基于激光扫描技术的溜井垮塌探测及安全措施研究

王世松

（安徽马钢罗河矿业有限责任公司）

主溜井是地下矿山生产的重要工程，肩负着矿、岩存储和转运的重任，溜井能否正常运行直接影响矿山的安全高效生产［1］。铜绿山铜矿溜井在放矿时受到矿石冲击与磨损，使用过程中多次发生片帮导致卸矿巷道破坏［2］；大红山铜矿主溜井在使用中出现大面积垮塌、片帮［3］。一旦溜井发生坍塌，会对井下工作人员、生产设备造成巨大的危害，给矿山企业带来难以估量的经济损失。针对该类问题，掌握溜井的变形垮落情况至关重要。本文以罗河铁矿主溜井为研究对象，探索溜井空间的探测方法，并提出应对措施。

1 溜井探测技术方案

传统的地下矿山垮塌区探测方法是地震勘探影像法，其通过地震波在不同介质中传播的速度和反射、折射的规律来确定垮塌区的大致位置和范围。另一种方法是重力勘探法，利用地球的重力场变化检测地下垮塌区的存在。此外，还可以使用电磁法、地电法、地磁法等非侵入性勘探技术进行地下矿山垮塌区的探测。但由于地下岩体、岩性、结构面的复杂性，以及地下水的影响，导致探测精度不够精确，难以对垮塌区域稳定性进行有效、准确分析与评估，从而规避矿山生产开采中的安全隐患。

近年来，基于三维激光扫描的探测技术在矿山地形地质、井下测量、变形监测等方面得到良好的发展与应用［4-6］。三维激光扫描技术又被称为实景复制技术，它突破了传统的单点测量方法，能够在计算机内以点云形式1∶1呈现所扫描的物体及场景，具有高效率、高精度、自动化的独特优势。通过利用三维激光扫描技术扫描物体表面的三维点云数据，获取高精度、高分辨率的数字地形模型，能够有效测量出垮塌区域内部的具体形态，在此基础上，能确定垮塌区域的具体位置和严重程度，分析评价出垮塌后的风险隐患。

BLSS-PE空区探测系统是一种非接触测量系统，专门应用于地下工程的三维空间形态获取与分析，该系统包含2 个部分。首先是BLSS-PE 三维激光扫描仪，它具备数据采集、供电通讯和操作控，3个模块，能够实现待测空间三维形态的快速采集和实时动态观察。该激光扫描仪采用先进的激光技术，能够高效地获取地下工程的空间数据。其次，系统还配备了专业化的面向点云的智能采矿设计与分析软件平台，能够实现扫描空间三维模型的快速重建和深入分析。该软件平台结合了点云处理算法和智能化的采矿设计功能，可以为地下工程提供全面的数据支持和智能化的设计方案。通过BLSS-PE空区探测系统，地下工程的空间形态获取和分析将更加高效、准确。

2 罗河铁矿溜井三维激光扫描

2.1 地下溜井空区介绍

罗河铁矿位于安徽省庐江县城以南方向35 km处，矿区面积4.4 km2，铁矿石储量5.06 亿t，平均TFe品位34.8%，属于特大型地下矿山。其中，-560 m 水平矿石溜井是主要的放矿溜井，井筒标高从-560 m水平降至-640 m 水平，高度为80 m，直径为5.64 m，井筒上部从东往西铺设铁轨进车卸矿。该溜井于2012 年9 月20 日投入使用，服务年限超过10 a，承担较大的放矿任务。由于长期卸矿对井壁冲击、矿石挤压，造成锰钢板掉落，溜井井壁存在局部的冒顶、垮落现象，溜井中段空区暴露面积过大。为了避免发生较大的溜井垮塌事故，影响后期生产，利用BLSS-PE 井下空区三维激光扫描系统进行空区全面扫描探测，获取溜井垮塌区域三维空间信息，确定溜井井壁垮落情况，为矿山安全生产提供参考。

