基于无人机航测技术的露天矿山采空区精细化验收

张兵兵 许龙星 张 璞 张岗涛

（宏大爆破工程集团有限责任公司，广东 广州 510623）

露天矿山遗留的采空区给安全管理工作带来了极大的挑战，针对采空区处理，三维激光扫描仪、综合物探技术、高密度电法以及综合探测等技术被应用于采空区的精密探测［1-4］，为获取隐伏采空区的位置及相关参数提供了极大帮助，有助于准确分析采空区潜在的危害程度。在采空区处理的安全评价方面，数值模拟软件如FLAC3D、ANSYS等，被应用于分析采空区处理前后的安全处理效果评价［5-6］；在工程实践中，采空区充填率和遗留采空区体积等相关指标的可操作性更强，崔晓荣等［7］认为在充填率大于85%时，表明采空区在爆破作用下的处理效果良好。在实际情况中，露天矿山采空区处理效果评价主要采用的是经验法，通过观察爆堆的宏观外在表象，分析采空区坍塌程度，判定其是否处于安全状态。经验法主要依赖于技术管理人员的现场工作经验，具有一定的局限性，难以实现精细化评价与验收，故需要引入更为有效的技术手段。

无人机航测技术在采空区等重大安全隐患的排查与分析方面，具有安全性好、可靠性高、效率高等显著优势，可真实反映被测区域的地形地貌三维信息，已被广泛应用于露天矿山开采设计与安全管理领域［8-10］。在无人机精度评估方面，三维模型精度、成图结果精度是评估的主要方面；章梦霞等［11］分析了露天矿区特点，采用低空无人机遥感测绘技术生成了矿山的三维数字模型，满足1∶2 000比例尺成图精度要求。冯雅秀［12］讨论了倾斜摄影建模、三维重构及精度评估的指标，通过工程实践，认为航测精度如三维模型精度、DSM及DOM精度均符合三维建模要求。在无人机数据处理方面，康玉霄等［13］详细分析了无人机数据处理流程及关键技术细节，包括航线规划、像控点布置、数据解算与模型分析，为有序开展无人机航测工作提供了参考。上述研究表明：通过无人机航测技术得到的三维模型精度满足实际生产需求，已成功应用于露天矿山的生产实践中。

通过查阅相关文献发现，无人机航测技术在采空区方面的应用研究相对较少，尤其是在采空区处理效果评定方面。通过应用无人机航测技术，可得到采空区爆前爆后两期真实三维数据，进行影像模型信息与实际处理效果的匹配分析，有助于实现采空区的精细化评价与验收，为此，本研究结合实例对此进行分析。

1 采空区处理效果精细化验收的内涵

现阶段，尚缺乏爆破处理后露天矿山采空区评价的相关标准与规范；在工程实践方面，采空区充填率与遗留采空区体积作为主要的评价指标，两者是通过公式计算得到相应的参数，对比分析采空区处理前后的数据，进而判定爆破后的采空区充填效果。

相比于传统的采空区处理效果验收方法，基于无人机航测技术的露天矿山采空区精细化验收，不仅仅通过外在现象进行评定，其“精细化”主要体现在：①通过无人机航测获取采空区爆前爆后两期三维模型，三维可视化效果好，带有真实三维点云信息，安全可操作性好，细节纹理丰富；带有高程点信息，能够详细地反映采空区爆前爆后的空间形态变化；②采空区反映在爆区三维模型中，使得采空区与爆区地形一一对应，通过对比两期三维模型，采空区的真实爆破处理效果得以清晰地展示；③通过在三维模型中圈定采空区的范围及对比爆后的实际效果，有助于提高采空区处理效果评价的可靠性；④基于无人机航测得到的影像及三维模型信息，结合现场实际处理效果及实际挖装反馈情况，可从多个方面综合评判采空区的实际处理效果。

为有效分析地采转露天复采矿山采空区的崩落爆破处理效果，需综合以下信息进行综合评定：①爆破后盲采空区及废弃巷道所在区域的崩落充填情况；②无人机录制的爆破处理视频影像及多角度航拍影像信息；③实际挖装作业是否出现异常情况。

