复杂露天铜矿床三维可视化开采工艺优化技术研究

马永亮，王利岗，张 达，张 旭

(1.江西铜业股份有限公司城门山铜矿，江西 九江 332100；2.北京矿冶科技集团有限公司，北京 100160；3.天河道云(北京)科技有限公司，北京 100176)

江西铜业股份有限公司城门山铜矿是一座已探明的以铜硫为主、伴生金银锌钼铁等多金属的大型铜矿床，矿石储量达2.2亿t，且远期找矿潜力巨大[1]；但矿石性质复杂，矿区内分布有表内外各类型大小矿体226个，既有原生铜矿物黄铜矿、各种黝铜矿，又有次生铜矿物辉铜矿、蓝辉铜矿、铜蓝等，矿石品位复杂，品位变化系数一般为3～5倍，局部高的甚至达到8～10倍，不同矿体含铜斑岩矿的氧化率从7%～22%不等，要实现资源的高效利用必须依靠精细化的开采工艺。另外，矿区工程水文地质条件复杂，风化深度大，岩溶发育，绝大部分矿体在侵蚀基准面以下，采剥过程中矿坑涌水量大，开采过程中必须密切关注穿爆等工艺对边坡稳定性的影响。

矿山根据 “稳定一期，建设二期，推动三期，打造国内效益领先型露天铜矿山”的发展愿景和战略定位，自2003年一期正式投产后，经营业绩逐年稳步提升，2007年扩建二期工程，日处理矿石7 000余t，目前正筹划启动日处理矿石15 000 t三期工程。在此期间，矿山的供配矿管理、采剥工程量验收、生产进度现状获取等工作经历了生产工艺由简单到复杂、生产组织由离散到综合的发展过程，现有的工艺技术和粗放的管理模式在时效上越发不足以支撑矿山面临的日益复杂、快速变化的生产模式，因此必须探索新的工艺技术手段来实现精细化高效安全开采。

1 三维激光扫描技术

1.1 技术原理

三维激光扫描技术是一门新兴的测绘技术，是测绘领域继GPS技术之后的又一次技术革命，三维激光扫描技术又称“实景复制技术”[2]，三维激光扫描仪采用非接触式高速激光进行测量，在复杂的空间环境下对被测露天矿采场进行快速扫描测量作业，获得点云数据，经过对海量点云数据进行三维重构可以高精度再现被测矿山采场的开采现状。

目前三维激光扫描仪主要采用TOF脉冲测距法(Time of Flight)[3-4]，其扫描测量的原理是三维激光扫描仪内置激光器发出一个激光脉冲信号，经被测对象表面漫反射后，沿几乎相同的路径反向传回到接收器，根据激光沿路径传输的时间差，可以计算目标点与扫描仪之间的距离s，角度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，通过上述参数即可计算目标点的坐标[5-8]，如图1所示。

图1 采用脉冲测距法计算目标点坐标Fig.1 The 3D coordinates of TOF method

根据三角函数计算目标点P的坐标如下：

三维激光扫描测量一般使用扫描仪内部的坐标系统，为三维立体坐标系，默认仪器中心位置坐标为(0，0，0)。

三维激光扫描测量仪在开始工作之前，会依据补偿器自动设定初始位置，在已知仪器中心点坐标(x0，y0，z0)和仪器初始化方位(θ，仪器初始化后初始方位与用户坐标系中北方位夹角)的情况下，通过平移、旋转，把观测点的坐标数据换算至用户坐标系统[9-11]。

(Xn，Yn，Zn)为用户坐标系中的各测点坐标。利用网格技术将点云坐标连接成曲面，就形成了观测露天矿采场的三维图像。

1.2 技术优劣分析

三维激光扫描技术与全站仪、GPS/RTK等传统测量技术手段相比，具有明显的技术优势，主要体现在以下几个方面：

1)由于露天矿山边坡曲面的不规则性，传统测量方式需要在被测区域范围内选取一定数量的地形特征点，其测量成果的准确性主要依赖于特征点数量、立尺点位以及选取的区域范围等；而三维激光扫描技术可以快速、高精度获取海量点云数据，对被测区域进行高密度的三维立体扫描，较传统测量方式高出几个数量级的采样率，使得测量结果完全贴近实物，计算结果准确可靠。

2)传统测量方式需要人员到被测边坡测点放置靶标或实地测量，边坡复杂的环境使得人员作业难度和风险加大，作业效率低下；而三维激光扫描技术属于非接触式测量，主动发射扫描激光，且不需要反射棱镜、不受被测空间限制，能够高效完成危险目标、人员难以企及等情况下被测空间的准确测量。

3)传统测量方式外业效率低，内业计算方法复杂且自动化程度低，而三维激光扫描技术能做到以实景再现的方式高精度实时生成被测成果，测得数据为全数字数据，易于后期处理及输出，效率大大提高。

