黃　彬，張　誠(chéng)，陳尚波

(1.贛州稀土礦業(yè)有限公司，　江西 贛州市　341000；2.江西信德安全檢測(cè)檢驗(yàn)有限公司，　江西 南昌　330001)

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基于C-ALS采空區(qū)探測(cè)及三維建模技術(shù)研究

黃彬1，張誠(chéng)1，陳尚波2

(1.贛州稀土礦業(yè)有限公司，江西 贛州市341000；2.江西信德安全檢測(cè)檢驗(yàn)有限公司，江西 南昌330001)

摘要：由于傳統(tǒng)的采空區(qū)探測(cè)方法只能局限于二維探測(cè)，難以精確獲得采空區(qū)的三維空間形態(tài).運(yùn)用C-ALS空區(qū)精密探測(cè)系統(tǒng)對(duì)某礦采空區(qū)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)探測(cè),在此基礎(chǔ)上，用Surpac三維建模軟件構(gòu)建采空區(qū)的三維可視化模型，準(zhǔn)確得到該采空區(qū)的三維空間信息，精確計(jì)算出該空區(qū)的體積和暴露面積，為礦山技術(shù)人員對(duì)空區(qū)的后續(xù)分析和處理提供了可靠的理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：激光掃描系統(tǒng)；采空區(qū)；三維可視化；Surpac

0引言

采空區(qū)是采礦工程主要的災(zāi)害形式之一，其嚴(yán)重威脅礦區(qū)人員生命財(cái)產(chǎn)安全。大量采空區(qū)的存在，使得礦產(chǎn)資源開(kāi)采條件惡化，導(dǎo)致礦柱變形破壞，相鄰工作區(qū)采場(chǎng)和巷道維護(hù)困難；更嚴(yán)重的可能會(huì)導(dǎo)致地下大面積冒落、巖層移動(dòng)和地表沉陷，造成嚴(yán)重的人員傷亡和設(shè)備損壞，因此，如何準(zhǔn)確獲取采空區(qū)的賦存情況、空間形態(tài)特征和冒落狀況等，一直都是困擾礦山技術(shù)人員進(jìn)行空區(qū)安全管理及合理確定采空區(qū)處理方法的關(guān)鍵問(wèn)題[1-3]。

采空區(qū)三維激光掃描系統(tǒng)(C-ALS)具有全自動(dòng)掃描、操作方便、數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，同時(shí)探測(cè)人員無(wú)須進(jìn)入空區(qū)。本文采用C-ALS 三維激光空區(qū)探測(cè)技術(shù)對(duì)陜西某采空區(qū)進(jìn)行精密探測(cè)，在此基礎(chǔ)上，借助大型礦床建模軟件Surpac建立三維可視化空區(qū)模型，得到了空區(qū)的三維空間形態(tài)、空間位置，精確計(jì)算出空區(qū)體積，為礦山技術(shù)人員對(duì)空區(qū)的安全管理和控制提供了有效參考[4-7]。

1C-ALS工作原理及空區(qū)實(shí)體建模

1.1C-ALS工作原理及過(guò)程

C-ALS系統(tǒng)的基本構(gòu)成包括激光掃描頭、電源、Boretrak探桿、數(shù)據(jù)接收器及數(shù)據(jù)處理軟件，主要是在掃描頭上配置一個(gè)集成激光測(cè)距儀，采用激光測(cè)距的原理，利用發(fā)射和接受激光脈沖信號(hào)的時(shí)間差實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)物體的距離測(cè)量，只要測(cè)出激光脈沖發(fā)射和接受信號(hào)所用的往返時(shí)間，即可自動(dòng)計(jì)算出距離，空區(qū)探測(cè)步驟如下。

(1) 將C-ALS激光掃描頭組裝、連接并固定探桿;

(2) 借助計(jì)算機(jī)控制器初始化掃描頭，并設(shè)置掃描參數(shù)，包括探測(cè)數(shù)據(jù)文件名稱(chēng)和掃描精度等;

(3) 掃描頭的水平位置歸零并開(kāi)始掃描，該掃描系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)將掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給計(jì)算機(jī)控制器，方便技術(shù)人員立即對(duì)探測(cè)的效果進(jìn)行查看;

(4) 掃描完一周后，探頭會(huì)按照預(yù)設(shè)的參數(shù)旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度(通常為1°～3°)進(jìn)行下一次掃描，直至掃描過(guò)程結(jié)束，計(jì)算機(jī)控制器會(huì)自動(dòng)將探測(cè)數(shù)據(jù)保存;

(5) 將探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與計(jì)算。

1.2采空區(qū)實(shí)體建模

采空區(qū)現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)主要保存空區(qū)壁與探測(cè)點(diǎn)的角度和距離，因此在使用數(shù)據(jù)前，需要對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，用C-ALS自帶的處理軟件Cavityscan將“.MDL”原始探測(cè)數(shù)據(jù)文件初步處理后轉(zhuǎn)換為“.DXF”格式文件，運(yùn)用大型礦山建模軟件Surpac生成空區(qū)實(shí)體模型。

2工程應(yīng)用

某金礦5#礦體經(jīng)前期開(kāi)采，在69線～73線之間存在一長(zhǎng)度約100 m，垂直高度約100 m，寬度約20～40 m的大采空區(qū)。該大采空區(qū)涉及的中段包括1520～1600 m中段，地壓顯現(xiàn)明顯，其中71線～73線之間部分空區(qū)已塌陷至地表。為全面了解該大采空區(qū)體積、形狀及其所處空間位置，采用C-ALS三維探測(cè)系統(tǒng)，對(duì)該大空區(qū)進(jìn)行了掃描，輔以Surpac軟件建立了該大采空區(qū)的三維實(shí)體模型，計(jì)算得出該采空區(qū)的體積，為后期處理空區(qū)提供科學(xué)依據(jù)，并提高技術(shù)人員和設(shè)備的安全性。

