基于三维激光技术的含空区高陡边坡地质灾害体探测研究

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　　[摘 要]为了准确探明露天铁矿深凹采坑内存在的不明采空区，排除安全隐患，基于三维激光扫描技术，采用C-ALS 钻孔式三维激光扫描系统对鞍山式铁矿深凹采场内的地下采空区进行了安全探测。研究成果表明，C-ALS可以通过地表延伸至空区的钻孔迅速而安全的对采空区进行激光三维扫描，具有全自动、速度快、精度高、数据处理简便等特点。且通过三维激光扫描，可以精确查明了不明采空区的规模大小和埋深，为露天金属矿山地下采空区稳定性评价与治理提供了可靠的基础数据，对指导露天金属矿山安全生产具有十分重要的现实意义。
　　[关键词]露天铁矿；采空区探测；三维激光扫描；C-ALS
　　中图分类号：R61 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）06-0163-02
　　0 引言
　　相比于矿产资源的井下开采，露天开采具有开采量大、矿石回收率高、生产安全、效益高和成本低等优点[1]。因此，国内外许多矿山均采用露天开采方式。但由于历史原因，其中一类露天开采是基于采矿技术水平的不断提高而由井下开采转为露天开采，另一类露天开采则是矿业整合开发利用的结果，即由散乱小的分区、分块、分段的井采和露采统一为整体大型露天开采。不论是井采转露采，还是散乱开采转整体露采，其露天采场下方不可避免的存在大量采空区，特别是开采方式转换过程中已知空区资料的缺失和开采扰动导致空区的变形和“移位”，外加特定历史时期偷采滥挖形成的未知采空区，它们时刻威胁露天开采的生产安全，轻则造成机器设备损坏，重则造成人员生命财产损失[2]。为此，进行采空区探测是此类矿山必须面临的安全难题。
　　而对于采空区的探测，多以空气充填型采空区为主，采用传统的地震勘探、重力勘探、电阻率法探测和电磁法探测等。但随着采矿深度的不断加深，露天采场作业面积越来越小，形成了高陡边坡的深凹露天采场，物探方法的探测盲区越来越大，空区所造成的安全危险也越来越大，形成了空区与高陡边坡共存的局面，严重威胁矿山生产安全。因而，准确探测和定位空区是金属矿山露天深采活动必须面临的一个新安全技术难题，也属于探测技术应用研究的一个空白。但基于前期的理论研究认识，空区由于充满空气，且四周为围岩和残存矿体圈闭，可以采用三维激光技术进行空区探测应用研究[3]。而C-ALS钻孔式三维激光扫描系统可以通过地表延伸到空区的钻孔而迅速安全的对采空区扫描测量，精确获得采空区空间的形态参数，从而为采空区的处理提供科学的基础数据，也使隐伏采空区的准确描绘和科学治理成为一种趋势[4]。
　　1 研究背景
　　基于三维激光探测技术的空区探测研究区位于辽宁省某大型露天铁矿，此矿为典型的鞍山式磁铁矿，其采区内既存在日伪时期的开采空区，也存在矿业整合以前周边偷采滥挖及无序开采遗留的采空区。因该区矿体厚大而富，空区规模大而多，且有多层空区并存的特点，这对以后露天开拓及深部開采带来安全隐患，有必要查明采掘区内一定深度范围内的空区分布情况，进行必要的处理和预防措施，保证安全生产！
　　特别是随着露天铁矿几十年的开采，露天开采已转为深坑开采，地表距离坑底达几百米，坑底空间比较狭小，形成了高陡边坡与空区共处一空间，是影响矿山安全生产的地质灾害体，采用传统的物探方法很难对空区进行准确探测。基于此，首先对物探可探区域的空区异常进行钻探验证，后对打到的空区开展三维激光扫描，并依据扫描结果，分析研究已知空区的空间发展态势，指导设计下一步的钻探孔位，并进一步三维激光扫描。最后通过钻探-三维激光的互相印证成果，圈出露天铁矿深坑采场内的隐伏采空区，解决生产安全问题。
　　2 露天铁矿采空区三维激光探测新技术
　　2.1 露天铁矿采空区三维激光探测技术原理
　　采空区三维激光探测技术的工作原理具体是采用TOF（Time of Flight）脉冲测距法，它是一种高速激光测时和测距技术[5]。其获取扫描目标点云坐标原理为：根据内部精密测量系统获取发射出去的激光光束的水平方向角度a和垂直方向角度θ；由脉冲激光发射到反射被接收的时间计算得到扫描点到仪器的距离值L；从获取扫描反射接收的激光强度，对扫描点进行颜色灰度的匹配。对激光扫描仪采样的坐标来说，属于系统局部坐标，以扫描仪的内部坐标为原点，一般X、Y轴在局部坐标系的水平面上，Y轴常为扫描仪扫描方向，Z轴为垂直方向（图1）。因此，可得到扫描目标点P的坐标（XL、YL、ZL）的计算公式如下：
