三維激光掃描技術在中深孔采礦中的應用

況丹陽 徐建龍 趙江波

(1.山東黃金礦業(yè)(萊州)有限公司三山島金礦；2.中國礦業(yè)大學礦業(yè)學院；3.山東黃金礦業(yè)(玲瓏)有限公司)

三維激光掃描技術在中深孔采礦中的應用

況丹陽1,2徐建龍3趙江波3

(1.山東黃金礦業(yè)(萊州)有限公司三山島金礦；2.中國礦業(yè)大學礦業(yè)學院；3.山東黃金礦業(yè)(玲瓏)有限公司)

三山島金礦深部中深孔采礦關鍵技術試驗中，回采輪廓、損失貧化等難以使用全站儀進行精確確定，導致二步回采炮孔設計及爆破設計缺乏數(shù)據(jù)基礎。為此，采用BLSS-PE礦用三維激光掃描儀對采空區(qū)輪廓進行掃描，掃描結果經專業(yè)軟件處理后得到了爆破落礦量、爆破效果與設計比對圖、二步回采爆破邊界圖等，為二步回采炮孔設計及爆破設計提供了依據(jù)。

中深孔采礦 三維激光掃描技術 三維可視化 炮孔設計 爆破設計

目前，三山島金礦是我國機械化程度最高的地下開采黃金礦山，采用豎井加斜坡道聯(lián)合開拓方式，采礦方法主要為機械化盤區(qū)房柱交替上升充填采礦法、上向寬進路充填采礦法以及上向機械化水平分層充填采礦法。隨著礦山進一步的擴產改造，生產規(guī)模持續(xù)增大，為適應現(xiàn)有采礦規(guī)模，該礦在深部17#中段進行了中深孔關鍵技術研究?，F(xiàn)階段對該礦驗后采場空區(qū)形態(tài)的掃描步驟有：①采用全站儀對采場內的有效點進行測量，根據(jù)采場設計進行平面和剖面的復合；②根據(jù)實際得到的平剖面計算采場損失貧化、采礦體積等參數(shù)。該計算方法僅能計算出1組損失貧化及采礦量數(shù)據(jù)，適用于頂板較安全、人員能夠自由出入的采空區(qū)。在三山島金礦中深孔爆破空區(qū)輪廓掃描時，由于頂板高達15 m，頂幫危石無法處理，使用全站儀測量無法獲得現(xiàn)場真實輪廓信息，因而準確計算回采礦量、損失貧化等參數(shù)難度較大。為此，引入BLSS-PE礦用三維激光掃描儀進行采場三維空間掃描。

1 BLSS-PE礦用三維激光掃描儀

BLSS-PE礦用三維激光掃描儀通過三維掃描技術，能夠快速、精確獲取物體表面海量三維坐標數(shù)據(jù)[1-4]，可為礦山提供快速、高精度的三維空間測量解決方案，在精細化采礦設計、爆破效果評價、出礦量計算、井巷工程驗收、礦山三維高精度建模等應用中優(yōu)勢明顯[4-6]。該型礦用三維激光掃描儀部分性能指標見表1。

表1 礦用三維激光掃描儀性能指標

2 掃描數(shù)據(jù)獲取及后期處理

2.1 掃描數(shù)據(jù)獲取

三山島金礦17#中段位于深部-780 m中段北翼，1#南翼采場設計有1個切割槽，14排爆破孔，設計規(guī)格24 m×7 m×15 m，設計總采礦量7 005 t。在1#南翼采場回采結束后，由于爆破空間較大，頂幫危石無法處理，人員不允許進入，使用全站儀從下盤出礦巷及南北兩翼出礦巷進行有效點掃描，經分析，由于掃描點數(shù)量較少無法形成有效的剖面輪廓圖。經現(xiàn)場勘查，現(xiàn)場下盤爆破面不整齊，一次測量易存在部分盲區(qū)，故在現(xiàn)場新南北兩翼進行2次掃描，可杜絕掃描盲區(qū)。為獲取精準數(shù)據(jù)，選擇了0.5°的分辨率進行掃描，每次掃描耗時約9 min，2次掃描共獲取坐標點約40萬個，得到的點云數(shù)據(jù)見圖1。為獲取點云的三維空間絕對坐標，采用全站儀獲取激光掃描儀的絕對坐標及方位。

圖1 掃描點云

2.2 掃描數(shù)據(jù)后期處理

2.2.1 三維實體模型構建

通過專業(yè)3D軟件對2次獲得的點云數(shù)據(jù)進行絕對坐標的定位及拼接，結果見圖2。

圖2 2次掃描點云拼接結果

點云數(shù)據(jù)經處理形成線框模型，據(jù)此可進行三維重建獲得三維實體模型，見圖3。

圖3 三維實體模型

通過該三維實體模型，可準確計算整個采空區(qū)的體積。3D軟件系統(tǒng)一般采用構建塊體模型的方式計算三維實體模型體積，采用微小塊體將三維模形分割后得到精確的體積數(shù)據(jù)，進而得到準確的回采量。塊體模型如圖4所示。

圖4 塊體模型

2.2.2 爆破斷面輪廓獲取

將三維實體模型沿爆破設計方向剖切，可準確獲取爆破效果、超爆、欠爆等相關信息。將剖切面與爆破設計圖進行復合，提取單個剖切面可得到每個爆破設計平面與爆破后輪廓的對比信息。其中，第3排，第15排的爆破設計與爆破后的對比結果見圖5。

由圖5可直觀地獲得爆破剖面的超采、欠采信息，進一步分析認為前期爆破下盤存在超采現(xiàn)象，后期由于施工熟練，炮孔控制較好，爆破效果也得到了提升，在對下盤二步回采炮孔設計時應調整炮孔深度，防止炮孔打入充填體導致發(fā)生卡鉆、堵釬桿等事故，避免充填體因爆破擾動而發(fā)生塌落，導致貧化率增加甚至發(fā)生安全事故。

圖5 爆破設計與爆破后輪廓信息對比

3 結 語

中深孔采礦試驗是三山島金礦深部關鍵技術研究項目的重點部分，三維激光掃描相對于全站儀掃描具有突出的優(yōu)勢，本研究利用三維激光掃描技術獲取了大量的試驗參數(shù)，準確分析了試驗采場的落礦量、損失貧化率、超采欠采等信息，并且繪制了二步回采剖面線的輪廓圖，對于后續(xù)二步回采的炮孔布置設計及爆破設計有一定的參考價值。

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2015-09-08)

況丹陽(1988—)，男，助理工程師，碩士研究生，261442 山東省萊州市三山島街道崇明路1號。