何玉龍

（山東黃金礦業(yè)（萊州）有限公司三山島金礦）

大直徑深孔采礦法［1-3］具有空區(qū)結(jié)構(gòu)合理，工作效率高，工藝先進，單次出礦連續(xù)、集中、安全等特點，在我國礦山得到廣泛應用。該方法能有效提高采空區(qū)作業(yè)能力和工作效率，適合于開采中厚以上、礦巖較穩(wěn)固、形態(tài)較規(guī)整的礦體。潛孔鉆機在鉆孔的過程中，隨著深度的加大，鉆孔的質(zhì)量越來越難以控制，導致鉆孔偏斜，進而影響采空區(qū)的爆破效果，形成超爆、欠爆。

為了解決該問題，本文以某礦山作為試驗場地，采用礦用三維激光掃描儀對礦山各中段采空區(qū)進行現(xiàn)場掃描，并分析后續(xù)數(shù)據(jù)，得出采空區(qū)超爆、欠爆尺寸，同時可以為后續(xù)二步驟回采爆破設(shè)計優(yōu)化提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1 礦山概況

某礦山是多礦種組成的大型硫鐵礦，部分伴生銅礦。礦體整體在水平面上投影為橢圓形，中間以貧鐵礦為主，四周環(huán)繞富的厚礦體。由于-540 m 水平以上2#縱勘探線以北的礦體平均厚度大于35 m，因此采用垂直深孔階段空場嗣后充填采礦法。

基于礦山生產(chǎn)規(guī)劃，以盤區(qū)為單元進行劃分組織生產(chǎn)。每個盤區(qū)走向長126 m，垂直走向90 m，盤區(qū)間沿垂直走向方向布置寬18 m 的礦柱，聯(lián)絡(luò)巷布置在礦柱中。每個盤區(qū)劃分7 個采場，采場長度為72 m，寬度為18 m，礦體厚度為每個采場的高度。由于開采后兩端邊幫的爆破效果無法直接獲取，且整個采空區(qū)空間較大，人員不允許直接進入，不利于后續(xù)二步驟回采和爆破設(shè)計。為了解決該問題，使用礦用三維激光掃描儀對-540～-455 m 水平已經(jīng)開采采空區(qū)進行掃描，探測采空區(qū)具體形態(tài)。

2 三維激光掃描測量系統(tǒng)應用研究

2.1 應用工況

礦用三維激光掃描測量系統(tǒng)可以非常直觀、高效地掃描采空區(qū)，生成采空區(qū)三維形態(tài)，可進一步指導后續(xù)的采礦作業(yè)［4-10］。但是根據(jù)礦山現(xiàn)場情況，簡單地使用礦用三維激光掃描測量系統(tǒng)進行掃描可能達不到最優(yōu)效果，為了解決該問題，需要針對具體應用場景，提煉具體使用方法。

（1）采空區(qū)群掃描。由于采礦方法不同，形成的采空區(qū)形態(tài)和規(guī)模不盡相同。采用大直徑深孔采礦方法形成的大型空區(qū)形態(tài)規(guī)整，能夠提供的測量區(qū)域多，可以直接把延長桿伸入到采空區(qū)進行掃描。礦柱法采礦形成的采空區(qū)群，內(nèi)部存在很多保安礦柱，使用礦用三維激光掃描測量系統(tǒng)任意布點進行掃描效果不佳，且需要掃描很多次，但是在掃描前，通過合理布點，效率會有很大提升。

（2）溜井掃描。礦山溜井是礦石下放的主要通道，由于長時間使用，很多礦山溜井內(nèi)部都發(fā)生損壞，為了探明溜井內(nèi)部情況，需要對溜井進行掃描，但是溜井長度基本上都在200 m 以上，簡單掃描測量不能完全掃描溜井內(nèi)部形態(tài)，為了讓礦用三維激光掃描測量系統(tǒng)能夠適應溜井形態(tài)掃描，需要總結(jié)并加工適合溜井掃描的裝置，可以通過電動絞車、鋼絲繩、固定裝置等方式解決。

（3）未知采空區(qū)掃描。礦山在開采過程中，由于各種原因，存在很多未知采空區(qū)，直接使用礦用三維激光掃描測量系統(tǒng)進行掃描，存在安全風險，為了有效摸清這些采空區(qū)具體情況，需要結(jié)合物探方式一起探測。

