复杂空区残留矿体探查技术研究

余乐文，张 达，张元生，王利岗

（1.北京矿冶研究总院，北京102600；2.金属矿山智能开采技术北京市重点实验室，北京 102600）

复杂空区残留矿体探查技术研究

余乐文1，2，张 达1，2，张元生1，2，王利岗1，2

（1.北京矿冶研究总院，北京102600；2.金属矿山智能开采技术北京市重点实验室，北京 102600）

复杂残留矿体空区形态未知、环境恶劣、测量人员无法进入，为了回收残留矿体，采用自主研制的BLSS－PE测量空区三维形态，并与英国C－ALS测量结果进行对比，试验结果表明BLSS－PE可以准确、高效测量采空区，为残矿回采提供数据支撑。

残矿；采空区；探测；C－ALS

我国因受开采条件和技术制约，存在大量深部复杂难采残留矿体无法进行正常回收，这些残留矿石资源回采技术复杂，安全条件差，遗留的大量空区和矿柱长期不能得到有效处理，造成矿山重大安全隐患和国家资源的严重浪费［1－3］。随着采矿技术与装备的进步，部分矿山开始对高品位残矿进行回采，因此，科学地揭示井下空区的几何特性及相互的空间关系对残矿回采有着非常重要的作用。

三维激光扫描技术具有非接触、高精度、高效等优点，被广泛应用于残留矿体及采空区三维形态探测。在国外，三维激光扫描仪领域的研究起步较早，并已形成了较为完善的产品系列。但是，矿山井下伴有高温、高湿、高尘等恶劣条件，人员无法进入或由于安全原因不宜进入采空区，只能通过钻孔或者使用延长杆将扫描仪伸入空区测量，目前，只有加拿大OPTECH公司的CMS和英国MDL公司的CALS可以在井下使用［4－5］。国外产品价格昂贵、技术壁垒严重，很难在国内矿山行业普及应用。在国内，北京矿冶研究总院已研制出BLSS－PE矿用三维激光扫描测量系统［6］，并已经在国内多家矿山应用。

针对复杂难采地下残留矿体，研究开发复杂空区残留资源探查技术，采用我院自主研制的BLSSPE矿用三维激光扫描测量系统对采空区进行三维探测，并与英国C－ALS测量结果进行对比，验证测量的准确性，为后续残矿回采提供数据支撑。

1 工作原理

矿用三维激光扫描测量系统是基于激光测距技术原理，利用光在待测距离上往返传播的时间换算出距离值，其方程见式（1）。

式中：c为激光在大气中的传播速度；t为激光在待测距离上的往返传播时间。

激光测距传感器获取数据原理如图1所示，首先由激光脉冲二极管发射出激光脉冲信号，经过棱镜，射向目标，然后通过探测器，接收反射回来的激光脉冲信号，并由记录器记录，最后转换成能够直接识别处理的数据信息，经过软件处理实现实体建模输出。

图1 激光测距传感器工作原理

激光扫描三维探测一般使用仪器内部坐标系统，如图2所示。通过数据采集获得测距值S，精密时钟控制编码器同步测量每个激光脉冲横向扫描角度观测值α和纵向扫描角度观测值θ。由此可得到三维激光脚点坐标的计算公式（式（2））。

图2 计算原理

2 BLSS－PE矿用三维激光扫描测量系统

北京矿冶研究总院自主研制的矿用三维激光扫描测量系统由扫描主机、延长杆、控制器、软件系统、标定系统等组成，如图3所示。径向轴向扫描单元360°全方位转动，激光测距传感器测量空间点云数据，结合径向轴向位置反馈编码器数据解算出空间点三维坐标，数据通过控制器无线传输至PDA软件系统显示，并进行三维建模、数据分析等处理。

图3 系统组成

扫描主机设计符合人际工程学原理，设计的外壳美观，防护等级达IP66，可在矿山井下恶劣环境下正常工作。

控制器主要实现数据传输和本地化供电，具有备用电源与交流电源无缝切换功能，能够保证切换中设备不掉电、数据不丢失；具有供电状态实时检测和故障报警功能，具有宽工作温度和高防护等级，能够适应井下极端恶劣的应用环境。

