基于三维激光扫描的溜井测量与分析

2020-06-07朱青凌

有色金属（矿山部分） 2020年3期

文兴，朱青凌

(1.长沙矿山研究院有限责任公司，长沙 410012；2.金属矿山安全技术国家重点实验室，长沙 410012)

溜井是地下矿山溜破系统重要组成部分，是利用自重从上往下溜放矿石或废石的通道，主要功能是负责集贮和转运井下开采矿岩，在地下固体矿山广泛使用[1]。

矿山正常生产过程中，频繁往溜井倒入和放出矿石或废石，溜井井壁受到矿岩的冲刷和碰撞冲击作用，常会出现磨损甚至破坏，当局部破坏发展到一定程度，就有可能威胁到整个溜破系统安全，甚至殃及相邻井筒和巷道，影响矿山安全生产[2]。

为了确保溜井的安全使用，需要定期对溜井进行探测和测量，评估溜井的安全状况。但由于溜井构造的特殊性，处于安全考虑，一般不允许人员直接进入溜井内部了解情况，采用传统测量方式也无法准确获得内部数据。因此，溜井测量宜采用连续、自动、精确的非接触式测量设备，且能实现三维可视化。

1 工程背景与测量方法

1.1 工程背景

某地下铜矿采用斜坡道+竖井开拓，大直径深孔采矿嗣后充填采矿法开采，设计原矿生产能力为0.5万t/d，目前已开拓形成0、-50、-100 m三个中段。

2号溜井为主矿石溜井，位于斜坡道附近，标高为0 ～-150 m。在0、-50、-100 m中段内各设卸矿硐室。溜井为圆形断面，主井筒净直径3.5 m，-120 m以下部分为储矿段，直径5 m。溜井井口段25.0 m内采用整体混凝土支护，厚度500 mm。溜矿段采用喷射混凝土支护，厚度100 mm。矿仓部位，为防止矿石的冲击和磨损，在矿仓下部12 m高度范围内采用钢轨加固。装矿硐室以砼整体支护为主，支护厚度400 mm，混凝土强度为C25。

2号溜井于2015年建成并投入使用，至2018年6月，已正常使用3年，累计总放矿量约300万t。溜井使用过程中，矿山根据溜井的储矿量、矿石块度等判断，自2017年6月开始，2号矿石溜井发生过几次不同程度的垮冒现象。为了准确掌握2号溜井井筒断面形状，评估井筒垮塌程度，需要开展精确测量工作，分析和评估溜井垮塌情况，为溜井运行维护、使用管理和安全治理提供基础数据和科学依据。

1.2 测量方法

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”[3-4]。三维激光扫描仪采用高速激光的非接触式测量方法，能在复杂场地和有限空间对被测目标进行快速准确的扫描和测量，获得海量点云数据[5-6]。点云数据经过处理，可建立三维实体模型展示溜井现状情况，能为溜井安全稳定状况评估和后期治理提供基础数据和科学依据。

C-ALS扫描系统为英国MDL公司开发的一款微型耐用的3D激光扫描系统，能对地下空穴和空腔安全、快速、精确地进行扫描[7]。仪器探头呈杆状，直径为50 mm，可以通过钻孔，用折叠杆将探头送放至难以接近的采空区、溶洞以及任何空腔内进行扫描。C-ALS采用马达驱动双轴扫描探头，实现在水平方向和垂直方向做360°球形扫描，一次扫描可覆盖整个空穴，最大扫描距离达150 m。C-ALS探头集成了转动、倾斜、内置罗盘等多个传感器，激光扫描点云数据定向和定位准确性高。系统扫描方法和原理如图1所示。

图1 C-ALS扫描原理示意图Fig.1 The diagram of C-ALS scanning principle

2 溜井现场扫描测量

2.1 现场扫描测量过程

2号溜井总长度为150 m，在-50、-100和-150 m三个中段设有卸矿斜溜槽。考虑到测量人员和扫描设备安全以及取得良好的探测效果，扫描探测工作分两阶段进行。

第一阶段完成0～-100 m中段溜井扫描工作，利用0 m中段2号溜井顶部导向孔(孔径约250 mm)下放设备进行扫描，然后通过折叠连接杆不断下降，进行分段采集溜井数据，共进行14次测量，取得了完整和丰富的点云数据。

第二阶段完成-100～-150 m中段溜井扫描工作，需要在-100 m溜井格筛上安装工作平台，在斜溜槽内安装导向管，内径136 mm，长度18 m，导向管上部固定在溜井格筛上，通过导向管下放扫描探头至溜井内进行扫描探测，最后对-100 m中段放矿斜溜槽进行扫描，取得了完整和丰富的点云数据。C-ALS测试过程如图2所示。

