三维激光扫描技术在三道庄矿复杂采空区探测中的应用

张金柱， 彭府华

(1.洛阳栾川钼业集团股份有限公司， 河南 洛阳市 471500； 2.长沙矿山研究院有限责任公司，湖南 长沙 410012； 3.国家金属采矿工程技术研究中心， 湖南 长沙 410012)

0 引 言

20世纪八九十年代，受大量私人民采等其它混乱开采影响，导致我国地下矿山出现大量采空区，矿体变得千疮百孔。21世纪国家开始陆续禁止这些不正规的私人开采，并开始对资源进行整合，统一规划开采。前期混乱开采形成的采空区给后期开采带来了严重的安全隐患。这些采空区的位置和形态往往很难确定，这是由于前期私人开采不规范，设计资料不全，甚至没有设计资料，同时，经过长时间的雨水和自然作用等影响，地下采空区出现垮塌，相互贯通等现象[1-2]。

为了合理回收残矿资源，近年来出现了许多“地下转露天开采”的矿山，这种方法可以实现厚大残矿资源的高效回采，但同时前期地下开采形成的采空区也给露天开采带来了更大的安全隐患。由于地下采空区位置和形态不明，很可能发生开采台阶突然垮塌，造成在其上方作业的设备和人员出现伤亡事故。因此，如何提前确定露天开采境界下方采空区的位置和形态是进行安全生产的重中之重。本文介绍了三维激光扫描技术在三道庄矿空区探测中的应用，意在解决矿山不明采空区探测问题，同时为国内外其它相似矿山提供参考。

1 工程背景

三道庄矿位于河南省栾川县，矿山从20世纪六十年代开采进行地下开采，八九十年代出现了几十家单位同时开采的混乱局面，2002年后开始对资源进行整合并统一规划开采。根据矿体的赋存条件以及前期开采情况，制定了露天开采方案。前期地下开采形成了约1800万m3，面积120万m2的采空区，这些采空区具有以下特点：

(1) 由于缺乏设计资料，很多采空区位置和形态不明确；

(2) 由于前期地下开采区域矿石品位高，设计预留部分矿柱被偷采，导致采空区与设计资料不符；

(3) 受长期雨水、自然风化和爆破震动等因素影响，部分矿柱发生了垮塌，导致采空区贯通现象严重。

露天境界下方存在大量采空区给露天开采带来了极大的安全隐患，2005年以后，地表台阶发生多次垮塌，塌陷面积达40万m2，最大塌陷深度达80 m，造成了人员伤亡和设备损失等安全事故。因此，提前对开采境界下方采空区进行精确探测是三道庄矿安全生产的前提和重中之重[3-5]。

2 三维激光扫描技术简介[6-8]

2.1 三维激光扫描技术原理

三维激光扫描技术是建立在激光测距原理基础上，扫描过程中，三维激光扫描仪发射出一束激光脉冲，激光到达空区边界后反射回仪器，记录激光到达时间T，同时激光扫描仪可以任意旋转激光脉冲横向扫描角度值β和纵向扫描角度值α(见图1)。通过建立坐标系统，由此可以得到目标点P点的坐标计算公式。

激光发射点O距离目标点P的距离L为：

L=1/2cT

式中，c为激光在大气中的传播速度；T为激光发射后到达目标点反射返回的传播时间。

待测目标点的坐标为：

式中，L为激光发射点距离待测目标点的距离；α为激光纵向扫描角度值；β为激光横向扫描角度值。

图1 三维激光扫描原理

2.2 三维激光扫描系统

三道庄矿为了解决采空区探测问题，从英国MDL公司引进了一套采空区三维激光自动扫描系统C-ALS。该系统可以将激光探头通过钻孔进入到空区内部进行扫描，扫描仪内置导航模块，可测量空区内探头的位置和方向。扫描仪可以360°全方位无盲区扫描，设计的水平和垂直扫描方式可以确保对采空区整个空间的扫描，表1为C-ALS系统技术参数。通过自带的软件可以得到采空区的三维模型，并可以和CAD、Dimine和Surpac等常用数字矿山软件进行对接。

表1 C-ALS系统技术参数

3 三维激光扫描技术应用实践

3.1 空区扫描过程

将三维激光扫描头通过连接杆放入钻孔中，通过摄像头视频查看扫描头是否进入采空区内，当扫描头进入采空区后开始扫描(见图2)。扫描方式一般有水平方向和垂直方向扫描，为了保证空区扫描的准确性，每次空区扫描时都要进行水平方向和垂直方向扫描，扫描步长增量为1°，扫描获得的数据将保存至扫描控制仪中。

图2 空区三维激光扫描

3.2 空区三维模型建立

将现场扫描获得的采空区数据导入CavityScan 软件中进行处理，可以得到采空区的三维包络图(见图3)。

同时，还可以将数据导入CAD、3Dmine等常用的数字矿山软件中，获得采空区的三维模型。图4是通过将扫描获得的数据导入3Dmine中得到的三道庄矿采空区三维模型图。由此可以为矿山采空区稳定性分析、采空区处理、台阶生产爆破设计提供直接技术参数，对于矿山安全生产具有重要的作用。

图3 采空区三维包络

图4 三道庄矿采空区三维模型

4 结 论

(1) 三道庄矿受前期地下混乱开采影响，在露天开采境界下方存在大量不明采空区，给露天开采带来了极大的安全隐患，如何实现采空区的快速精确探测是矿山安全生产的重中之重。

(2) 三维激光扫描技术具有测量精度高、操作简单等特点，通过360°无盲区扫描，可快速准确地获得采空区位置、大小和形状等参数。

(3) 通过将扫描获得的采空区数据导入CAD、3Dmine等常用数字矿山软件中，得到了三道庄矿采空区三维模型，为后续采空区稳定性分析、采空区处理、台阶生产爆破设计等提供了直接技术参数，对于矿山安全生产具有重要的作用。

参考文献：

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