软件系统开发了一种自适应分辨率三维激光扫描测量算法，解决了在三维激光扫描装置与被测目标表面夹角大、距离远以及被测表面凸凹不平等情况下，三维激光扫描测量的空间分辨率过低的难题。

3 现场应用

试验采场位于92＃矿体的四盘区，204～206＃线之间，垂直标高在440～510m之间，矿体受地层岩性及构造双重控制，并同地层呈同步褶皱，矿体南高北低。为了测量空区整体形态、有效减小盲区，采用延长杆将扫描主机伸入空区，保证空区测量的完整性和准确性，为空区治理、残矿回采提供准确的空间数据资料。

试验过程中，分别采用BLSS－PE和C－ALS扫描空区，如图4所示。

BLSS－PE采用0.5°自适应扫描方式测量空区，8min完成空区整体三维形态测量，测量结果如图5所示。

为了验证自主研发的BLSS－PE测量结果的准确性，使用英国C－ALS扫描同一空区三维形态。采用0.5°扫描，历时80min完成空区三维系统测量，测量结果如图6所示。

将BLSS－PE和C－ALS测量结果进行对比，BLSS－PE测量点云数据分布均匀，噪声点少，三维重建结果真是，并与矿方提供历史数据资料相符；CALS测量点云数据噪声点多，空区底部数据较少，三维重建出的结果不真实，而且测量时间长。

4 结论

自主研制的BLSS－PE矿用三维激光扫描测量系统测量效果准确、空间点云分布均匀、性能稳定，并能井下自主供电，测量灵活性强。可精确测量复杂残留矿体及采空区三维形态，为矿山采空区综合信息的获取提供了可视化手段，并且将空区体积、顶板面积、空区实际边界和贫化损失等参数用量化指标准确地表达出来，改变了以往只能凭主观经验估算的方法，建立了空区信息数据库，对残矿回采和采空区综合治理具有重要的意义。

图4 测量方法

图5 BLSS－PE测量结果

图6 C－ALS测量结果

［1］李现区.复杂空区中残留矿体安全开采技术的研究与实践［J］.金属矿山，2010（6）：30－33.

［2］张海磊，孙嘉，王成财，等.露天地下联合开采空区残留矿石［J］.金属矿山，2014（3）：31－35.

［3］李振振.地采残留矿石的回收［J］.现代矿业，2012（7）：67－68.

［4］马玉涛，彭威.采空区三维激光扫描系统C＿ALS及其在安庆铜矿的应用［J］.有色金属：矿山部分，2013，65（3）：1－3，12.

［5］王运敏，刘海林，孙国权，等.CMS实测地下矿采空区建模及稳定性分析研究［J］.金属矿山，2009（8）：5－9.

［6］余乐文，张达，余斌，等.矿用三维激光扫描测量系统的研制［J］.金属矿山，2012（10）：101－103，107.

Study on detection technique of residual ore－body in complex mined－out area

YU Le－wen1，2，ZHANG Da1，2，ZHANG Yuan－sheng1，2，WANG Li－gang1，2
（1.Beijing General Research Institute of Mining and Metallurgy，Beijing 102600，China；2.Beijing Key Laboratory of Nonferrous Intelligent Mining Technology，Beijing 102600，China）

The cavity shape of remnant ore is unknown，harsh environment，no one can enter，and so on.In order to recover the residual ore，using self－developed three－dimensional laser scanner of BLSS－PE to measurement the shape of cavity，and compared with the British C－ALS.The results showed that BLSS－PE can accurately and efficiently measuring the cavity，and providing data support for the residual ore mining.

remnant ore；cavity；detection；C－ALS

余乐文（1984－），男，汉族，福建三明人，硕士，工程师，主要从事矿山智能仪器仪表开发。E－mail：yulewen＠bgrimm.com。

TD178

A

1004－4051（2014）S2－0222－03

2014－09－23

国家高技术研究发展计划资助（编号：2011AA060405）；国家国际科技合作专项项目资助（编号：2011DFA71990）；国家科技支撑计划项目资助（编号：2012BAB01B04；2012BAK09B03）