基于C-ALS的三维激光扫描技术在采空区探测中的应用

东龙宾，王少泉，蔺帅宇，庞 森，乔洪斌

(1.中冶北方(大连)工程技术有限公司，辽宁 大连 116600；2.新疆钢铁雅满苏矿业有限责任公司，新疆 哈密 839000)

金属矿采空区具有隐蔽性，自身失稳造成的直接灾害及次生灾害种类繁多，危害极大[1-2]。大量未处理的采空区严重影响井下开采的安全，已成为金属矿山重大危险源之一，国务院安委会、国家安监总局已经出台大量条文规定，要求加强采空区监测和治理[3-4]。及时准确的对地下采空区进行定位与探测，是进行采空区稳定性分析和灾害控制的前提。在采空区探测方面，根据探测技术的不同原理，探测技术可分为电法、电磁法、非电法及地震波法等。美国在探测方法及探测技术方面处于世界领先水平，全面发展了各类物理探测方法；日本则在工程物探技术方面处于世界领先地位，尤其是地震波法；我国早期主要采用工程钻进的方法进行采空区探测，工程量大，而且效果较差。

随着采空区的复杂性和数量日益增多，工程技术人员对探测精度的要求也逐渐提高，地球物理勘探手段得到的结果不能对采空区处理产生实质性的作用，所以应用高精度的三维激光扫描为代表的精细探测技术已经成为未来采空区探测技术发展趋势[5-7]，该方法能精确地探测出采空区的三维形态及空间位置。其中应用比较广泛的设备有CMS空区激光探测系统和C-ALS空区激光探测系统。许多学者也已经做了大量实践，比如，王运敏等[8]通过CMS对石人沟铁矿采空区进行了扫描，获取了空区的形态，为空区处理和矿柱回采提供了依据。彭林等[9]采用C-ALS三维激光扫描系统对采空区实施精准探测，建立了采空区可视化模型，并对采空区进行了稳定性分析。马玉涛等[10]总结了C-ALS系统的应用优势，并在安庆铜矿成功进行了应用。黄彬等[11]通过C-ALS采空区探测，获取了采空区的三维信息。王丽君等[12]应用CMS激光探测系统，实现了采空区的精密探测和三维建模。李群等[13]利用三维激光扫描系统对空区进行三维激光探测，并利用3DMine 软件建立采空区的三维实体模型，并进行空区稳定性分析等，取得了较好的效果。

本文依托矿山现场条件复杂性和适应性，运用空区激光自动扫描系统C-ALS，对现场采空区的三维形态进行了精确探测，建立采场现状的三维模型，为采空区处理、矿山实际生产提供可靠的基础资料。

1 C-ALS采空区三维激光测试系统

由英国MDL公司研制的地下空区三维激光扫描仪C-ALS，是一种可以对采空区进行三维测量的设备(如图1所示)。操作简单，探头直径5 cm，可通过钻孔进入采空区，将扫描仪深入空腔后，会根据设置自动以360°的视角对空区进行环状扫描，取得高密度的“点云”，所得的结果为三维可视的空腔内部(如图2所示)。在软件当中，三维空腔点云具有真实的方位与坐标数据，真实的体积与范围值，可以轻松的量测与分析，多次扫描结果可以拼接成完整的空腔点云，为最终处理提供最直观的参考依据。设备扫描范围半径为150 m，精度为±5 cm，分辨率1 cm，竖直方向扫描范围-90°～+90°，水平方向扫描范围0°～360°。扫描结束后，通过CavityScan软件，可以将获取的点云转换成常用软件的格式，面对众多矿业软件，都可以无缝连接，比如Auto CAD、3DMine、Surpac、Cass、Dmine、Micromine等。

2 雅满苏铁矿应用实践

2.1 采空区探测

雅满苏铁矿井下首采阶段820～880 m中段矿房采矿方法为有底部结构浅孔留矿法，经过多年开采，共形成13个采空区，如图3所示。由于空区暴露时间长，受地压影响作用，矿岩发生变形，稳固性变差，采空区诱发地面沉陷、失稳坍塌、岩爆、冲击地压、垮塌冲击波等灾害的可能性及不确定性制约着下阶段矿体的开采。因此为进行下阶段生产，课题组对其中具备探测条件的11个采空区进行了探测工作。

图1 C-ALS套装图Fig.1 C-ALS package diagram

图2 工作过程示意图Fig.2 Schematic diagram of the working process

扫描方式：水平扫描，垂直方向采用3°增益角，利用CavityScan、Geomagic Studio对探测数据进行处理，获取了每个空区的形态、体积、空间位置以及直接关系到采空区稳定性的上盘围岩暴露面积等信息，通过布尔运算还可获取间柱形态。为节约篇幅，我们在表1中列举了其中5个采空区探测结果，由探测结果可知，1#采空区和3#采空区之间矿柱已经破坏，采空区已经连通；3#、5#、7#和9#采空区体积较大，且之间矿柱较窄；17#采空区顶柱已经破坏，在回风巷道底板形成“天窗”；21#和21#西采空区还有较多存窿矿石，且空区已经连通。

图3 820 m中段采空区分布示意图Fig.3 Schematic diagram of the distribution of goaf in the middle section of 820 m

空区编号空区实测形态体积/万m3采空区实测尺寸/m长度宽度高度上盘围岩实测暴露面积/m2顶柱实测暴露面积/m2连通情况1#3.485.115.848.62 135372与3#空区连通3#4.086.921.342.92 746635与1#空区连通5#3.243.017.264.21 643653独立空区7#2.841.015.243.31 633545独立空区9#2.439.020.047.41 565518独立空区

2.2 三维实体模型构建

采空区上部为原有露天采场(已经闭坑)，采空区处理过程中必须考虑采空区与露天采场的空间关系以及对露天采场的影响。基于采空区探测结果，结合3DMine三维矿业工程软件，建立了采空区群、露天采场、现有巷道的耦合三维模型，实现矿山现状的三维可视化，为实现采空区信息集成管理、安全生产提供了重要基础，如图4所示。

图4 采空区、开拓系统及露天采场复合图Fig.4 Composite view of goaf, development system and open pit

3 结论

本文在总结采空区探测技术的基础上，采用三维激光扫描设备C-ALS，精确地获取了雅满苏铁矿采空区的三维空间信息，使采空区模型趋于真实，为后续采空区处理相关工作提供了重要数据。研究主要结论包括：

1)精细探测是实现采空区可视化的重要手段，通过C-ALS激光探测系统，获取了采空区三维形态、体积、空间位置、顶板暴露面积等关键信息，建立了开拓系统、露天采场及采空区群的三维复合图，实现了矿山三维现状的可视化。

2)C-ALS探测系统操作方便灵活，与其他三维扫描系统相比，探头直径仅有50 mm，可通过小直径钻孔下放测量，现场适应性强，且探测人员无需进入空区，操作安全，具有很好的推广应用价值。

3)本研究成果的应用可大大提高采空区稳定分析的准确性，同时也可为下阶段采空区处理方案的炮孔布置优化、措施巷道施工等提供重要的依据。