2 工程概况

大宝山矿早先主要采用空场法崩落采矿，产生了较多的采空区及巷道，虽然大部分采空区采用了废石充填，但也遗留了较多未经处理的采空区；并且早期矿山民采、盗采现象管控较难，造成矿石品位较高的区域存在一些无开采设计资料的盲采空区。后期为了提高资源回收率和安全生产管理水平，采用了露天开采模式，故这些遗留的有资料及无资料的采空区对采场安全生产带来了较大威胁。

计划爆破处理的649 m北部平台下方存在废弃的640 m平硐，由于此处矿石品位较高且地质资料不全，按照“有疑必探，先探后采”的原则，在可疑区域提前安排一个25 m深的探孔，钻至17.8 m时，出现打穿现象，空洞深度为3.4 m。及时采用三维激光扫描仪（C-ALS）进行了探测，扫描发现采空区顶板为641.1 m，底板为631.5 m，顶板距离640 m平硐最薄处厚度仅为5 m，查阅原始资料显示该采空区无相应的地质资料，故判定为盲采空区。相关参数如表1所示，640 m平硐及盲采空区所在的范围如图1所示。

长沙矿山研究院有限责任公司前期在大宝山露天矿进行采空区大面积探测及潜在危险性分析时，经过大量数据验算，总结给出了较为贴合大宝山露天采场采空区实际情况的保安层经验公式。探孔作业时钻孔岩芯完整，相应的保安层公式为

h=0.71b-1.02，

式中，h为保安层厚度，m；b为最大跨度，m。

计算得h=6.44 m，故认为盲采空区相对安全，计划在649 m层面随台阶爆破协同处理，为下部平台的持续推进及盘活东西帮道路奠定基础。

3 无人机航测技术应用

为了高效准确地判定爆破崩落后的盲采空区及废弃巷道的处理效果，利用无人机进行了两期航测，即爆破前和爆破后，相应的作业流程如图2所示。

3.1 外业航测

本研究采用的大疆精灵4 RTK无人机为小型四旋翼高精度航测无人机，具备厘米级导航定位系统和高性能成像系统，搭载高清摄像头，在低空摄影测量应用方面优势明显。在航测区域规划方面［14-15］，采用5向航线飞行，软件会自动在计划航测区域的基础上进行适度扩大，以确保倾斜摄影得到的航测数据真实可靠。

考虑到大宝山露天矿山649 m水平以上为山坡式开采，649 m水平以下为凹陷式开采，为了确保航测安全及数据可靠性，本次航测高度定为100 m，重叠率设计为85%，测区规划如图3所示。像控点布置兼顾测区的平面和高程精度需要，在爆区东侧、西侧、北侧、南侧各布置了1个1 m×1 m的像控布［16］，如图4所示。同时在爆区邻近的南侧布置了2个检查点，为了保证像控点及检查点坐标信息真实可靠，采用RTK连续进行了10次测量，测量时要求居中对齐，确保多次测量数据的x、y、z坐标误差在毫米级，确保不会对像控点进行误测，而影响到后期数据分析，取10次数据的平均值作为实测值。

按照设定的5向航线自动航测，耗时30 min后获取了454幅高清色彩分明且自带POS数据的爆区原始影像；爆破结束后，及时获取了649 m台阶爆破后的453幅高清色彩分明且自带POS数据的影像。

3.2 内业处理

本次获取的航测数据采用Context Capture软件逐一进行三维建模，具有操作简单、处理精度高等优势，广泛应用在倾斜摄影三维建模中。通过自带POS数据影像初始化、像控点刺点、空三解算、模型重建等步骤，得到了两期对应的三维模型数据。

3.2.1 误差分析

在三维模型中，像控点清晰可见，如图5所示。在生成的三维模型质量报告中，通过对获取的各种误差种类信息进行综合判断，发现误差值很小（表2）。

由表2可知：采用单镜头5向倾斜摄影测量后，三维模型全局中值误差仅为0.2 cm，分辨率较高，X、Y、Z方向的误差值均较小；4个像控点射线距离均方根误差为0.1～0.2 mm，误差整体较小。同时，通过分析现场布置的2个相邻检查点的实测值与三维模型生成的二维地形图对应的坐标值，发现X方向相差0.002 m，Y方向一致，Z方向相差4 cm。经过精度检校后，综合判断认为符合1∶500地形图制图要求，表明将三维模型信息转化为二维地形信息时，精度较高，为评价采空区爆破处理效果奠定了基础。

