基于C-ALS采空区探测及三维建模技术研究

黄　彬，张　诚，陈尚波

(1.赣州稀土矿业有限公司，　江西 赣州市　341000；2.江西信德安全检测检验有限公司，　江西 南昌　330001)



基于C-ALS采空区探测及三维建模技术研究

黄彬1，张诚1，陈尚波2

(1.赣州稀土矿业有限公司，江西 赣州市341000；2.江西信德安全检测检验有限公司，江西 南昌330001)

摘要：由于传统的采空区探测方法只能局限于二维探测，难以精确获得采空区的三维空间形态.运用C-ALS空区精密探测系统对某矿采空区进行现场探测,在此基础上，用Surpac三维建模软件构建采空区的三维可视化模型，准确得到该采空区的三维空间信息，精确计算出该空区的体积和暴露面积，为矿山技术人员对空区的后续分析和处理提供了可靠的理论依据。

关键词：激光扫描系统；采空区；三维可视化；Surpac

0引言

采空区是采矿工程主要的灾害形式之一，其严重威胁矿区人员生命财产安全。大量采空区的存在，使得矿产资源开采条件恶化，导致矿柱变形破坏，相邻工作区采场和巷道维护困难；更严重的可能会导致地下大面积冒落、岩层移动和地表沉陷，造成严重的人员伤亡和设备损坏，因此，如何准确获取采空区的赋存情况、空间形态特征和冒落状况等，一直都是困扰矿山技术人员进行空区安全管理及合理确定采空区处理方法的关键问题[1-3]。

采空区三维激光扫描系统(C-ALS)具有全自动扫描、操作方便、数据处理简单等特点，同时探测人员无须进入空区。本文采用C-ALS 三维激光空区探测技术对陕西某采空区进行精密探测，在此基础上，借助大型矿床建模软件Surpac建立三维可视化空区模型，得到了空区的三维空间形态、空间位置，精确计算出空区体积，为矿山技术人员对空区的安全管理和控制提供了有效参考[4-7]。

1C-ALS工作原理及空区实体建模

1.1C-ALS工作原理及过程

C-ALS系统的基本构成包括激光扫描头、电源、Boretrak探杆、数据接收器及数据处理软件，主要是在扫描头上配置一个集成激光测距仪，采用激光测距的原理，利用发射和接受激光脉冲信号的时间差实现对被测物体的距离测量，只要测出激光脉冲发射和接受信号所用的往返时间，即可自动计算出距离，空区探测步骤如下。

(1) 将C-ALS激光扫描头组装、连接并固定探杆;

(2) 借助计算机控制器初始化扫描头，并设置扫描参数，包括探测数据文件名称和扫描精度等;

(3) 扫描头的水平位置归零并开始扫描，该扫描系统会自动将扫描点云数据转发给计算机控制器，方便技术人员立即对探测的效果进行查看;

(4) 扫描完一周后，探头会按照预设的参数旋转一个角度(通常为1°～3°)进行下一次扫描，直至扫描过程结束，计算机控制器会自动将探测数据保存;

(5) 将探测数据进行处理与计算。

1.2采空区实体建模

采空区现场探测主要保存空区壁与探测点的角度和距离，因此在使用数据前，需要对原始数据进行处理，用C-ALS自带的处理软件Cavityscan将“.MDL”原始探测数据文件初步处理后转换为“.DXF”格式文件，运用大型矿山建模软件Surpac生成空区实体模型。

2工程应用

某金矿5#矿体经前期开采，在69线～73线之间存在一长度约100 m，垂直高度约100 m，宽度约20～40 m的大采空区。该大采空区涉及的中段包括1520～1600 m中段，地压显现明显，其中71线～73线之间部分空区已塌陷至地表。为全面了解该大采空区体积、形状及其所处空间位置，采用C-ALS三维探测系统，对该大空区进行了扫描，辅以Surpac软件建立了该大采空区的三维实体模型，计算得出该采空区的体积，为后期处理空区提供科学依据，并提高技术人员和设备的安全性。

2.1采空区C-ALS现场探测

(1) 设备架设：根据现场情况，将探杆水平放置缓慢伸入空区，为了避免出现盲区和保证探测效果，设计了3根2 m长的加长杆，探测时固定在连接杆上。

(2) 空区探测：设备安装妥当后，启动计算机控制器，设置扫描参数(本次角度设置为1°)，开始探测;

(3) 测定激光探头坐标及方位：通过测量出激光扫描头上两点坐标并计算出该方位角，就能够将空区探测的数据用于矿区地质坐标系中，并可以精确每个扫描点的坐标，本次探测坐标见表1。