2.2 點云數(shù)據(jù)預處理研究

礦用三維激光掃描測量系統(tǒng)掃描采空區(qū)后形成空間點云數(shù)據(jù)，點云數(shù)據(jù)需要進行預處理才能轉(zhuǎn)化成礦山需要的數(shù)據(jù)，具體數(shù)據(jù)預處理流程如下。

2.2.1 點云數(shù)據(jù)拓撲關(guān)系的建立

空區(qū)點云數(shù)據(jù)的重建及預處理主要受到點云領(lǐng)域搜索速度的影響，三維散亂數(shù)據(jù)最近領(lǐng)域的搜索速度與其組織結(jié)構(gòu)和搜索算法的性能有關(guān)。常用的點云數(shù)據(jù)拓撲關(guān)系的建立方法有八叉樹法和KDTree法。

（1）八叉樹法。八叉樹的構(gòu)造流程如圖1 所示。將在點云空間三維方向上尺度空間分布均的8 個子集，用相同的規(guī)律進行分割，直到各子集邊長小于Lmin或者是各子集只有一個點為止。

（2）KD-Tree 法?；贙D-Tree 的點云拓撲關(guān)系組織方法不同于八叉樹的方法，八叉樹用于三維空間的切分，而KD-Tree 可進行任意維的切分，主要用于最近點的查找。三維空間生成KD-Tree的過程，排列K 維空間，可按數(shù)據(jù)范圍最大的一維進行分割，以此類推，直到葉子結(jié)點包含一個數(shù)據(jù)點。KD-Tree構(gòu)建過程如圖2所示。

2.2.2 點云去噪處理

點云去噪用于點云的精準表示，處理點云數(shù)據(jù)中噪聲點，盡可能避免測量誤差進一步擴散，利于后續(xù)的三維重建、配準及形變分析等處理工作。

提出一種基于KD-Tree的離散噪聲點去除方法，利用統(tǒng)計原理，通過計算點與鄰域各點距離的均值μ和標準差σ，設(shè)置閾值μ±α·σ，如果鄰域中某點的距離不在此區(qū)間，則認為該點為噪聲點。算法實現(xiàn)流程如圖3所示。

2.2.3 點云精簡

由于空區(qū)三維激光點云數(shù)據(jù)規(guī)模較大，后續(xù)數(shù)據(jù)處理存在較大的時間和空間復雜度，基于包圍盒的點云數(shù)據(jù)簡化算法主要解決大規(guī)模點云數(shù)據(jù)精簡，該算法改進了傳統(tǒng)的點云精簡方法，考慮點云局部信息，篩選出可以代表局部最大信息量的點云，能夠保留點云細節(jié)特征，如點云曲率變化大的區(qū)域的特征等。

算法步驟如下：

（1）設(shè)置最小包圍盒的尺寸，對點云數(shù)據(jù)建立包圍盒數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

（2）計算每個最小包圍盒距離中心最近的點作為中心點p0。

（3）計算最小包圍盒中所有的點pi到中心點的p0距離di。

（4）計算距離D=（d1，d2，...，dn）的均值μ和標準差σ。

（5）判斷如果某個點的距離di是否在區(qū)間μ±α·σ中，如果在區(qū)間中，說明這個點跟當前點具有相似的性質(zhì)，則將其去除；如果不在區(qū)間中，說明該點與當前點有較大差異，具有與當前點不同的信息，應該保留。α的取值根據(jù)包圍盒的大小來決定。

算法流程如圖4所示。

2.3 點云數(shù)據(jù)多站拼接應用技術(shù)研究

部分采空區(qū)由于體積大、存在遮擋等原因，導致使用礦用三維激光掃描測量系統(tǒng)不能一次完整測量出其空間形態(tài)，需要在多個測量地點進行掃描，最后通過點云拼接技術(shù)完成整個采空區(qū)的空間形態(tài)。

多站拼接掃描并不代表在所有的測量點進行掃描，而是需要根據(jù)現(xiàn)場實際情況做到掃描次數(shù)最少、掃描效果最好。使用礦用三維激光掃描測量系統(tǒng)進行拼接掃描時，需要測量技術(shù)人員提供掃描系統(tǒng)的坐標、方位角，現(xiàn)場人員在實際掃描時需要確保坐標、方位角的精度，這樣才能確保拼接數(shù)據(jù)無縫銜接。