2.2 溜井扫描探测方案

根据-560 m 水平溜井现场实际情况，本次溜井探测采用吊笼固定扫描仪自下往上进行扫描，具体流程如下：

（1）首先吊笼空置从上部向底部下放一次，等下放至底部，钢丝绳没有拉力的情况下，在绞车钢丝绳上做好记号，用作下一次下放吊笼深度的参照，吊笼上固定强光电筒用于查看吊笼是否发生自转，如吊笼旋转，要进行调整，确保吊笼不发生旋转。

（2）工作人员负责利用铁矿卸矿站现有检修绞车、吊笼在-560 m 水平卸矿站搭建检测平台，用于固定扫描仪；在吊笼2个方向（平行卸矿站的进车、出车方向）的两边固定测绳，要绑扎牢固，扫描仪固定在吊笼中心位置随着吊笼同时下放。

（3）井筒料位深度总长80 m，根据主溜井的结构，估计吊笼下放至深度35 m 就能满足扫描仪能扫描到料位以上的空区数据。首先开动绞车将吊笼自-560 m 水平下放至深约35 m 的位置，用激光测距仪实测深度，并实时查看扫描数据是否可靠，然后缓慢提升吊笼，向上一直进行扫描工作至-560 m 水平，对-560 m 水平巷道、控制点开展扫描工作，直至溜井的扫描工作完成。

3 激光扫描数据处理及分析

3.1 空区扫描三维建模

根据扫描所得到的三维点云数据，经过处理去除噪声点、杂点后，利用BLSS-PE 三维建模软件构建主溜井实体模型（图1）。

3.2 矿山空区模拟分析

根据三维扫描数据利用FLAC3D建立数值计算简化模型，模型尺寸长150 m、宽25 m、高250 m，从溜井到岩体模型外部设置合理的网格过渡，在计算模型中共生成23 164个节点、29 700个单元。

通过查阅罗河铁矿的地质资料对模型赋予相应的岩石力学参数（表1），在模型顶端赋予溜井所在标高的岩体自重应力与水平应力，得到原岩应力初始平衡状态，然后模拟溜井所处的受力与变形状态，得到溜井岩壁的应力场和位移场。选取东西方向剖面和南北方向剖面应力场和位移场进行说明分析。

东西方向剖面和南北方向剖面应力场和位移场分别见图2、图3。可以看出，溜井周围的岩体主要存在拉应力分布，特别是在斜溜槽下方到溜井底部区域较为突出，最大将近10 MPa。而溜井井壁则受到压应力影响，最大约为2.3 MPa。若溜井需要大量放矿，受到矿石的冲击摩擦，容易造成井壁围岩的张拉破坏。主溜井井壁位移变化较大，特别是斜溜槽底部区域，最大变形量为9 cm，其余井壁也都在6 cm 以上，整个主溜井变形较为明显，需要对井壁加强监测，防止发生垮塌事故。

3.3 矿山空区大小分析

运用三维建模软件对模型进行剖切，选取部分溜井垮落剖面图进行分析（图4、图5）。从东西方向垂直剖面可以看出，溜井从-572 m 水平开始逐渐变大，井壁东边垮落尤为严重，宽度最大可达8.96 m，西边井壁宽度在-598 m 水平处扩大了3.37 m。其中，-587 m 水平到-598 m 水平井壁东面受矿石主要冲击影响垮落宽度达8 m 以上，-598 m 水平到-612 m 水平井壁东面垮落宽度从8.78 m 减少至6.97 m，到-628 m 水平井壁东面垮落宽度减少至3.88 m。从南北方向垂直剖面可以看出，溜井从斜溜槽下端开始变大，溜井井壁南边从-580 m 水平发生垮落，最大宽度可达6.41 m，在-598 m 垮落趋势向北边偏移，北边井壁在-612 m 水平处垮落宽度达到最大，扩大至4.12 m，主溜井整体发生严重垮落。

