沙文忠 張 馳 彭 張 魏銀鴻 陳 凱

(1.云南迪慶有色金屬有限責(zé)任公司，云南 香格里拉 674400；2.北京礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 100160；3.金屬礦山智能開采技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102628)

礦石溜井是聯(lián)系礦山不同分段之間距離最短的運(yùn)輸工程，其承擔(dān)著輸送礦石的重要任務(wù)，是礦井生產(chǎn)的咽喉[1]。一直以來，由于礦石溜井特殊的工程特點(diǎn)，投入使用前并沒有一套成熟的方法對其施工質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)，因而造成溜井施工實(shí)際尺寸與設(shè)計(jì)尺寸相比存在較大偏差，其中最為常見的是斷面狹小、輪廓不規(guī)則，從而導(dǎo)致其在投入使用初期一旦倒入大塊礦石便發(fā)生嚴(yán)重堵井問題，無法正常輸送礦石，影響礦山正常的生產(chǎn)計(jì)劃；另外，由于溜井工程承擔(dān)著儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)運(yùn)礦石的重任，勢必長期存在礦石與井壁之間的不同程度碰撞和摩擦，特別是礦石瀉入點(diǎn)及礦石在井內(nèi)的回彈區(qū)域，井筒垮塌現(xiàn)象明顯。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，國內(nèi)諸如金山店鐵礦、大紅山鐵礦、安徽開發(fā)礦業(yè)李樓鐵礦、大尹格莊金礦、山東黃金三山島金礦等[2-6]礦山的放礦溜井在使用過程中均不同程度的出現(xiàn)了溜井垮塌問題，其中最大的垮塌寬度以井筒設(shè)計(jì)邊界為基準(zhǔn)超過10 m，嚴(yán)重威脅了井筒周邊工程的穩(wěn)定及相關(guān)作業(yè)人員的生命安全。針對上述問題，礦山亟需一種方法能夠有效確定溜井的實(shí)際形態(tài)，一方面能夠確保溜井在投入使用前達(dá)到設(shè)計(jì)要求；另一方面可以及時(shí)掌握生產(chǎn)過程中溜井井筒的變化趨勢，以便通過調(diào)整放礦計(jì)劃或者修復(fù)治理措施避免井筒破壞區(qū)域的進(jìn)一步擴(kuò)大。

目前，國內(nèi)外針對溜井工程檢測主要有三種方式，分別為人工手檢、視頻檢查[7]和激光掃描[8]，人工手檢需要檢測人員乘坐吊罐或者安全繩深入溜井內(nèi)部，該種方式可以直接查看損壞區(qū)域，但實(shí)際測量難度大，而且由于損壞溜井的側(cè)壁存在浮石且有進(jìn)一步大面積垮塌的風(fēng)險(xiǎn)，因而該方式存在較大安全隱患，不利于檢測工作的開展且不符合安全規(guī)范；視頻檢查是一種將攜帶有拍照或錄像功能的設(shè)備通過懸吊的方式放入溜井內(nèi)部來觀測井壁形態(tài)的檢測手段，可通過圖片或者視頻影像觀察溜井內(nèi)部的真實(shí)形態(tài)，但該種方式雖然可憑借經(jīng)驗(yàn)大致判斷井壁形態(tài)的變化趨勢，但無法獲得精確的縱深信息，因而不利于對溜井破壞區(qū)域給出定量評價(jià)。激光掃描方式的出現(xiàn)彌補(bǔ)了上述檢測方式存在的不足，而且歷經(jīng)多年的發(fā)展已日漸成熟，將激光掃描設(shè)備放入溜井內(nèi)部，通過掃描可獲得溜井內(nèi)部空間真實(shí)而且完整的三維形態(tài)，進(jìn)而通過剖面分析、體積計(jì)算對溜井損壞區(qū)域給出定量評價(jià)。

