大寶山礦采空區(qū)三維建模技術(shù)及應(yīng)用

林秀云，邱振華

(廣東省大寶山礦業(yè)有限公司，廣東 韶關(guān)市 512128)

1 礦山概況

大寶山礦由于歷史原因，在礦山生產(chǎn)過程中形成了大量的采空區(qū)，嚴(yán)重影響了后續(xù)礦體的開采。1990 年代大寶山礦區(qū)采場(chǎng)下部銅硫礦、鉛鋅礦遭受了瘋狂掠奪式盜采，民窿多達(dá)112 條，其采礦方法為單一的空?qǐng)龇?，在開采區(qū)域11 線～57 線2000 m走向區(qū)段遺留了大量民采盲空區(qū)。31～49 勘探線和25～29 勘探線區(qū)域的礦體厚度較大，民采形成大量面積較大的獨(dú)立采空區(qū)以及上下層疊相互連通的采空區(qū)群，該區(qū)域的空區(qū)最為密集。在縱向上，采空區(qū)分布在470～670 m 水平，尤其是多個(gè)相互交叉的采空區(qū)構(gòu)成了大跨度、大高度采空區(qū)。

掠奪式的民采對(duì)礦體造成了嚴(yán)重破壞。南部礦區(qū)（15 線以南）所有采空區(qū)均為民采形成，采空區(qū)未作任何處理，且相對(duì)獨(dú)立、大小不一。隨著時(shí)間的推移，這些采空區(qū)和巷道，或自然坍塌，或封堵。中部礦區(qū)（15 線～51 線）為主要開采范圍，礦山開采采用空?qǐng)龇ㄅc充填法相結(jié)合，而民采采用單一空?qǐng)龇?，形成大量采空區(qū)群及單個(gè)獨(dú)立大型采空區(qū)，面積達(dá)上千平方米。北部礦區(qū)（51 線以北）以民采開采為主，規(guī)模不大，采空區(qū)獨(dú)立、體積相對(duì)較小。目前，采空區(qū)資料尚不齊全，需對(duì)采空區(qū)進(jìn)行勘探，主要以地質(zhì)深孔鉆及潛孔鉆為主，以C-ALS空區(qū)自動(dòng)三維激光掃描系統(tǒng)及DIMINE 軟件等為主要手段，對(duì)礦區(qū)的采空區(qū)進(jìn)行精密探測(cè)。探測(cè)采空區(qū)點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以直接獲取采空區(qū)面積、體積、空間形態(tài)，并采用DIMINE 軟件對(duì)采空區(qū)建立三維實(shí)體模型，對(duì)采空區(qū)任何方向和位置進(jìn)行剖切，向露天采礦人員及采礦設(shè)備的安全及時(shí)提供采空區(qū)分布范圍，為礦區(qū)露天開采安全提供可靠采空區(qū)基礎(chǔ)依據(jù)。

2 C-ALS 空區(qū)自動(dòng)激光掃描系統(tǒng)

C-ALS 空區(qū)自動(dòng)激光掃描系統(tǒng)上的激光掃描探頭可以通過鉆孔（鉆孔孔徑最小65 mm）進(jìn)入空區(qū)內(nèi)部，從而快速、安全地掃描采空區(qū)內(nèi)部的情況。C-ALS 激光掃描探頭最遠(yuǎn)探測(cè)距離為150 m，精度5 cm，0.1°的最小角度分辨率，掃描速度為240 點(diǎn)/s。

C-ALS 的基本構(gòu)成包括探頭、折疊提升桿、電纜和地面單元。

C-ALS 掃描系統(tǒng)配置，有垂直掃描和水平掃描兩種掃描系統(tǒng)，適于在不同的環(huán)境條件下掃描采空區(qū)，掃描原理如圖1 所示。

圖1 C-ALS 掃描原理示意

C-ALS 空區(qū)探測(cè)基本方法：

（1）鏈接探頭，首先，將主電纜線連接探頭的一端從加長(zhǎng)件的鉆孔延伸桿連接頭處穿入、連接稍端穿出，連接到探頭上；然后，將加長(zhǎng)件連接到C-ALS 探頭上，將主電纜線連接地面裝置的一端連接到地面裝置上，鉆孔跟蹤桿能提供最精確、最穩(wěn)定的C-ALS 定位；

