安全，甚至殃及相鄰井筒和巷道，影響礦山安全生產(chǎn)[2]。

為了確保溜井的安全使用，需要定期對(duì)溜井進(jìn)行探測(cè)和測(cè)量，評(píng)估溜井的安全狀況。但由于溜井構(gòu)造的特殊性，處于安全考慮，一般不允許人員直接進(jìn)入溜井內(nèi)部了解情況，采用傳統(tǒng)測(cè)量方式也無(wú)法準(zhǔn)確獲得內(nèi)部數(shù)據(jù)。因此，溜井測(cè)量宜采用連續(xù)、自動(dòng)、精確的非接觸式測(cè)量設(shè)備，且能實(shí)現(xiàn)三維可視化。

1 工程背景與測(cè)量方法

1.1 工程背景

某地下銅礦采用斜坡道+豎井開拓，大直徑深孔采礦嗣后充填采礦法開采，設(shè)計(jì)原礦生產(chǎn)能力為0.5萬(wàn)t/d，目前已開拓形成0、-50、-100 m三個(gè)中段。

2號(hào)溜井為主礦石溜井，位于斜坡道附近，標(biāo)高為0 ～-150 m。在0、-50、-100 m中段內(nèi)各設(shè)卸礦硐室。溜井為圓形斷面，主井筒凈直徑3.5 m，-120 m以下部分為儲(chǔ)礦段，直徑5 m。溜井井口段25.0 m內(nèi)采用整體混凝土支護(hù)，厚度500 mm。溜礦段采用噴射混凝土支護(hù)，厚度100 mm。礦倉(cāng)部位，為防止礦石的沖擊和磨損，在礦倉(cāng)下部12 m高度范圍內(nèi)采用鋼軌加固。裝礦硐室以砼整體支護(hù)為主，支護(hù)厚度400 mm，混凝土強(qiáng)度為C25。

2號(hào)溜井于2015年建成并投入使用，至2018年6月，已正常使用3年，累計(jì)總放礦量約300萬(wàn)t。溜井使用過程中，礦山根據(jù)溜井的儲(chǔ)礦量、礦石塊度等判斷，自2017年6月開始，2號(hào)礦石溜井發(fā)生過幾次不同程度的垮冒現(xiàn)象。為了準(zhǔn)確掌握2號(hào)溜井井筒斷面形狀，評(píng)估井筒垮塌程度，需要開展精確測(cè)量工作，分析和評(píng)估溜井垮塌情況，為溜井運(yùn)行維護(hù)、使用管理和安全治理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和科學(xué)依據(jù)。

1.2 測(cè)量方法

三維激光掃描技術(shù)是一門新興的測(cè)繪技術(shù)，是測(cè)繪領(lǐng)域繼GPS技術(shù)之后的又一次技術(shù)革命，三維激光掃描技術(shù)又稱“實(shí)景復(fù)制技術(shù)”[3-4]。三維激光掃描儀采用高速激光的非接觸式測(cè)量方法，能在復(fù)雜場(chǎng)地和有限空間對(duì)被測(cè)目標(biāo)進(jìn)行快速準(zhǔn)確的掃描和測(cè)量，獲得海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)[5-6]。點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)過處理，可建立三維實(shí)體模型展示溜井現(xiàn)狀情況，能為溜井安全穩(wěn)定狀況評(píng)估和后期治理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和科學(xué)依據(jù)。

C-ALS掃描系統(tǒng)為英國(guó)MDL公司開發(fā)的一款微型耐用的3D激光掃描系統(tǒng)，能對(duì)地下空穴和空腔安全、快速、精確地進(jìn)行掃描[7]。儀器探頭呈桿狀，直徑為50 mm，可以通過鉆孔，用折疊桿將探頭送放至難以接近的采空區(qū)、溶洞以及任何空腔內(nèi)進(jìn)行掃描。C-ALS采用馬達(dá)驅(qū)動(dòng)雙軸掃描探頭，實(shí)現(xiàn)在水平方向和垂直方向做360°球形掃描，一次掃描可覆蓋整個(gè)空穴，最大掃描距離達(dá)150 m。C-ALS探頭集成了轉(zhuǎn)動(dòng)、傾斜、內(nèi)置羅盤等多個(gè)傳感器，激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)定向和定位準(zhǔn)確性高。系統(tǒng)掃描方法和原理如圖1所示。

圖1 C-ALS掃描原理示意圖Fig.1 The diagram of C-ALS scanning principle

2 溜井現(xiàn)場(chǎng)掃描測(cè)量

2.1 現(xiàn)場(chǎng)掃描測(cè)量過程

2號(hào)溜井總長(zhǎng)度為150 m，在-50、-100和-150 m三個(gè)中段設(shè)有卸礦斜溜槽?？紤]到測(cè)量人員和掃描設(shè)備安全以及取得良好的探測(cè)效果，掃描探測(cè)工作分兩階段進(jìn)行。

