梅山铁矿深井筒断面测量方法探讨与实施

2021-12-17钱小峰

现代矿业 2021年11期

钱小峰

（南京宝地梅山产城发展有限公司矿业分公司）

梅山铁矿作为国内具有代表性的地下矿山，采用的无底柱分段崩落法［1］采矿，在较长一段时间内促进了国内地下矿山技术的进步。随着开采深度的逐步加深，矿山地质结构变化愈发剧烈，从而造成了井下巷道等各类掘进结构稳定性变差，其中包括需要存续较长时间的各类深井筒。这些井筒的超时使用，均有不同程度的损坏，特别是深溜井的垮塌、冒落情况尤其明显［2］。在此情况下，就需要对其现状做好测定，确定其结构问题并加以维修。

1 常用断面测量方法

深井筒深达百米的竖直结构特点决定了人员直接进入其中不具备可行性，因而长期以来不需要维修的深井筒均无法进行结构探测，只有需要进行维修的深井筒，在其中安装了维护用的吊盘后，矿山测量人员才能够进入并进行结构探测。

1.1 断面测量

受制于深井筒直径一般不超过3 m的狭窄结构，常用的全站仪等仪器在其中无法发挥作用，常规测量方法是通过在井筒上部安装吊盘后，人员和简易测量工具如钢尺、测距仪等随着吊盘上下，每隔一定距离观测井筒的断面情况。

首先将长钢尺固定于吊盘顶部，随着吊盘的逐步下降而下放，到达设定的整数米（每5 m1次）后，固定吊盘，测量人员以吊盘中心为基准，按照设定的角度，使用激光测距仪测量吊盘中心至深井筒壁的距离并记录数据；自井筒顶部至底部按照顺序测量后提升吊盘，完成测量。

1.2 数据处理与成图

本方法测量数据简单，仅测量井筒深度和该深度对应的断面半径值，因而仅需将长钢尺对应的读数与井筒所在实际深度值进行对照，再将每个断面半径所在的角度换算为对应的方位值即可（表1），在此基础上将井筒的断面使用CAD制图。

从表1中可以看出，每个断面共测量8个尺寸后通过CAD成图，可直观反映实测井筒断面形状。

1.3 精度评价

该方法使用常见的钢尺与测距仪为测量仪器，观测条件为稳定性较差的吊盘，其精度情况主要从3个方面体现：一是深度误差，其读数为读取的悬挂于吊盘顶部的长钢尺；二是测量断面半径时对应的方位角误差，其读数主要靠吊盘内的人员按照经验判断；三是测量的井筒半径误差，来自于测距仪测量。可以直观地看出，受制于观测条件和人员主观因素，这3个方面的误差及其范围已超出误差评定的范畴，可以定义为粗差，仅可作为简单地定性判断井筒现状的依据。

2 基于三维扫描技术的深井筒测量

常规的断面测量方法优点：一是测量方法简单，二是数据结果直观可见。但其缺点也是显而易见的：一是成本高，需要安装专门的吊盘配合，特别是对于矿山等有较大数量深井筒来说，需要较高的安装成本；二是效率低，安装调试和断面测量过程需要耗费较长时间，影响井筒的使用；三是安全性差，多数井筒内都均有装配物或垮塌风险，人员进入易发生自坠或落物砸伤风险；四是断面结构获取精度低，主要因为受限于狭窄空间、吊盘的不稳定及上下垂直结构的特点，数据的连续性和定位精准性都受到限制。

近年来，逐渐兴起的三维激光扫描技术能够通过非接触式的测量，对激光发散范围内的物体进行连续测量［3］，深井筒测量应用该技术可以很好地解决上述全部问题。

2.1 方案研究与实施

梅山铁矿在2020年引进了Geoslam三维激光扫描仪［4］，其性能优良，数据稳定性好，在常规巷道测量中已经投入使用，但是如何将仪器置入深井筒，同时价值不菲的三维激光扫描仪如何避免在井筒内遭受撞击破坏一直难以得到解决。

经过实地对各类井筒现状的对比，制作了专用的激光扫描仪保护装置以及井筒操控装置，其中保护装置能够隔绝三维激光扫描仪与外部的接触，避免磕碰和井筒内溅水的影响，操控装置可实现扫描仪进出井筒，二者组合后（图1）即可实现对井筒的三维扫描测量。

实际操作中，首先需要使用该装置对井筒深度进行探查，做好标记后再将三维激光扫描仪连接防转栓开机后缓慢下放至井筒，扫描过程中需确保速度均衡，扫描完成提升至井口后，为确保数据完整性，需要对井口位置一定范围内的巷道进行数据采集，便于后期进行坐标定位。

2.2 数据处理与成图

Geoslam三维激光扫描仪可实现每秒30万点的数据采集，因而数据的处理完全依赖专用的数据处理软件，梅山铁矿使用RealWorks软件，可实现对采集的点云数据全自动处理，处理后的数据可进行直观的断面探查，包括各类实测数据，如深度、宽度、垮冒情况的观察等。

目前梅山铁矿已经应用三维激光扫描仪完成了井下多个溜井及风井的断面测量，在实测模型的基础上可以进行直观的各类观测和测量。

（1）6-2溜井348～420 m分层模型见图2，可直观地看到整个溜井形态并进行数据分析。

（2）258 m分层转接风井实测模型见图3，可观察堵塞点位置和堵塞情况。

（3）在5-3溜井实测模型上，可按照特定需要切制剖面模型（图4）、计算堵塞体以上溜井容积（图5）。

（4）在5-2溜井实测模型切制断面（图6）进行垮塌情况分析。

2.3 精度评价

手持式三维激光扫描仪使用便捷，其标称精度为±5 cm，实际使用中其精度随着测量距离的增大而逐步降低［5］，在平巷测量时，200 m以内精度优于标称精度，而达到500 m以上精度衰减较大。百米左右的竖井深度绝对距离短，一般实测距离在百米以内，因而精度的递减情况较弱，可认为其误差范围控制在仪器自身标称的±5 cm以内。