3.2.2 两期模型对比

为了更好地分析三维模型数据信息，将盲采空区及废弃巷道的点位数据导入IData软件，实现测量点位数据与三维模型的套合，可在三维模型上显示盲采空区及废弃巷道的相关信息，同时将爆区外侧炮孔连线导入至模型中，对应的两期模型如图6所示。

4 采空区处理效果评价与验收

4.1 崩落充填情况分析

在采空区评价方面，需要获取相应的数据，而传统的人工测量的随机性较大，准确性难以保证。通过应用无人机航测，实现采空区覆盖范围的完整数据收集，数据采集的精细化程度得以提高［17］，精细化评价的可靠性得以保证。

在IData软件中，通过导入爆前和爆后两期盲采空区及废弃巷道的三维模型信息，获取崩落爆破后的高程点变化情况，如图7所示，同时考虑爆破后岩石的松散系数（取1.3），综合分析得到实际采空区爆后的充填程度。由于该采空区有侧向自由面，与无自由面的采空区强制崩落直接充填形成爆坑相比，存在差异性，故需要考虑相应区域岩石在爆破作用下的实际推出距离。

盲采空区平均高度为4 m，最大高度为9 m，按照间排距6.5 m×4.0 m、炮孔平均深度17.6 m、最小抵抗线为4 m的布置方式，综合考虑松散系数1.3及前排炮孔15 m的推进距离，盲采空区所在区域高程应降低3 m左右；而盲采空区布孔处的实际高程为651.8～653.9 m，盲采空区爆后高程为650.3～651.3 m，通过两期高程信息比对发现，高程降低了1.5～2.6 m；充填相对高度增加率为110%～200%，表明盲采空区得到了有效充填。

4.2 基于爆破前后影像的采空区处理效果分析

通过无人机在爆破推进方向近距离录制的爆破视频，发现岩石推出距离整体上符合预期，盲采空区及废弃巷道所在位置处，在爆破的瞬间存在显著的塌陷及废石充填现象；在爆后现场检查时，也发现两者与台阶的正常区域存在明显区别，有显著的下沉现象，推进现象不明显，局部存在充填情况，这与采空区的不规则形状、范围、高度不一及岩石的松散系数有关。无人机拍摄的采空区处理后高清影像（图8）显示，在爆破的作用下，采空区得到了有效充填。

4.3 采空区挖装情况

为了确保挖装作业安全高效进行，在该盲采空区开始挖装作业前，技术人员提前圈定标注了盲采空区及废弃巷道所在范围，并对挖机人员及现场管理人员进行了相应的技术交底工作。在此区域施工时采取由外向内的试探挖装，现场实际挖装中未出现空洞及其他异常情况，表明采空区得到了有效治理，较好地消除了该作业区域的安全隐患。

5 结 论

（1）盲采空区严重威胁着露天矿山的安全生产工作，如何有效评价与验收盲采空区在崩落爆破后的实际处理效果，显得尤为重要。采用无人机航测技术评价采空区处理效果，分析了采空区精细化验收内涵，并从充填程度、爆破影像、实际挖装情况3个方面综合评价了盲采空区处理效果。

（2）采用大疆精灵4 RTK无人机进行低空100 m高重叠率的5向航线航测，通过两期外业航测与内业处理，得到了盲采空区爆前及爆后两期三维模型，经过精度检校发现，误差满足1∶500地形图制图要求，可靠性较好。

（3）采用IData软件计算得到的盲采空区高程明显下降，充填相对高度增加率为110%～200%，再结合无人机获取的多角度航拍影像及挖装的实际情况，验证了649 m平台的盲采空区得到了有效处理，表明无人机航测技术在采空区精细化验收评价方面有一定的应用前景。