第一階段完成0～-100 m中段溜井掃描工作，利用0 m中段2號(hào)溜井頂部導(dǎo)向孔(孔徑約250 mm)下放設(shè)備進(jìn)行掃描，然后通過折疊連接桿不斷下降，進(jìn)行分段采集溜井?dāng)?shù)據(jù)，共進(jìn)行14次測(cè)量，取得了完整和豐富的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

第二階段完成-100～-150 m中段溜井掃描工作，需要在-100 m溜井格篩上安裝工作平臺(tái)，在斜溜槽內(nèi)安裝導(dǎo)向管，內(nèi)徑136 mm，長(zhǎng)度18 m，導(dǎo)向管上部固定在溜井格篩上，通過導(dǎo)向管下放掃描探頭至溜井內(nèi)進(jìn)行掃描探測(cè)，最后對(duì)-100 m中段放礦斜溜槽進(jìn)行掃描，取得了完整和豐富的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。C-ALS測(cè)試過程如圖2所示。

圖2 C-ALS測(cè)試過程示意圖Fig.2 The diagram of C-ALS test process

2.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)

三維激光掃描的點(diǎn)密度達(dá)厘米級(jí)，能最大限度地展現(xiàn)溜井現(xiàn)狀，能為溜井安全評(píng)估和治理提供精確的基礎(chǔ)測(cè)量數(shù)據(jù)[8]。對(duì)2號(hào)溜井進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)掃描后，采用Cavity Scan專業(yè)軟件對(duì)原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)賦值，編輯并生成點(diǎn)云圖，如圖3～5所示。

圖3 2號(hào)溜井0～100 m標(biāo)高掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)圖Fig.3 The scanning point cloud data of 0-100 m elevation on No.2 slip well

圖4 2號(hào)溜井-100～-150 m標(biāo)高掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)圖Fig.4 The diagram of scanning point cloud data of -100--150 m elevation on No.2 slip well

圖5 2號(hào)溜井-100 m斜溜槽掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)圖Fig.5 The diagram of scanning point cloud data of -100 m inclined chute on No.2 slip well

3 數(shù)據(jù)處理與分析應(yīng)用

3.1 數(shù)據(jù)處理與實(shí)體建模

Cavity Scan軟件為C-ALS三維激光掃描系統(tǒng)的配套專業(yè)軟件，其通用性較差，掃描結(jié)果不方便隨意查看和操作，同時(shí)其三維顯示為點(diǎn)云數(shù)據(jù)、線或者三角網(wǎng)顯示，沒有三維實(shí)體顯示，不能直觀反映出溜井的空間信息[9]。通過Cavity Scan軟件對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)镾urpac軟件能夠支持的水平線文件，對(duì)2號(hào)溜井的兩段掃描結(jié)果進(jìn)行組合，生成密集的水平線文件，再采用Surpac軟件進(jìn)行三維實(shí)體建模[10]。

Surpac是一款全面集成的三維數(shù)字化礦業(yè)軟件，在國(guó)內(nèi)外廣泛使用。采用Surpac軟件建立的溜井三維實(shí)體模型，其模型可以進(jìn)行直觀的空間關(guān)系顯示以及相應(yīng)的操作，為溜井現(xiàn)狀分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，其轉(zhuǎn)化文件和三維實(shí)體模型如圖6和圖7所示。

圖6 Cavity Scan文件轉(zhuǎn)Surpac線文件Fig.6 The file on Surpac line transformed by Cavity Scan file

圖7 2號(hào)溜井Surpac三維實(shí)體模型Fig.7 The Surpac 3D solid model on No.2 slip well

3.2 溜井與其他工程空間關(guān)系分析

溜井失穩(wěn)或垮塌會(huì)威脅到周邊工程的安全，采用Surpac軟件建立溜井與周邊工程三維可視化模型，分析溜井與周圍工程的空間距離和方位關(guān)系，評(píng)估溜井對(duì)周圍工程的危害，如圖8所示。

圖8 實(shí)測(cè)2號(hào)溜井與其他工程位置關(guān)系圖Fig.8 The measured location relationship between No.2 slip well and other projects

從模型空間關(guān)系得出，1號(hào)溜井位于2號(hào)溜井北偏東78°方向，井筒中心距離為20 m，2號(hào)溜井垮塌位置主要集中在-113 m標(biāo)高處，垮塌方位為225°，為-100 m中段斜溜槽正對(duì)面，朝遠(yuǎn)離1號(hào)溜井方向發(fā)展；掃描探測(cè)未見1號(hào)和2號(hào)溜井出現(xiàn)貫通現(xiàn)象，2號(hào)溜井垮塌邊界距離1號(hào)溜井設(shè)計(jì)井筒壁的最小距離為10.85 m，因此2號(hào)溜井的垮塌對(duì)1#溜井暫時(shí)不會(huì)造成安全影響。