4)传统测量方式获得的只有测绘数据，数据解读需要专业的理论基础，矿山管理者只能从数据上进行判断，无法直观了解采场边坡的实际状况；而三维激光扫描技术能够获取高精度海量点云数据，生成高分辨率三维模型，并能够与实时影像进行复合叠加形成彩色实景模型，与矿山边坡生产实际情况完全贴合，数据结果直观准确。

2 三维可视化开采工艺优化实践

采用某型三维激光扫描仪对城门山铜矿采场进行扫描，共架设三个测站，分别位于露天采场的三个制高点，仅用时1 h就完成三站测量，获取点云数据14 042 269个，准确还原了整个城门山铜矿露天采场的三维形态，经拼接后的点云数据如图2所示，将三维点云数据与真实影像进行叠加，还可以形成真彩色点云数据(图3)。

图2 拼接后的露天采场点云数据Fig.2 Point cloud data of open pit after splicing

图3 经影像贴图的真彩色点云数据Fig.3 True color point cloud data after image map

2.1 采场现状模型更新

通过后处理软件的过滤功能，可以将采场上作业的机械设备以及其他噪点滤除，生成的三维模型如图4所示。

图4 采场三维模型Fig.4 Three-dimensional model of open pit stope

露天矿山开采过程中，矿坑内台阶剥离和道路走向等随生产进度不断发生变化，及时更新矿区模型对准确掌握生产状况及校准矿山测量意义重大。采用三维激光扫描技术，可在开采前对采场进行扫描并建立模型，开采后再次对新采区域进行扫描建立模型，通过对开采前后的模型进行联合叠加，更新后可以得到准确的采场现状模型(图5)。

图5 采场现状模型更新Fig.5 Updating of stope status model

2.2 采剥量高效验收

露天矿山的剥岩量及出矿量一般按月、季度进行定期验收，并与生产计划进行校对核准，以便及时掌握生产动态，为下一步产量调整及生产资金计划等工作提供判断依据。现代矿山企业的精细化管理，要求对开采成本进行细分，根据工程包含的剥离、采矿、铲装、运输等不同内容以及作业区域和运输距离的不同等因素，制定不同的作业单价和施工区域单元，这就要求每个验收时段内不仅要计算采剥总量，而且还需要对各平台各出矿点的方量进行细化统计，这大大增加了测绘工作量，传统测量手段很难满足这种测绘需求。

采用三维激光扫描技术，使用后处理软件中内置的三角形联网法(DTM 法)计算模块进行准确方量计算，采用采场模型进行总方量计算，还可以根据采场两期模型或不同开挖作业区域的小范围数据，准确分区计算各区域的采掘方量，并可同时统计挖方量和填方量，数据成果以XLS表格格式输出，满足了小范围短时段采掘方量快速统计验收的需求，如图6所示(以定高程为例)。

图6 分区域方量计算Fig.6 Subregional square calculation

2.3 爆堆统计分析

露天爆破参数优化可大大提高矿山生产管理水平，带来显著的经济效益，爆破后的爆堆参数可以作为优化爆破的直接依据，因此爆堆测量的准确性至关重要。爆破后的爆堆为不规则松散体，传统测量方式需要人员到达爆堆上进行数据采集，人身安全得不到保障，作业效率低下，数据特征点和采样密度也无法准确反映爆堆完整形态；而利用三维激光扫描技术的非接触测量，可以做到人员在安全区域高效完成数据采集工作，且高密度点云可以极好呈现爆堆的细节特征，可实现爆破量的精确统计。

通过现场采集的爆堆点云数据，可快速建立爆堆模型，并通过应用现状数据，快速勾画和提取爆破边界线，据此建立去除爆堆后的模型(图7和图8)。

通过前后模型对比，可快速计算单次爆破方量数据，为爆破参数优化提供准确依据。

图7 勾画出爆破边界线的爆堆模型Fig.7 Blasting boundary line in ore heap model after blasting

2.4 边坡安全监测

利用不同时期的采场边坡三维扫描数据及模型，通过比对两期模型之间的距离差值统计，可准确分析边坡变形情况，还可以人工划定关注区域的具体点位，进行变形位移曲线、变形速度曲线分析等，大大提高了边坡稳定性感知能力，如图9所示。

图8 去除爆堆后的模型Fig.8 Model of removing ore heap after blasting

图9 边坡变化比对分析Fig.9 Comparison and analysis of slope change

3 结论

通过将三维激光扫描技术特长应用到露天矿山生产测绘数据的高效获取领域，实现了复杂露天铜矿床的三维可视化开采工艺优化，形成了以三维激光扫描仪为主体的开采工艺优化技术，提高了矿山管理者对露天矿山生产态势的准确把控能力，为实现智能化露天采矿提供了一种行之有效的技术手段。此外，三维激光扫描技术还可应用于矿山排土场、尾矿库等应用场合，具有广泛的应用前景。