图2 C-ALS测试过程示意图Fig.2 The diagram of C-ALS test process

2.2 点云数据

三维激光扫描的点密度达厘米级，能最大限度地展现溜井现状，能为溜井安全评估和治理提供精确的基础测量数据[8]。对2号溜井进行现场扫描后，采用Cavity Scan专业软件对原始点云数据进行坐标赋值，编辑并生成点云图，如图3～5所示。

图3 2号溜井0～100 m标高扫描点云数据图Fig.3 The scanning point cloud data of 0-100 m elevation on No.2 slip well

图4 2号溜井-100～-150 m标高扫描点云数据图Fig.4 The diagram of scanning point cloud data of -100--150 m elevation on No.2 slip well

图5 2号溜井-100 m斜溜槽扫描点云数据图Fig.5 The diagram of scanning point cloud data of -100 m inclined chute on No.2 slip well

3 数据处理与分析应用

3.1 数据处理与实体建模

Cavity Scan软件为C-ALS三维激光扫描系统的配套专业软件，其通用性较差，扫描结果不方便随意查看和操作，同时其三维显示为点云数据、线或者三角网显示，没有三维实体显示，不能直观反映出溜井的空间信息[9]。通过Cavity Scan软件对点云数据进行数据处理，将点云数据转变为Surpac软件能够支持的水平线文件，对2号溜井的两段扫描结果进行组合，生成密集的水平线文件，再采用Surpac软件进行三维实体建模[10]。

Surpac是一款全面集成的三维数字化矿业软件，在国内外广泛使用。采用Surpac软件建立的溜井三维实体模型，其模型可以进行直观的空间关系显示以及相应的操作，为溜井现状分析提供基础数据，其转化文件和三维实体模型如图6和图7所示。

图6 Cavity Scan文件转Surpac线文件Fig.6 The file on Surpac line transformed by Cavity Scan file

图7 2号溜井Surpac三维实体模型Fig.7 The Surpac 3D solid model on No.2 slip well

3.2 溜井与其他工程空间关系分析

溜井失稳或垮塌会威胁到周边工程的安全，采用Surpac软件建立溜井与周边工程三维可视化模型，分析溜井与周围工程的空间距离和方位关系，评估溜井对周围工程的危害，如图8所示。

图8 实测2号溜井与其他工程位置关系图Fig.8 The measured location relationship between No.2 slip well and other projects

从模型空间关系得出，1号溜井位于2号溜井北偏东78°方向，井筒中心距离为20 m，2号溜井垮塌位置主要集中在-113 m标高处，垮塌方位为225°，为-100 m中段斜溜槽正对面，朝远离1号溜井方向发展；扫描探测未见1号和2号溜井出现贯通现象，2号溜井垮塌边界距离1号溜井设计井筒壁的最小距离为10.85 m，因此2号溜井的垮塌对1#溜井暂时不会造成安全影响。

3.3 平剖面输出与破坏特征分析

根据建立的2号溜井实测模型，输出典型剖面图和水平断面图，如图9和图10所示。通过对2号溜井实测模型进行剖面和平面的分析，得出一系列2号溜井实测模型的空间信息和参数，对数据信息进行汇总和做图，如图9～11、表1所示。

图9 2号溜井中心线剖面图Fig.9 The sectional view of centerline on No.2 slip well

从2号溜井中心线剖面图和水平断面图可以得出：0～-100 m段井筒壁整体完整性较好，在-43～-49 m标高处有局部垮塌现象。最大垮塌位置在-47 m标高处，最大垮塌尺寸3.6 m，实测井筒断面等效直径9.6 m，实测井筒断面积72.50 m2，最大垮塌尺寸为原设计井筒直径的0.9倍，垮塌区域高程范围不大，且是沿井筒四周较均匀垮塌，井筒其他部位基本完整，因此，该段井筒稳定较好，不会对周边巷道和工程造成安全影响。-100～-150 m段井筒壁完整性较好，垮塌现象主要出现在-110～-130 m标高范围内，井壁扩刷面较均匀。最大垮塌位置在-126 m标高处，最大垮塌尺寸4.2 m，实测井筒断面等效直径8.8 m，实测井筒断面积60.26 m2，最大垮塌尺寸为原设计井筒直径的0.84倍，主要垮塌方位为斜溜槽正对面，其方位角约225°，为井筒壁整体刷大，井筒壁完整性较好。-110 m标高垮塌位置与-100 m中段尚有10 m以上的安全距离，因此暂不会对-100 m中段周边巷道和工程造成安全影响。