采用激光掃描技術(shù)進(jìn)行探測的設(shè)備目前有很多種，其中有代表性的包括北京礦冶科技集團(tuán)有限公司的BLSS-PE礦用三維激光掃描測量系統(tǒng)[9]，加拿大Optech公司的CMS空區(qū)探測系統(tǒng)[10]，英國MDL公司的C-ALS洞穴三維激光掃描系統(tǒng)[11]，英國GEOSLAM便攜式三維激光掃描儀[12]，澳大利亞Maptek公司的LASERGO空區(qū)三維激光掃描儀等[13]，其中CMS空區(qū)探測系統(tǒng)、LASERGO空區(qū)三維激光掃描儀與BLSS-PE礦用三維激光掃描系統(tǒng)原理相同，但相同掃描精度要求條件下前兩種方式掃描時(shí)間更長，對于危險(xiǎn)性較高的溜井掃描工作而言適用性較低；GEOSLAM便攜式三維激光掃描儀是近兩年才推出的新型便攜式測量系統(tǒng)，操作簡單，方便易攜，但隨著測量距離的延伸點(diǎn)云會(huì)發(fā)生漂移，對于溜井工程，很難進(jìn)行閉環(huán)檢測，因而精度較低；C-ALS洞穴三維激光掃描系統(tǒng)相較以上方式更加適用于需要通過鉆孔方式才能實(shí)施的洞穴探測，另外由于其相同精度要求下掃描時(shí)間更長，而且對于溜井掃描而言，隨著下放深度的增加，受自轉(zhuǎn)的影響其掃描精度較難得到保障，因而適用性相對較差。

綜合多種因素，本文采用BLSS-PE礦用三維激光掃描系統(tǒng)對普朗銅礦采區(qū)溜井開展了精細(xì)化掃描，并建立了真實(shí)可靠的三維模型，為溜井驗(yàn)收及生產(chǎn)過程中的穩(wěn)定性評價(jià)提供了準(zhǔn)確的參考數(shù)據(jù)。

1 普朗銅礦概況

普朗銅礦位于云南省西北部迪慶藏族自治州香格里拉市北東部，滇西北著名的橫斷山脈東北部，地勢總體較高，海拔3 600～4 500 m。根據(jù)普朗銅礦礦巖性質(zhì)和巖石力學(xué)研究結(jié)論，設(shè)計(jì)推薦采用自然崩落采礦法。礦山設(shè)3 736、3 720、3 700、3 660、3 600、3 640 m共計(jì)6個(gè)作業(yè)層，無軌設(shè)備出礦設(shè)置在3 720 m水平，無軌運(yùn)礦布置在3 660 m水平，兩個(gè)水平之間通過采區(qū)溜井進(jìn)行連接，采區(qū)溜井布置在3 720 m水平無軌設(shè)備出礦穿脈內(nèi)，根據(jù)采場寬度不同每條出礦穿脈中布置1～3條溜井，實(shí)際基建范圍從S5至N3共8條穿脈內(nèi)分別設(shè)置2條采區(qū)溜井，共計(jì)16條采區(qū)溜井。

2 掃描系統(tǒng)介紹

BLSS-PE礦用三維激光掃描系統(tǒng)是由北京礦冶科技集團(tuán)自主研發(fā)制造的一套多用途高精度空區(qū)探測系統(tǒng)，普朗銅礦于2018年6月成功引入，專門應(yīng)用于采區(qū)溜井的日常檢測及生產(chǎn)維護(hù)。該套系統(tǒng)主體構(gòu)件包括掃描主機(jī)、電源箱以及掃描控制終端三個(gè)部分，如圖1所示。為了測量溜井需要，礦冶集團(tuán)結(jié)合單位需求對上述部件進(jìn)行了改裝，其主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：一是掃描主機(jī)通過機(jī)械構(gòu)件懸掛式固定；二是數(shù)據(jù)通訊通過無線網(wǎng)橋進(jìn)行連接；三是設(shè)備下放采用電動(dòng)方式無線遙控。從根本上解決了一般測量方式無法滿足溜井測量工作的要求，同時(shí)大幅降低了技術(shù)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

圖2所示為改裝后的掃描系統(tǒng)構(gòu)成。

圖1 BLSS-PE三維激光掃描系統(tǒng)Fig.1 BLSS-PE three-dimensional laser scanning system

3 采區(qū)溜井精細(xì)化掃描

3.1 建立測量區(qū)域安全平臺(tái)

