黃　彬，張　誠，陳尚波

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

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基于C-ALS采空區(qū)探測及三維建模技術研究

黃彬1，張誠1，陳尚波2

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

摘要：由于傳統(tǒng)的采空區(qū)探測方法只能局限于二維探測，難以精確獲得采空區(qū)的三維空間形態(tài).運用C-ALS空區(qū)精密探測系統(tǒng)對某礦采空區(qū)進行現(xiàn)場探測,在此基礎上，用Surpac三維建模軟件構建采空區(qū)的三維可視化模型，準確得到該采空區(qū)的三維空間信息，精確計算出該空區(qū)的體積和暴露面積，為礦山技術人員對空區(qū)的后續(xù)分析和處理提供了可靠的理論依據(jù)。

關鍵詞：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害形式之一，其嚴重威脅礦區(qū)人員生命財產安全。大量采空區(qū)的存在，使得礦產資源開采條件惡化，導致礦柱變形破壞，相鄰工作區(qū)采場和巷道維護困難；更嚴重的可能會導致地下大面積冒落、巖層移動和地表沉陷，造成嚴重的人員傷亡和設備損壞，因此，如何準確獲取采空區(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人員進行空區(qū)安全管理及合理確定采空區(qū)處理方法的關鍵問題[1-3]。

采空區(qū)三維激光掃描系統(tǒng)(C-ALS)具有全自動掃描、操作方便、數(shù)據(jù)處理簡單等特點，同時探測人員無須進入空區(qū)。本文采用C-ALS 三維激光空區(qū)探測技術對陜西某采空區(qū)進行精密探測，在此基礎上，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，精確計算出空區(qū)體積，為礦山技術人員對空區(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)實體建模

1.1C-ALS工作原理及過程

C-ALS系統(tǒng)的基本構成包括激光掃描頭、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集成激光測距儀，采用激光測距的原理，利用發(fā)射和接受激光脈沖信號的時間差實現(xiàn)對被測物體的距離測量，只要測出激光脈沖發(fā)射和接受信號所用的往返時間，即可自動計算出距離，空區(qū)探測步驟如下。

(1) 將C-ALS激光掃描頭組裝、連接并固定探桿;

(2) 借助計算機控制器初始化掃描頭，并設置掃描參數(shù)，包括探測數(shù)據(jù)文件名稱和掃描精度等;

(3) 掃描頭的水平位置歸零并開始掃描，該掃描系統(tǒng)會自動將掃描點云數(shù)據(jù)轉發(fā)給計算機控制器，方便技術人員立即對探測的效果進行查看;

(4) 掃描完一周后，探頭會按照預設的參數(shù)旋轉一個角度(通常為1°～3°)進行下一次掃描，直至掃描過程結束，計算機控制器會自動將探測數(shù)據(jù)保存;

(5) 將探測數(shù)據(jù)進行處理與計算。

1.2采空區(qū)實體建模

采空區(qū)現(xiàn)場探測主要保存空區(qū)壁與探測點的角度和距離，因此在使用數(shù)據(jù)前，需要對原始數(shù)據(jù)進行處理，用C-ALS自帶的處理軟件Cavityscan將“.MDL”原始探測數(shù)據(jù)文件初步處理后轉換為“.DXF”格式文件，運用大型礦山建模軟件Surpac生成空區(qū)實體模型。

2工程應用

某金礦5#礦體經前期開采，在69線～73線之間存在一長度約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三維探測系統(tǒng)，對該大空區(qū)進行了掃描，輔以Surpac軟件建立了該大采空區(qū)的三維實體模型，計算得出該采空區(qū)的體積，為后期處理空區(qū)提供科學依據(jù)，并提高技術人員和設備的安全性。

2.1采空區(qū)C-ALS現(xiàn)場探測

(1) 設備架設：根據(jù)現(xiàn)場情況，將探桿水平放置緩慢伸入空區(qū)，為了避免出現(xiàn)盲區(qū)和保證探測效果，設計了3根2 m長的加長桿，探測時固定在連接桿上。

(2) 空區(qū)探測：設備安裝妥當后，啟動計算機控制器，設置掃描參數(shù)(本次角度設置為1°)，開始探測;

(3) 測定激光探頭坐標及方位：通過測量出激光掃描頭上兩點坐標并計算出該方位角，就能夠將空區(qū)探測的數(shù)據(jù)用于礦區(qū)地質坐標系中，并可以精確每個掃描點的坐標，本次探測坐標見表1。

表1　測點坐標

(4) 多點探測：為消除探測盲區(qū)，每個空區(qū)選取至少兩個以上測點，探頭定位如圖1所示，分別對空區(qū)進行探測，本次探測掃描總共布置了3個測點。

圖1　采空區(qū)現(xiàn)場探測

2.2采空區(qū)三維模型可視化

通過掃描采空區(qū)，可以得到采空區(qū)原始形態(tài)數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)導入附帶軟件CavityScan中進行前期處理，得到C-ALS探測掃描“點云”數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)導出為“.str”格式文件，在Surpac建模軟件中生成DTM三維模型?？諈^(qū)三維模型可視化過程見圖2。

其中，1#測點采空區(qū)掃描點241208個，經濾點后220550個；最大長度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#測點空區(qū)掃描點295673個，經濾點后271644個；最大長度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#測點空區(qū)掃描點105542個，經濾點后98540個；最大長度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”。

通過對采空區(qū)的掃描，得到采空區(qū)的邊界與測點的角度和距離值，進一步由每個測點繪制空區(qū)形態(tài)模型，并根據(jù)3個測點的坐標，對3測點所得到的大采空區(qū)進行耦合，得到大采空區(qū)三維模型(見圖3)。

準確掌握采空區(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)三維實體模型耦合生成的基礎上，經有效性驗證，運用Surpac軟件計算出空區(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系到采空區(qū)的穩(wěn)定性.因此，準確把握采空區(qū)暴露面積的大小對采空區(qū)安全評價，特別是頂板及圍巖應力分析有重要意義。基于C-ALS探測數(shù)據(jù)生成采空區(qū)三維模型，由軟件計算得出空區(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結論

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

(2) 通過對采空區(qū)的探測，可以準確地確定采空區(qū)的三維信息，對空區(qū)進行定量和定性，為后期空區(qū)的治理提供科學、可靠地依據(jù)。

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