矿山采掘量与剥离量快速验收及应用

陈 凯，张 弛，张 达

(1.北京矿冶科技集团有限公司，北京 100160；2.北京科技大学 机械工程学院，北京 100083)

金属矿山按照开采方式可分为露天开采矿山和地下开采矿山。露天矿生产的工艺环节，包括矿岩准备、采掘工作、运输工作、排土工作等重要环节。地下开采的工艺环节，包括矿床开拓、矿块的采准、切割和回采等重要环节。矿山的建设和生产过程中，矿岩的采掘和剥离占据了现场很大一部分工程量，采掘(剥)量=采矿量+掘进量+(剥离量)+其他采掘(剥)总量，其中：地下采掘量=采矿量+掘进量+其他采掘总量；露天采剥量=采矿量+剥离量+其他采剥总量。准确地计算采掘(剥)量是矿山生产过程中必须开展的一项工作，它不仅是体现矿山开展工作量的关键指标，也是反应矿山其他指标的基础，同时及时和准确地掌握各生产队伍的工作量，对于矿山编制生产计划、为设计部门提供工程施工的现状、采掘工程量有效监督验收等环节都有十分重要的影响和意义[1-2]。

1 采掘(剥)量快速验收方法

采掘(剥)量验收通常采用传统测量方法进行测量和计算。使用传统测量手段进行采掘和剥离量验收时工作量巨大且具存在一定滞后，通常不能有效跟进生产进度。具体存在的问题如下：

1)传统测量手段操作复杂、测量效率低，比如使用全站仪进行测量时，需2人配合操作，包括架站、对中、整平、引点等操作；

2)传统测量手段操作风险高、人员工作量大，比如采场验收时，需测量人员携带全站仪进入采场工作，而采场存在浮石掉落伤人的可能；

3)传统测量手段获取的测量数据存在数据离散、数据量少，典型性不足、处理时间长等问题；

4)传统测量手段计算的采掘(剥)量时间长、效率低、数据汇总滞后，影响后续的技术经济指标分析和上级部分决策。

为解决传统测量手段在采掘(剥)量验收方面存在的问题，需革新传统的测量手段[3-7]。而通过高新技术的测量手段获取空间三维形态并完成矿山采掘(剥)量验收是目前主流的方式，具体测量手段主要包括无人机测量、架站式三维激光扫描仪、手持式三维激光扫描仪等。由于矿山要进行采掘(剥)量验收的具体场景不一样，需使用的具体测量设备也不一样。1)对于露天矿山，由于其矿区范围较大，通常面积都超过一平方公里，而且露天矿内部存在起伏，为了有效获取其地形地貌数据，最好的方式是使用无人机进行三维形态获取并计算采掘量；2)对于地下采场，由于地下采场大部分都属于危险区域，人员不能进入，因此需要把设备伸入到采场内部进行扫描获取三维形态，固定式三维激光扫描仪可通过延长杆伸入到采场，快速获取采场三维形态并计算采场出矿量；3)对于地下巷道，由于地下巷道存在拐弯和分叉等情况，如果使用固定式三维激光扫描仪进行扫描，需要频繁架站并拼接扫描数据，在这种场景下，需使用手持式三维激光扫描仪，使用人员可边走边扫描获取巷道三维形态并计算巷道掘进量。

2 露天矿扫描及采剥量计算

露天矿山是充分发挥无人机优势的一个重要应用。本文依据无人机遥感具有机动性强、获取数据快速和可以低空飞行的特点，快速准确地计算出露天矿区采掘方量，大大提高了工作效率。露天矿现场扫描及采剥量计算过程如下：

1)制定无人机飞行计划

本文选择德国天狼星无人机进行现场飞行，无人机配套的MAVinci Desktop软件内嵌面向全球的影像服务，浏览目标测区时，软件将自动下载测区影像。用户在影像上点击任意添加角点，即可定义飞行范围。输入地面采样距离GSD一项参数，其它由MAVinci Desktop完成。而针对露天矿高差可能达几百米的环境，传统的固定航高飞行计划存在诸多问题。在地形起伏区域，预先设计的地面采样距离和重叠度将发生变化，这将对成果精度造成严重影响，甚至影响到正射影像能否完成镶嵌。为了获取2～5 cm更高分辨率的成果，对应的飞行的高度只有100～200 m，无人机的飞行安全也难以保障(图1)。