表1　测点坐标

(4) 多点探测：为消除探测盲区，每个空区选取至少两个以上测点，探头定位如图1所示，分别对空区进行探测，本次探测扫描总共布置了3个测点。

图1　采空区现场探测

2.2采空区三维模型可视化

通过扫描采空区，可以得到采空区原始形态数据，将数据导入附带软件CavityScan中进行前期处理，得到C-ALS探测扫描“点云”数据，并将数据导出为“.str”格式文件，在Surpac建模软件中生成DTM三维模型。空区三维模型可视化过程见图2。

其中，1#测点采空区扫描点241208个，经滤点后220550个；最大长度89.5 m；最大宽度36.3 m；最大高度87.4 m；空区体积90547 m3；空区不规则，呈“扇状”。

2#测点空区扫描点295673个，经滤点后271644个；最大长度82.1 m；最大宽度28.8 m；最大高度73.7 m；空区体积87745 m3；空区不规则呈“锥形”。

图2空区三维模型可视化

3#测点空区扫描点105542个，经滤点后98540个；最大长度61.2 m；最大宽度17.6 m；最大高度53.5 m；空区体积42683 m3；空区不规则，呈“碗型”。

通过对采空区的扫描，得到采空区的边界与测点的角度和距离值，进一步由每个测点绘制空区形态模型，并根据3个测点的坐标，对3测点所得到的大采空区进行耦合，得到大采空区三维模型(见图3)。

准确掌握采空区的体积大小可以为空区充填及安全管理控制等工作提供重要的依据。在空区三维实体模型耦合生成的基础上，经有效性验证，运用Surpac软件计算出空区体积、表面积及空区在X、Y、Z轴上的最大值与最小值，如表2所示。

空区暴露面积的大小直接关系到采空区的稳定性.因此，准确把握采空区暴露面积的大小对采空区安全评价，特别是顶板及围岩应力分析有重要意义。基于C-ALS探测数据生成采空区三维模型，由软件计算得出空区的暴露面积，根据采空区倾角与平面平均尺寸得到顶板暴露面积[11-15]。

体积/m3暴露面积/m2顶板面积/m2X最大/mX最小/m110797189473972702355.329702264.278Y最大/mY最小/mZ最大/mZ最小/m49208.47249124.8481629.2111539.066

3结论

(1) 介绍了C-ALS空区探测系统的基本原理及采空区三维实体建模的方法，并完成对该矿山某采空区的探测工作，准确获得了该空区形态，借助Surpac软件建立了空区三维实体模型，实践表明，C-ALS系统是开展采空区精密探测研究的有效手段。

(2) 通过对采空区的探测，可以准确地确定采空区的三维信息，对空区进行定量和定性，为后期空区的治理提供科学、可靠地依据。

参考文献：

[1]马海涛,刘勇锋,胡家国.基于C-ALS采空区探测及三维模型可视化研究[J].中国安全生产科学技术,2010,6(3)：38-41.

[2]李同鹏,王亨炎,娄广文.CMS探测系统在采空区测量中的应用与实践[J].金属矿山，2010(4):110-113.

[3]过江,罗周全,邓建,等.三维动态空区监测系统CMS 在矿山的应用[J].地下空间与工程学报,2005,1(7):994-996.

[4]罗周全,熊立新,刘晓明,等.CMS-VRML耦合的网络环境下采空区三维可视化方法[J].矿业研究与开发，2010，30(6):53-55,71.

[5]刘晓明.基于实测的采空区三维建模及其衍生技术的研究与应用[D].长沙:中南大学,2007.

[6]张新光，张金龙，朱和玲.空区激光自动扫描系统(CALS)的研究与应用[J].采矿技术,2009,9(1):70-72.

[7]李夕兵,李地元,赵国彦,等.金属矿地下采空区探测、处理与安全评价[J].采矿技术,2006,23(1):24-29.

[8]罗周全,鹿浩,刘晓明，等.基于空区探测的采场超欠挖量计算及顶板安全分析[J].金属矿山,2007,378(12):36-38.

[9]冯福康,罗周全,沈玉众,等.采空区三维探测建模及采场回采指标可视化[J].矿业研究与开发,2011,11(1):16-18，66.

[10]张耀平,彭林,刘圆,等.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.

[11]南世卿,杨楠.基于CMS实测的露天转地下开采采空区群稳定性分析[J].河北冶金，2012(8):10-15.

[12]陆刚.基于CMS实测的采空区稳定性分析[J].采矿技术,2012,12(1):57-59

[13]张耀平,刘波,龚囱，等.基于实测的采空区隐患分析及治理研究[J].矿业研究与开发,2012,32(4):69-71.

[14]江文武,李国建.基于C-ALS的空区顶板覆岩冒落分析研究[J].有色金属科学与工程,2012,3(5):66-69.

[15]曾凌方,李夕兵,刘希灵，等.栾川三道庄钼矿地下采空区三维模型的建立与可视化研究[J].矿冶工程,2008,28(3):31-33.(收稿日期：2015-10-09)