（2）將探頭通過鉆孔進(jìn)入待測(cè)的采空區(qū)內(nèi)部；

（3）采用C-ALS 控制軟件對(duì)采空區(qū)進(jìn)行掃描監(jiān)控；

（4）確定鉆孔口坐標(biāo)及探桿架方位角，用于定位；

（5）處理和應(yīng)用探測(cè)數(shù)據(jù)。

3 C-ALS 探測(cè)應(yīng)用

大寶山礦自2011 年引進(jìn)C-ALS 空區(qū)自動(dòng)激光探測(cè)系統(tǒng)，根據(jù)年度采剝計(jì)劃編制年度采空區(qū)勘探計(jì)劃，對(duì)開采范圍內(nèi)的采空區(qū)進(jìn)行鉆孔探測(cè)。鉆孔探測(cè)分為地質(zhì)鉆深孔探測(cè)和潛孔鉆淺層采空區(qū)探測(cè)。地質(zhì)深孔探測(cè)主要探測(cè)埋藏深度為60～80 m采空區(qū)，鉆孔直徑為90 mm；而潛孔鉆則探測(cè)25～30 m 深度淺層采空區(qū)，鉆孔直徑為140 mm；兩者鉆孔孔徑均符合C-ALS 探測(cè)系統(tǒng)要求。鉆孔探穿采空區(qū)后則運(yùn)用C-ALS 空區(qū)自動(dòng)激光探測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行三維激光掃描并獲取掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)。圖2 為2020年6 月27 日在采場(chǎng)685 m 層面19 線探測(cè)的669 采空區(qū)三維激光掃描點(diǎn)云圖。

圖2 19 線669 采空區(qū)三維激光掃描點(diǎn)云圖

空區(qū)三維激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)后經(jīng)MDL 軟件CavityScanPro 處理，獲得采空區(qū)平面位置、坐標(biāo)、投影面積、跨度、頂板厚度等信息，并將采空區(qū)投影平面轉(zhuǎn)為CAD 文件，從而在CAD 軟件結(jié)合采場(chǎng)月度現(xiàn)狀圖對(duì)采空區(qū)實(shí)行動(dòng)態(tài)管理。圖3 為19 線669 采空區(qū)CAD 平面位置圖。

圖3 19 線669 采空區(qū)平面位置

大寶山礦自C-ALS 空區(qū)自動(dòng)激光探測(cè)系統(tǒng)運(yùn)用以來(lái)，已掃描采空區(qū)197 個(gè)。僅2019 年度掃描采空區(qū)30 個(gè)，編制采空區(qū)三維激光掃描報(bào)告30 篇，掃描空區(qū)面積為7053.7 m2，為采空區(qū)的治理提供了可靠的技術(shù)保障。

4 采空區(qū)三維實(shí)體模型構(gòu)建

針對(duì)偏離測(cè)點(diǎn)集中區(qū)域很遠(yuǎn)的測(cè)點(diǎn)，可在DIMINE 軟件中刪除異常點(diǎn)，然后選擇測(cè)點(diǎn)，利用“復(fù)制點(diǎn)為表數(shù)據(jù)”功能導(dǎo)出，然后再次用“點(diǎn)云重建”功能創(chuàng)建實(shí)體。

（1）三維模型構(gòu)建。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用C-ALS 對(duì)鉆探探測(cè)到的采空區(qū)進(jìn)行三維掃描探測(cè)。通過C-ALS精密探測(cè)獲取采空區(qū)三維空間點(diǎn)云數(shù)據(jù)，運(yùn)用CavityScanPro1.13 軟件將探測(cè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為DXF 文件，將其導(dǎo)入DIMINE 軟件中，根據(jù)建立采空區(qū)模型方法，最終形成采空區(qū)三維實(shí)體模型，如圖4 所示。

圖4 采空區(qū)實(shí)體模型

運(yùn)用上述方法對(duì)采場(chǎng)15～45 勘探線探測(cè)到的20 個(gè)采空區(qū)依次建立采空區(qū)實(shí)體模型。經(jīng)過建模整合最終形成了18 個(gè)采空區(qū)模型。

（2）探測(cè)空區(qū)位置和體積計(jì)算。探測(cè)空區(qū)分布在15～45 勘探線，各空區(qū)三維實(shí)體模型如圖5所示。空區(qū)三維實(shí)體模型生成后，采用DIMINE 軟件計(jì)算各個(gè)采空區(qū)的體積，各采空區(qū)體積見表1。

圖5 探測(cè)采空區(qū)模型空間位置

表1 探測(cè)采空區(qū)體積

（3）采空區(qū)剖面生成。運(yùn)用DIMINE 軟件建立采空區(qū)三維實(shí)體模后，除了計(jì)算空區(qū)的空間體積，還可以沿任意方向?qū)Σ煽諈^(qū)進(jìn)行剖切，生成空區(qū)剖面圖，如圖6 所示。

圖6 探測(cè)空區(qū)剖面示意

5 結(jié)語(yǔ)

綜合使用C-ALS 空區(qū)探測(cè)系統(tǒng)、DIMINE 數(shù)字礦山軟件對(duì)采空區(qū)進(jìn)行精密探測(cè)，精準(zhǔn)獲得了采空區(qū)的面積、體積、高度、跨度等空間三維參數(shù)，并建立實(shí)體模型獲得隱蔽采空區(qū)空間位置、空間形態(tài)以及采空區(qū)邊界三維可視化，為采空區(qū)的管理提供了技術(shù)支撐。