图1 自动适应地形起伏

MAVinci Desktop软件将自动考虑地形变化，生成的飞行计划根据地形变化自动调整航高，确保设计的地面采样距离GSD和重叠度保持不变，同时也保障了飞行安全。

2)手抛式的起飞

现场飞行采用全自动的手抛起飞模式，不需要使用发射架、弹力绳、人员助跑等任何其他辅助措施即可完成起飞。手持天狼星，开启引擎后，无人机即可起飞升空。起飞后提供全自动、全手动和自动驾驶辅助3种着陆控制模式。全自动模式下不需要任何的人工干预，无人机将按照指定的位置和着陆方向完成着陆。全手动模式下操控手拥有对无人机完整的控制，基于操控手的经验和判断，可以充分抵御自然环境以及障碍物的影响，在复杂环境下完成着陆。而自动驾驶辅助模式则是介于全自动和全手动之间的状态，这种模式下，无人机的姿态稳定交由自动驾驶模块控制，操控手只需要通过上下左右4个方向来控制无人机飞行，这样既实现了对无人机的完整控制，又降低了对操控手的要求(图2)。

图2 手抛式起飞

3)露天矿采剥量计算结果

使用天狼星无人机对露天矿山1 km2地形进行扫描，耗时30 min，为了计算露天矿山的开挖方量，本文选择无人机配套软件对航拍航影像数据进行处理并生成三维地表模型，对地形数据进行数据处理，以高程为0值的地表为参考面，计算第一次飞行数据和第二次飞行数据的体积总量，两次飞行数据相减计算开挖量，挖方为：93915.33 m3，填方为153.26 m3，如图3所示。

图3 计算开挖方量

3 采场扫描及出矿量计算

1)现场扫描

本文选择某矿山4650中段1#空区、2#空区、3#空区、4#空区、5#空区进行现场扫描。选择好扫描地点后，对BLSS-PE矿用三维激光扫描测量系统的扫描主机进行现场组装，利用钛合金延长杆输送扫描主机探入到空区内部进行现场扫描。图4为现场组装的情况。

2)空区现场三维激光扫描

完成设备组装后，通过BLSS-PE矿用三维激光扫描测量系统配套扫描软件配置扫描参数，包括扫描方式、扫描分辨率等信息，设置完扫描参数后，扫描软件将自动连接扫描主机并对空区进行实时扫描，直到完成空区现场数据采集工作，空区具体扫描结果如图5所示。

3)空区出矿量计算

通过对4650中段各空区点云数据处理后，可以利用三维激光扫描仪配套软件对各个空区参数进行定量计算，空区参数计算结果见表1。

图4 安装固定式三维激光扫描仪

图5 空区点云数据

表1 4650中段空区参数表

4 井巷工程扫描及掘进量计算

手持式三维激光扫描仪是一套独立的、轻重量的和低成本的实时定位与3D场景重构设备，其集成了先进的3D激光雷达和高精度的IMU(惯性测量单元)，并配合实时三维激光SLAM算法，无需GPS等外界辅助定位，即可实时输出周围空间三维点云及设备位置姿态等数据。手持式三维激光扫描仪轻巧、便携的特点使其在使用方式上具有无可比拟的优势。

1)现场扫描

由于手持式三维激光扫描仪组装方便、边走边扫描的特点，现场直接携带设备前往某矿山地下巷道进行扫描，耗时10 min完成了长约400 m的巷道扫描，扫描过程可实时获取扫描的数据(图6)。

2)扫描结果

使用手持式三维激光扫描仪快速获取巷道的三维点云数据，点云数据非常真实地反应了巷道的真实形态，在点云数据基础上三维重建快速获取巷道三维实体模型，在三维模型实体基础上可整体计算巷道体积，同时可分段计算巷道体积用于巷道快速掘进验收(图7、图8)。

图6 手持式三维激光扫描仪现场扫描

图7 巷道点云数据

图8 部分巷道模型体积

5 结论

矿山采掘(剥)量验收是用来衡量采掘(剥)作业效果的一个非常重要的指标。本文采用了目前主流的测绘产品，包括无人机、固定式三维激光扫描仪、手持式三维激光扫描仪对矿山进行全面的扫描和采掘量验收，测量时间短、测量精度高，设备操作简单、降低了测绘人员现场工作难度，因此采用无人机、固定三维激光式扫描仪、手持式三维激光扫描仪的综合验收方法值得向矿山进一步推广。