3.3 平剖面輸出與破壞特征分析

根據(jù)建立的2號(hào)溜井實(shí)測(cè)模型，輸出典型剖面圖和水平斷面圖，如圖9和圖10所示。通過對(duì)2號(hào)溜井實(shí)測(cè)模型進(jìn)行剖面和平面的分析，得出一系列2號(hào)溜井實(shí)測(cè)模型的空間信息和參數(shù)，對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行匯總和做圖，如圖9～11、表1所示。

圖9 2號(hào)溜井中心線剖面圖Fig.9 The sectional view of centerline on No.2 slip well

從2號(hào)溜井中心線剖面圖和水平斷面圖可以得出：0～-100 m段井筒壁整體完整性較好，在-43～-49 m標(biāo)高處有局部垮塌現(xiàn)象。最大垮塌位置在-47 m標(biāo)高處，最大垮塌尺寸3.6 m，實(shí)測(cè)井筒斷面等效直徑9.6 m，實(shí)測(cè)井筒斷面積72.50 m2，最大垮塌尺寸為原設(shè)計(jì)井筒直徑的0.9倍，垮塌區(qū)域高程范圍不大，且是沿井筒四周較均勻垮塌，井筒其他部位基本完整，因此，該段井筒穩(wěn)定較好，不會(huì)對(duì)周邊巷道和工程造成安全影響。-100～-150 m段井筒壁完整性較好，垮塌現(xiàn)象主要出現(xiàn)在-110～-130 m標(biāo)高范圍內(nèi)，井壁擴(kuò)刷面較均勻。最大垮塌位置在-126 m標(biāo)高處，最大垮塌尺寸4.2 m，實(shí)測(cè)井筒斷面等效直徑8.8 m，實(shí)測(cè)井筒斷面積60.26 m2，最大垮塌尺寸為原設(shè)計(jì)井筒直徑的0.84倍，主要垮塌方位為斜溜槽正對(duì)面，其方位角約225°，為井筒壁整體刷大，井筒壁完整性較好。-110 m標(biāo)高垮塌位置與-100 m中段尚有10 m以上的安全距離，因此暫不會(huì)對(duì)-100 m中段周邊巷道和工程造成安全影響。

圖10 2號(hào)溜井設(shè)計(jì)與實(shí)測(cè)水平斷面圖Fig.10 The designed and measured horizontal section on No.2 slip well

表1 2號(hào)溜井實(shí)測(cè)模型實(shí)測(cè)體積和垮塌體積統(tǒng)計(jì)表

注：實(shí)測(cè)體積為溜井掃描的實(shí)際體積，垮塌體積為實(shí)際體積減去設(shè)計(jì)體積。

圖11 2號(hào)溜井實(shí)測(cè)模型實(shí)測(cè)體積和垮塌體積對(duì)比圖Fig.11 The comparison of measured volume and collapsed volume of the measured model on No.2 slip well

根據(jù)垮塌量統(tǒng)計(jì)和計(jì)算結(jié)果，2號(hào)溜井總垮塌量約為2 155 m3，其中-100～-150 m段占45.43%，-50～-100 m段占19.35%，0～-50 m段占35.22%。

4 結(jié)論

溜井是礦山溜破系統(tǒng)的重要組成部分，其安全狀況直接影響礦山正常生產(chǎn)，溜井井壁受中段卸礦不斷沖擊受損，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)垮塌破壞現(xiàn)象，受作業(yè)空間和測(cè)量條件限制，常規(guī)測(cè)量手段難以滿足要求，本文采用C-ALS三維激光掃描系統(tǒng)對(duì)2號(hào)溜井進(jìn)行了準(zhǔn)確掃描和探測(cè)，得出以下結(jié)論和建議：

1)現(xiàn)場(chǎng)掃描取得了豐富和完整的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，能準(zhǔn)確反映溜井垮塌的空間形態(tài)、位置和實(shí)際邊界，通過數(shù)據(jù)處理，建立了溜井及周邊工程三維實(shí)體模型，實(shí)現(xiàn)了溜井垮塌狀況三維可視化。

2)通過對(duì)溜井實(shí)測(cè)模型與設(shè)計(jì)模型進(jìn)行布爾運(yùn)算，輸出平、剖面圖，統(tǒng)計(jì)和計(jì)算井筒參數(shù)，得出了溜井在不同標(biāo)高的具體垮塌體積和形狀參數(shù)，分析了溜井的破壞情況和破壞特征。

3)2號(hào)溜井垮塌垮塌位置只要集中在各中段放礦斜溜槽對(duì)面，井壁擴(kuò)刷面較均勻，實(shí)測(cè)斷面多為近圓形，對(duì)井筒整體穩(wěn)定性有利，暫時(shí)不會(huì)對(duì)1號(hào)溜井、破碎硐室造成安全影響。

4)建議溜井滿井筒儲(chǔ)礦、出礦，減小卸礦時(shí)礦石對(duì)井筒壁的沖刷破壞，建立溜井礦石面動(dòng)態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)調(diào)控出礦量和倒礦量。