　　上述逐点扫描获取的大量点云数据，导入到SURPAC、3Dmine、MicroMine和Auto-CAD等三维数字矿山相关软件系统中，结合三维地学模型构建理论，采用不规则三角网等算法把不规则分布的测点数据连接生成三角面，以此构建采空区的三维虚拟实体模型[6]。
　　2.2 C-ALS钻孔式三维激光扫描系统及其工作流程
　　C-ALS钻孔式三维激光扫描仪是一款能通过地面钻孔对地下空间进行扫描的装置，通过激光测距原理瞬时测得空腔内壁三维坐标值的测量仪器，利用三维激光扫描技术获取的空间点云数据可快速建立空腔体三维可视化模型，既省时又省力。该扫描系统主要由硬件部分和软件部分组成。硬件部分包括探头、碳纤维定向杆、电缆、三脚架、绞车、以及搬运箱等，软件部分主要指与C-ALS 系统配套的控制软件C-ALS-Control Software。其中探头为电动双轴探头，可以实现空区体内的360°球形扫描而无死角，扫描速率250点/秒，扫描精度在±5cm。
　　C-ALS在具体应用中，主要分为以下四个紧密联系的工作流程：
　　（1）第一步为测前准备，主要为工作电源充电、设备自检、孔内温度探测、扫描孔清理和扫描孔坐标参数录入；
　　（2）第二步为探头下放，主要包括探头所放钻孔的状态记录、扫描定向杆连接、扫描空区埋深确定、扫描探头位置调整和扫描设备固定； 　　（3）第三步为采空区扫描，主要包括三维激光扫描方式的确定、扫描速度的选择、扫描过程的记录、扫描空区情况分析和三维激光扫描设备的结束及探头回收；
　　（4）第四步为数据处理，主要包括三维激光扫描点云图的导出，三维模型的构建，导入空区信息数据库，对空区的规模和安全性分析评价。
　　3 采空区探测实例研究
　　采空区激光三维探测应用研究区位于辽宁省鞍本地区某大型露天铁矿深坑采区内，该露天铁矿为典型的鞍山式富磁铁矿，也属于世界典型的BIF型铁矿。研究区内既存在解放前采富弃贫留下的采空区，又存在矿业整合开发利用前周边无序开采和偷采滥挖遗留下的采空区。特别是由于本区铁矿体厚大且品位高，易采选冶，故而造成本区空区多而发育，并有成层成群分布的特点，这对深凹露天开采安全威胁极大。前期采用地球物理探测，发现大量采空区存在导致的地球物理异常，后通过潜孔钻验证，证实存在数量不明、规模不等的采空区。由于地球物理探测是面状异常，钻探验证是一孔之见，无法对存在空区的具体规模、大小做出评判，影响对空区的安全处理。
　　基于上述认识，本文研究采用C-ALS三维激光扫描设备，对验证的空区先进行单孔三维激光扫描（图2），后结合三维激光扫描成果，指导进一步的钻探工作，无死角的对存在的隐伏采空区进行三维激光扫描，收集多个钻孔的点云数据。后把把点云数据导入处理软件，构建研究区的采空区三维分布模型（图3）。
　　由图3可知，研究区内采空区分为上下两层，每层空区面积均在数千平，厚度达几十米，影响安全作业面积达上万平，给矿山安全生产带来极大危害。以此次三维激光扫描成果为基础，进行了初步的力学分析和精确爆破设计，针对不同的空区顶板厚度科学设计爆破孔和充填炸药量，定量模拟，现场分布实施，成功的处理了隐伏采空区，解决了矿山安全生产技术难题。
　　4 结论
　　1）钻孔式三维激光探测可以准确查明隐伏采空区的大小、埋深、形状、走向和边界等定量特征参数，使深凹露天采坑内隐伏空区的准确描绘、定量安全评价和科学治理成为可能。
　　2）基于空区三维激光探测点云数据构建的采空区虚拟实体模型，可视性和直观性良好，可对采礦安全生产提前预警，提前采取措施，并可为定量指导采场的爆破处理和优化含空区矿山的回采爆破设计工作提供数据基础。
　　参考文献：
　　[1] 骆中州.露天采矿学（采矿工艺）[M].徐州：中国矿业大学出版社， 1996：.
　　[2] 王海君，李克民，陈树召，陈彦龙.地下转露天开采的采空区危害与探测技术探讨[J].煤炭工程，2010，10：69-71.
　　[3] 丁鑫品，王俊，周游，赵汝辉，刘博文，王维.激光扫描系统在探测露天煤矿下采空区中的应用[J].煤炭科学技术，2015，43（10）：46-50.
　　[4] 刘科伟. 露天开采隐患空区激光三维探测、可视化研究及其稳定性分析[D]. 长沙：中南大学， 2012， 1-125.
　　[5] 董秀军. 三维激光扫描技术及其工程应用研究[D]. 成都：成都理工大学， 2007，1-65.
　　[6] 张耀平，彭林，刘圆.基于C-ALS实测的采空区三维建模技术及工程应用研究[J]. 矿业研究与开发，2012，32（1）：91-94.
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