選擇某礦山作為試驗地點，由于該礦山采空區(qū)較大，一次三維激光掃描并不能完整地反映采空區(qū)的形態(tài)。為了得到該礦區(qū)采空區(qū)真實形態(tài)，選擇2個進礦出路進行掃描測量，然后利用礦用三維激光掃描儀的點云拼接功能進行拼接。

2.4 地下采礦空間高精度報量方法研究

礦用三維激光掃描測量系統(tǒng)提供體積塊體報量功能，但是如何確保體積報量滿足現(xiàn)場精度要求，需要開展系統(tǒng)研究。

2.4.1 開展塊體體積報量原理研究

通過點云數(shù)據(jù)三維重建的實體模型不能使用數(shù)學表達式表達，因此不能通過數(shù)學的方式進行體積計算。為了解決體積報量的問題，研究通過塊體報量的方式，其原理是獲取被測物體的最大包圍盒信息，建立被測物體的八叉樹結(jié)構(gòu)，根據(jù)需要報量的精度，逐步細分八叉樹結(jié)構(gòu)，使八叉樹最后一層葉子節(jié)點包含的塊體大小滿足系統(tǒng)的精度要求。使用小方塊去充填三維實體，最后統(tǒng)計塊體體積，為了使塊體報量更加精確，在實際研究過程中引入了次級塊的概念，該次級塊的大小在原先設(shè)置的塊體大小下進一步縮小，但是次級塊只在最外一層進行使用，這樣既可以保證系統(tǒng)體積計算精度，又可以保證體積計算效率。

塊體模型建立流程：將一個采空區(qū)掃描模型調(diào)入圖形區(qū)，運行菜單項塊體—創(chuàng)建—建立塊體模型，設(shè)置完成后點擊確定，即完成塊體模型的建立。塊體模型建立好后，程序自動彈出“塊體模型顯示”對話框，設(shè)置顯示塊體模型的顏色和顯示風格，即可顯示出塊體模型。具體步驟可參考塊體—顯示—顯示塊體模型功能。

2.4.2 開展多個拼接實體的塊體體積報量研究

使用多站拼接掃描獲得點云數(shù)據(jù)肯定會存在部分重疊區(qū)域，最后形成的三維實體模型必然存在重疊區(qū)域，如果直接使用塊體充填的方式，最后計算的體積會存在重復計算的問題，為了避免該問題出現(xiàn)，需要對重疊區(qū)域進行布爾運算，保證重疊區(qū)域數(shù)據(jù)只會計算一次。

2.5 二步驟回采優(yōu)化技術(shù)研究

利用礦用三維激光掃描測量系統(tǒng)可以充分獲取采空區(qū)的三維形態(tài)，但是根據(jù)掃描的點云數(shù)據(jù)不能直接精確的獲取采空區(qū)回采貧化、損失等技術(shù)參數(shù)，無法為后續(xù)二步驟回采提供指導。針對該問題，需要開展以下研究：

（1）開展采空區(qū)三維模型建立技術(shù)研究。礦山在開采之前，會通過CAD 軟件設(shè)計采空區(qū)開采平面圖，得出不同中段的采空區(qū)設(shè)計邊界。但是這些采空區(qū)設(shè)計圖紙是二維的，無法與掃描形成的三維模型進行對比，需要把采空區(qū)二維圖形轉(zhuǎn)化成三維模型。

（2）開展超采、欠采區(qū)域分析研究。通過對比采空區(qū)設(shè)計三維模型和掃描點云形成的采空區(qū)實際三維模型，可以非常直觀準確地體現(xiàn)哪些區(qū)域發(fā)生超采、哪些區(qū)域發(fā)生欠采。根據(jù)2 個模型的對比結(jié)果，可以把發(fā)生超采、欠采的區(qū)域提煉出來，并通過不同高程剖切技術(shù)，形成不同高程的二維對比圖紙，可以精確地分析超采、欠采尺寸，為后續(xù)二步驟回采提供依據(jù)。