2.1采空區(qū)C-ALS現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)

(1) 設(shè)備架設(shè)：根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，將探桿水平放置緩慢伸入空區(qū)，為了避免出現(xiàn)盲區(qū)和保證探測(cè)效果，設(shè)計(jì)了3根2 m長(zhǎng)的加長(zhǎng)桿，探測(cè)時(shí)固定在連接桿上。

(2) 空區(qū)探測(cè)：設(shè)備安裝妥當(dāng)后，啟動(dòng)計(jì)算機(jī)控制器，設(shè)置掃描參數(shù)(本次角度設(shè)置為1°)，開(kāi)始探測(cè);

(3) 測(cè)定激光探頭坐標(biāo)及方位：通過(guò)測(cè)量出激光掃描頭上兩點(diǎn)坐標(biāo)并計(jì)算出該方位角，就能夠?qū)⒖諈^(qū)探測(cè)的數(shù)據(jù)用于礦區(qū)地質(zhì)坐標(biāo)系中，并可以精確每個(gè)掃描點(diǎn)的坐標(biāo)，本次探測(cè)坐標(biāo)見(jiàn)表1。

表1　測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)

(4) 多點(diǎn)探測(cè)：為消除探測(cè)盲區(qū)，每個(gè)空區(qū)選取至少兩個(gè)以上測(cè)點(diǎn)，探頭定位如圖1所示，分別對(duì)空區(qū)進(jìn)行探測(cè)，本次探測(cè)掃描總共布置了3個(gè)測(cè)點(diǎn)。

圖1　采空區(qū)現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)

2.2采空區(qū)三維模型可視化

通過(guò)掃描采空區(qū)，可以得到采空區(qū)原始形態(tài)數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入附帶軟件CavityScan中進(jìn)行前期處理，得到C-ALS探測(cè)掃描“點(diǎn)云”數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)導(dǎo)出為“.str”格式文件，在Surpac建模軟件中生成DTM三維模型?？諈^(qū)三維模型可視化過(guò)程見(jiàn)圖2。

其中，1#測(cè)點(diǎn)采空區(qū)掃描點(diǎn)241208個(gè)，經(jīng)濾點(diǎn)后220550個(gè)；最大長(zhǎng)度89.5 m；最大寬度36.3 m；最大高度87.4 m；空區(qū)體積90547 m3；空區(qū)不規(guī)則，呈“扇狀”。

2#測(cè)點(diǎn)空區(qū)掃描點(diǎn)295673個(gè)，經(jīng)濾點(diǎn)后271644個(gè)；最大長(zhǎng)度82.1 m；最大寬度28.8 m；最大高度73.7 m；空區(qū)體積87745 m3；空區(qū)不規(guī)則呈“錐形”。

圖2空區(qū)三維模型可視化

3#測(cè)點(diǎn)空區(qū)掃描點(diǎn)105542個(gè)，經(jīng)濾點(diǎn)后98540個(gè)；最大長(zhǎng)度61.2 m；最大寬度17.6 m；最大高度53.5 m；空區(qū)體積42683 m3；空區(qū)不規(guī)則，呈“碗型”。

通過(guò)對(duì)采空區(qū)的掃描，得到采空區(qū)的邊界與測(cè)點(diǎn)的角度和距離值，進(jìn)一步由每個(gè)測(cè)點(diǎn)繪制空區(qū)形態(tài)模型，并根據(jù)3個(gè)測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)，對(duì)3測(cè)點(diǎn)所得到的大采空區(qū)進(jìn)行耦合，得到大采空區(qū)三維模型(見(jiàn)圖3)。

準(zhǔn)確掌握采空區(qū)的體積大小可以為空區(qū)充填及安全管理控制等工作提供重要的依據(jù)。在空區(qū)三維實(shí)體模型耦合生成的基礎(chǔ)上，經(jīng)有效性驗(yàn)證，運(yùn)用Surpac軟件計(jì)算出空區(qū)體積、表面積及空區(qū)在X、Y、Z軸上的最大值與最小值，如表2所示。

空區(qū)暴露面積的大小直接關(guān)系到采空區(qū)的穩(wěn)定性.因此，準(zhǔn)確把握采空區(qū)暴露面積的大小對(duì)采空區(qū)安全評(píng)價(jià)，特別是頂板及圍巖應(yīng)力分析有重要意義?；贑-ALS探測(cè)數(shù)據(jù)生成采空區(qū)三維模型，由軟件計(jì)算得出空區(qū)的暴露面積，根據(jù)采空區(qū)傾角與平面平均尺寸得到頂板暴露面積[11-15]。

體積/m3暴露面積/m2頂板面積/m2X最大/mX最小/m110797189473972702355.329702264.278Y最大/mY最小/mZ最大/mZ最小/m49208.47249124.8481629.2111539.066

3結(jié)論

(1) 介紹了C-ALS空區(qū)探測(cè)系統(tǒng)的基本原理及采空區(qū)三維實(shí)體建模的方法，并完成對(duì)該礦山某采空區(qū)的探測(cè)工作，準(zhǔn)確獲得了該空區(qū)形態(tài)，借助Surpac軟件建立了空區(qū)三維實(shí)體模型，實(shí)踐表明，C-ALS系統(tǒng)是開(kāi)展采空區(qū)精密探測(cè)研究的有效手段。

(2) 通過(guò)對(duì)采空區(qū)的探測(cè)，可以準(zhǔn)確地確定采空區(qū)的三維信息，對(duì)空區(qū)進(jìn)行定量和定性，為后期空區(qū)的治理提供科學(xué)、可靠地依據(jù)。

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