三维激光扫描技术在冬瓜山铜矿采空区探测中的应用

姚志伟，方志甫，桂旺华，郑攻关，汪令辉

(1.铜陵有色金属集团控股有限公司技术中心，安徽 铜陵 244000；2.铜陵有色金属集团股份有限公司冬瓜山铜矿，安徽 铜陵 244000)

三维激光扫描技术探测采空区，掌握采空区具体的形态，是采空区稳定性分析、采空区治理方案和充填量确定的基础资料。在采用分步开采的矿山(冬瓜山铜矿、安庆铜矿等)，采空区探测形成的三维模型能直观可视一步骤采场的回采边界，对二步骤采场边界控制、参数优化起到重要指导作用，从而降低贫化、减少损失[1-4]。

2010年铜陵有色技术中心引进加拿大Optech研制的CMS(3D Laser Cavity Monitoring System)空区三维激光探测系统在冬瓜山铜矿应用，对空区边界控制、后续回采、地压监测等起到很好的指导作用。但CMS系统对于部分回采结束后难以接近的盲空区(无硐室相通或硐室已被破坏人员无法进入)无法实现探测，给后期回采设计带来了困难。C-ALS三维激光扫描系统以其体积小的特性有效地弥补了CMS系统对盲空区无法得到及时、准确探测的不足，为矿山后续采矿安全生产提供了有力的技术保障。

1 CMS和C-ALS简介

三维激光探测系统CMS(3D Laser Cavity Monitoring System)是加拿大Optech公司生产的一种基于激光的空区探测系统。基本构成包括激光扫描头、电源箱、手持式控制器、支撑杆架及数据处理软件。进入现场探测需要3～4人协同作业(含测量人员2人)。CMS探测系统的数据处理是利用其自带的处理软件将“.txt”格式的文件转换成“.dxf”格式的文件。

C-ALS(Cavity-Autoscanning Laser System)为英国MDL(Measurement Devices Limited)公司生产的沿钻孔下放的三维激光扫描系统，探头直径仅5 cm，孔径大于70 mm即可放下。基本构成包括探头(内置一个摄像机)、折叠式钻杆、电缆、控制箱和电源。进入现场探测需要5～6人协同作业(含测量人员2人)。C-ALS系统的数据处理是利用其自带的处理软件将“.MDL”格式的文件转换为“.dxf”格式的文件。CMS与C-ALS的主要技术参数对照见表1[5]。

表1 CMS与C-ALS技术参数对照表

对比以上参数，结合现场应用经验可发现CMS与C-ALS系统各自优缺点：

1)CMS系统设备组件数量少，现场操作简便，需要的人员少，有利于轻装简行；一般用于有硐室相通的采空区探测，此时探测效率较高。

2)与其他三维扫描系统相比，C-ALS系统所需钻孔直径极大缩小，C-ALS探头直径为5 cm，能通过直径7 cm以上的钻孔，便于利用矿山现有钻孔进行测量，但C-ALS系统设备组件较多，现场架设需要的人员和时间更长。因此，在探测盲采空区(无硐室相通或硐室已被破坏人员无法进入)时更能发挥其优势。

3)相较于CMS系统的280°扫描，C-ALS系统可以实现无盲区的360°扫描[6]。CMS系统应用于有硐室相通的采空区探测时，盲区范围刚好在硐室范围内，不会影响探测模型的完整性。

4)C-ALS系统通过在探头中内置摄像头和照明系统来避免探头在下放过程的损坏。CMS系统探测时则需要注意硐室上方的浮石对仪器设备造成损坏。结合现场实际经验，作者认为C-ALS系统的损坏风险还是要高于CMS系统。

5)C-ALS系统内置的传感器能实时探测显示探杆倾角和转角，可同时用于钻孔测斜。同时C-ALS系统在井筒探测、对高温高湿高粉尘环境的适应性、现场实时显示方面具有一定优势。

2 冬瓜山铜矿采空区探测实践

冬瓜山铜矿位于安徽省铜陵市狮子山区，是铜陵有色金属集团公司主力矿山之一，主要采用大直径深孔阶段空场嗣后充填采矿法开采。

采用CMS系统探测的某采空区三视图见图1，探测模型与设计模型复合图见图2，剖面图见图3。根据DIMINE软件的报告实体体积和布尔运算功能可以求出该采空区的损失率、贫化率(表2)。

图1 采空区探测模型Fig.1 Goaf detection model

图2 采空区探测模型与设计模型复合图Fig.2 Composite diagram of goaf detection model and design model

表2 采空区损失率、贫化率计算表

C-ALS系统除了能对盲空区(无硐室相通或硐室已被破坏人员无法进入)实施探测，弥补CMS系统的不足之外，还能对井筒等进行探测。冬瓜山铜矿某溜井探测模型见图3，该溜井模型剖面与附近竖井及中段巷道对照见图4。

图3 溜井探测模型Fig.3 Slide detection model

图4 溜井探测模型与中段巷道对照图(单位：mm)Fig.4 Comparison of slip detection model and roadway(Unit:mm)

结合模型图分析认为，该溜井形状成扁平状，三维实体模型体积为2 400.5 m3，走向长约24 m，腹部厚度约为6 m。-850 m剖面面积为62.6 m2，长度23.5 m，最宽处宽度5.2 m，离巷道最近距离为6.2 m，与1#井最近处距离约为8.2 m，与2#井最近处距离约为35.5 m；-875 m剖面面积为28.5 m2，长度15 m，最宽处宽度3.2 m。离巷道最近距离为1.2 m，与1#井最近处距离约为15 m，与2#井最近处距离约为42.4 m。因此，该井筒在-875 m与巷道距离较近，需要采取措施加以处理。

2010年至今，铜陵有色技术中心累计在冬瓜山铜矿探测采空区170多个，建立了冬瓜山铜矿完备的采空区模型体系，为该矿的空区稳定性分析、充填量确定、二步骤回采爆破设计、隔离矿柱回采方案设计等提供了大量详实具体的基础资料，有力推动了数字矿山建设，是不可多得的成功实践。

3 结论

1)实践表明，三维激光扫描技术在矿山生产应用广泛，目前主要用于采空区探测、辅助矿柱回采爆破设计、损失率和贫化率校对、钻孔测斜、溜井破坏情况探测等。

2)经现场实际应用，CMS系统和C-ALS系统各有优缺点，CMS系统对有硐室相通的采空区探测效率较高，C-ALS系统在盲空区(无硐室相通或硐室已被破坏人员无法进入)和井筒探测时更能发挥其优势。

3)三维激光扫描技术在冬瓜山铜矿的成功应用为该矿的安全生产提供了强有力的技术支撑。