3.4 溜井空区安全分析

根据溜井三维扫描模型与剖面图可知，溜井受到长期放矿的冲击使井筒断面扩大，发生严重的变形垮落。井壁从-572 m 到-630 m 水平发生严重垮塌，其中-578 m 与-598 m 水平垮落面积最大，-612 m与-628 m 水平垮落面积次之，溜井垮落量为5 196.24 m3。从主溜井垂直剖面看，溜井垮落段受到卸矿滚落撞击的影响，东西方向垮塌极为严重，而南北方向垮塌相对均匀，主溜井所处位置存在较大的安全隐患。若垮塌区域进一步扩大后，会导致溜井上方卸矿站面临下部区域承重能力下降，随着卸矿的堆积，溜井可能发生整体塌陷事故。

4 地下矿山空区安全措施治理方案

根据三维激光扫描模型分析结果来看，主溜井主要由于放矿产生的冲击载荷而发生磨损、垮落，为防止溜井进一步发生事故，需要对溜井采取一定的安全措施进行治理，具体的治理方案如下：

（1）主溜井垮落处回填支护。主溜井采用普通矿渣425#水泥，浇灌C25混凝土对溜井中段垮落处进行回填密实。回填过程中应设立监测设备，确保回填质量。

（2）溜井锁口安装格筛。为保护溜井下口振动放矿闸门和溜井本身的安全，防止大块矿石冲击井壁，避免在闸门口破碎大块，溜井口必须使用高标号混凝土进行锁口并安装格筛，即使溜井周围的岩石特性较好，也可采取该项措施防止大块矿石进入溜井冲击岩壁，堵塞井口。

（3）建立混凝土挡墙。为保证铲运机出矿的安全，避免其连人带车坠入溜井，在联络道与溜井的连接处，沿溜井的边缘设置高300 mm、厚300 mm 的混凝土挡墙，混凝土标号不低于C15。

（4）溜井使用管理。应加强溜井管理，保持其畅通，减少破坏以延长其使用寿命。在出矿过程中，应经常检查各格筛组件是否松脱，发现问题时及时修理，以防格筛或其组件掉入井内。生产溜井必须保持满井状态，上部空井段高度不得超过10 m，并使井中矿石经常处于流动状态，24 h 内必须放矿一次，以免因压实结块而引起阻塞。暂时不用的溜井必须放空，只保留4～5 m 的缓冲垫层，以保护放矿闸门。溜井口处必须有悬挂安全带的装置，以保证在格筛上处理大块人员的安全。同时必须安装红灯和简易栅栏门以警示溜井的位置，防止人员不慎坠井。

5 结论

（1）采用BLSS-PE 空区探测系统对罗河铁矿-560 m 水平主溜井开展了现场探测，获取垮塌溜井详细的点云数据，建立了主溜井垮的三维实体模型，从而得到主溜井的破坏形态、垮塌体积、垮塌范围等三维信息。该技术方案通过结合先进的激光扫描和数据处理功能，实现对地下矿山复杂环境探测，为矿山安全管理提供了精确、快速的空区探测手段。

（2）基于激光扫描所获得的垮塌溜井三维模型简化进行FLAC3D有限元模拟，由计算结果可知溜井周围的岩体主要存在拉应力分布，特别是在斜溜槽下方到溜井底部区域存在应力集中现象，最大将近10 MPa，位移变形明显。

（3）通过对主溜井各剖面图分析，得出溜井空区-572～-630 m 水平为严重的变形垮落段，受到矿石的冲击发生垮塌，垮落量达5 196.24 m3，因而存在严重的安全隐患，需要及时进行修复治理。

（4）针对主溜井的变形垮落情况，从主溜井垮落处回填支护、溜井锁口安装格筛、建立混凝土挡墙、溜井使用管理4个方面提出溜井安全治理措施，为后续矿山的安全生产提供保障。