3 采空區(qū)三維掃描方案

3.1 測量設(shè)備概述

選用礦冶集團自主研制的BLSS-PE 系統(tǒng)，主要包括三防筆記本、電源箱、掃描主機、延長桿、三腳架適配器等，該系統(tǒng)量程、測量精度和掃描角度等參數(shù)能夠滿足此次采空區(qū)的精細測量要求。

3.2 測量方案

根據(jù)采空區(qū)的分布情況，其中19-3、21-2、23-2、25-2 采場鑿巖工作在-455 m 水平進行，因此考慮到測量安全及測量條件限制，4 個空區(qū)的測量位置布置在-455 m 水平；51-4、51-5，53-5、53-4、27-4、29-4、45-3、47-3 8 個采空區(qū)的測量位置布置在-508 m 水平。由于采空區(qū)形態(tài)都比較規(guī)整，且采空區(qū)上部都有測量巷道，視野非常好，每個采空區(qū)進行1 次測量后就可以完整地掃描整個采空區(qū)形態(tài)?，F(xiàn)場具體的測量方案見表1。

4 測量結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

4.1 掃描模型與設(shè)計模型復合

為了確定采空區(qū)兩端邊幫超爆和欠爆的情況，將采空區(qū)設(shè)計的三維模型和掃描得到的三維模型進行復合，通過對比可定量得到采空區(qū)具體位置發(fā)生超爆欠爆的量。通過對采空區(qū)點云數(shù)據(jù)的處理，可以得到采空區(qū)三維實體模型，再將其和設(shè)計平面圖三維建模的模型進行復合，部分復合效果圖如圖5所示，深色部分為掃描三維實體模型，淺色為設(shè)計三維模型。

4.2 采空區(qū)爆破效果分析

為了給后續(xù)爆破設(shè)計提供精確的數(shù)據(jù)，同時也為了定量反映采空區(qū)超爆、欠爆的情況，將復合的采空區(qū)三維模型沿著炮孔的布置方向進行劃分，部分結(jié)果如圖6所示。

通過對復合模型采空區(qū)剖切的結(jié)果和采空區(qū)超爆、欠爆結(jié)果的定量分析可以看出，25-2 采空區(qū)北側(cè)邊幫爆破效果良好，而23-2 采空區(qū)南側(cè)邊幫則存在超爆的現(xiàn)象。后續(xù)在進行二步驟回采時，需要防止24-2采空區(qū)北側(cè)邊幫炮孔打眼時進入23-2采空區(qū)的充填體內(nèi)，同時根據(jù)定量分析的采空區(qū)超爆現(xiàn)象對裝藥量進行調(diào)整，從而達到精準化爆破的目的。

4.3 采空區(qū)爆破效果定量計算

前期通過數(shù)據(jù)處理后，可以非常直觀地掌握所有掃描采空區(qū)的形態(tài)、爆破效果，但是這些都是定性的結(jié)果，而各個采空區(qū)的體積、超挖、殘礦情況，需要通過塊體模型進行定量計算，計算結(jié)果見表2。

5 結(jié)論

（1）根據(jù)研究內(nèi)容，對采空區(qū)進行掃描，真實反映了現(xiàn)場采空區(qū)形態(tài)，為礦山后續(xù)生產(chǎn)提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

（2）凝練了礦用三維激光掃描測量系統(tǒng)高效應用方法研究，為發(fā)揮該系統(tǒng)的最大技術(shù)優(yōu)勢提供了指導思路。

（3）開展復雜地下采礦空間點云數(shù)據(jù)預處理研究，并結(jié)合實際掃描的數(shù)據(jù)進行了點云數(shù)據(jù)去噪、線框模型形成、點云三維建模。

（4）開展基于塊體分割的地下采礦空間高精度報量方法研究，通過塊體模型報量方法，定量計算了采空區(qū)體積、超挖量、殘礦量，為礦山了解采空區(qū)各項指標提供了定量數(shù)據(jù)。

（5）開展采空區(qū)爆破設(shè)計優(yōu)化研究，結(jié)合采空區(qū)掃描模型和三維設(shè)計模型，得出一步驟、二步驟回采的采空區(qū)邊界情況，進而為第二步驟、第三步驟回采爆破設(shè)計優(yōu)化提供依據(jù)。