溜井垂直高60 m，設(shè)計(jì)半徑1.8 m，井筒未進(jìn)行支護(hù)，井口采用“田”字格鋼型材鎖口，上部孔口為邊長1.2 m正方形網(wǎng)格，井口正上方安全性差，溜井測量工作需要在溜井口正上方進(jìn)行，為了保證人員及設(shè)備安全，測量工作實(shí)施前需要在井口搭建安全平臺(tái)并預(yù)留設(shè)備下放入口。根據(jù)測量工作需要及現(xiàn)場條件，首先采用2 m×2 m柔性鋼筋網(wǎng)鋪設(shè)在其中三個(gè)格篩口，如圖3(a)所示。然后在柔性鋼筋網(wǎng)上方鋪設(shè)高強(qiáng)度復(fù)合板材，如圖3(b)所示，得到一個(gè)平整安全的操作平臺(tái)。

圖2 改裝后的溜井三維激光掃描測量系統(tǒng)Fig.2 Modified three-dimensional laser scanning measurement system

圖3 井口安全平臺(tái)搭建Fig.3 Wellhead safety platform construction

3.2 測量系統(tǒng)組裝及調(diào)試

基于現(xiàn)場搭建的測量區(qū)域安全平臺(tái)，選擇在預(yù)留格篩口架設(shè)掃描測量系統(tǒng)，首先將同款專業(yè)級(jí)三腳架分別架設(shè)在格篩口兩側(cè)，調(diào)整至相同高度；然后將高強(qiáng)度承載梁固定在三腳架的頂部，依次懸掛主牽引電機(jī)，輔助牽引電機(jī)完成動(dòng)力輔助結(jié)構(gòu)組裝。然后于井口一側(cè)安全區(qū)域?qū)呙柚鳈C(jī)固定于輔助吊框下端，并與電源箱完成連接，然后將整套結(jié)構(gòu)懸掛于主輔牽引電機(jī)下端，接通掃描主機(jī)控制電源，通過無線控制開關(guān)控制牽引電機(jī)測試下放結(jié)構(gòu)是否正常運(yùn)轉(zhuǎn)，通過電腦控制掃描主機(jī)測試掃描系統(tǒng)工作是否正常，待上述系統(tǒng)均運(yùn)轉(zhuǎn)正常后可投入使用。

3.3 溜井形態(tài)精細(xì)化掃描

溜井工程的特點(diǎn)是垂直深度高、井筒斷面不規(guī)則，因而采用激光掃描手段很難一次性完成整條溜井形態(tài)的掃描工作，為了保證最終數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠，確定采用接續(xù)架站的方式完成整條溜井的現(xiàn)場掃描工作。即以井口作為掃描起始位置， 并記錄參考點(diǎn)作為0標(biāo)高，然后進(jìn)行第一次掃描，根據(jù)掃描成圖效果，確定第二站掃描時(shí)的下放高度，并用高精度激光測距儀進(jìn)行測量，下放至指定高度后開展第二站的掃描工作，如圖4所示溜井測量至第二站的實(shí)際位置圖。如此循環(huán)，直至完成整條溜井的掃描工作，這里以普朗銅礦S1-1溜井為例開展現(xiàn)場掃描，根據(jù)掃描情況共設(shè)置4個(gè)測站，分別為井口0 m，井口向下10.029 m，井口向下20.100m以及井口向下25.600 m。

圖4 溜井掃描實(shí)施效果圖Fig.4 Implementation effect of the chute scanning

4 采區(qū)溜井三維建模

按照上述測量方法得到整條溜井于不同高程位置的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖5所示。觀察不同高程處掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)可知，0 m處掃描的數(shù)據(jù)在井口下方10 m左右存在掃描數(shù)據(jù)不完整的情況，因此我們將掃描設(shè)備下放相應(yīng)的高度進(jìn)行了第二次掃描，得到10.029 m位置的掃描點(diǎn)云，通過進(jìn)一步觀察，10.029 m以下10 m左右也存在掃描數(shù)據(jù)不完整的情況，因此我們將掃描設(shè)備再次下放相應(yīng)的高度進(jìn)行了第三次掃描，得到20.100 m位置的掃描點(diǎn)云，同理得到25.600 m位置的掃描點(diǎn)云。

基于上述點(diǎn)云數(shù)據(jù)，按照高程位置不同進(jìn)行復(fù)合，得到如下圖6(a)所示的溜井三維模型，該模型由于點(diǎn)云重復(fù)度較高，因而整體視覺效果顯示點(diǎn)云較為稠密，為此將重合位置的點(diǎn)云進(jìn)行刪減，得到如圖6(b)所示的完整拼接的溜井三維點(diǎn)云模型。

圖5 不同高程位置掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)Fig.5 Scanning point cloud data at different elevation locations

圖6 溜井掃描復(fù)合模型Fig.6 The composite model of scanned chute

為了將掃描結(jié)果更好的呈現(xiàn)以及開展下一步的計(jì)算分析，基于上述拼接建立的溜井三維點(diǎn)云模型，首先采用Delaunay三角網(wǎng)算法建立溜井三維實(shí)體模型，如圖7所示。

圖7 溜井三維實(shí)體模型Fig.7 Three-dimensional solid model

對比上述兩幅圖片可知，溜井三維模型內(nèi)部由于存在噪聲點(diǎn)以及冗余點(diǎn)，導(dǎo)致采用上述算法建模后實(shí)體外形內(nèi)部包裹冗余實(shí)體，一方面由于存在開放邊和自相交線條等，導(dǎo)致其無法直接計(jì)算體積，影響溜井體積計(jì)算的準(zhǔn)確性；另一方面，由于其內(nèi)部存在冗余實(shí)體，將對溜井形態(tài)分析造成干擾，為此，本文針對上述復(fù)雜的溜井三維實(shí)體模型開展進(jìn)一步的處理，這里采用Geomagic逆向工程重建軟件重生成溜井三維實(shí)體模型，選擇外部邊界并反選實(shí)體模型如圖8(a)所示。進(jìn)一步基于上述重構(gòu)模型，刪除內(nèi)部冗余對象并對外部輪廓三角網(wǎng)進(jìn)行填充得到如圖8(b)所示的完整溜井三維模型。

圖8 溜井三維模型構(gòu)建Fig.8 Three-dimensional model construction of the chute

通過圖8(b)所示的溜井三維模型不難發(fā)現(xiàn)，溜井內(nèi)部的冗余實(shí)體已經(jīng)被完全清除，借助BLSS-PE礦用三維激光掃描系統(tǒng)的配套軟件對其開放邊、自相交以及無效邊進(jìn)行檢測發(fā)現(xiàn)該三維模型已經(jīng)完全封閉，如圖9所示。

圖9 封閉的溜井三維實(shí)體模型Fig.9 Closed three-dimensional solid model of chute

5 結(jié)論

溜井建模質(zhì)量直接決定其后期的應(yīng)用效果，獲得精細(xì)完整的溜井三維模型對于準(zhǔn)確評價(jià)溜井前期施工效果、使用過程中的損壞程度以及開展進(jìn)一步的溜井周圍巖體的穩(wěn)定性分析等均有重要意義。本文針對普朗銅礦溜井使用過程中出現(xiàn)的問題，采用目前主流的BLSS-PE三維激光掃描設(shè)備對其進(jìn)行了探測并建立了準(zhǔn)確的三維模型并確定應(yīng)用效果如下。

1)通過采用垂直懸吊下放的方式將掃描儀伸入溜井內(nèi)部的不同高程位置，分站掃描，逐段拼接得到整條溜井各個(gè)位置精細(xì)的三維點(diǎn)云，可更加完整且準(zhǔn)確的描述溜井實(shí)際形態(tài)。

2)采用BLSS-PE系統(tǒng)軟件與Geomagic逆向工程重建軟件協(xié)同配合的方式，構(gòu)建完全封閉的溜井三維模型，為溜井體積計(jì)算、邊界分析以及穩(wěn)定性評價(jià)等奠定了基礎(chǔ)。