三维激光扫描技术在矿山中的应用探讨

白继坤;岳如友

【摘 要】三维激光扫描技术是一种先进的集成测量方法,如今已经在诸多领域成功应用.文中介绍了三维激光扫描技术在会宝岭铁矿采空区扫描、泄水钻孔设计、矿房验收、矿柱留设等方面的具体应用,在精确度、安全性、便捷性、数字化和工作效率等方面均有显著提升,值得推广和使用. 【期刊名称】《矿山测量》 【年(卷),期】2019(047)004 【总页数】4页(P116-119)

【关键词】三维扫描;采空区;矿房验收 【作 者】白继坤;岳如友

【作者单位】临沂会宝岭铁矿有限公司,山东 临沂 277712;临沂会宝岭铁矿有限公司,山东 临沂 277712 【正文语种】中 文 【中图分类】TD171

三维激光扫描技术又被称为实景复制技术，是测绘领域继GPS技术之后的一次技术革命。通过高速激光扫描测量的方法，大面积、全方位、快速高精度地获取被测对象表面的三维坐标数据，根据采集被测对象的空间点位信息，通过三维成图软件建立被测物体的三维模型。三维激光扫描技术的出现，极大促进了数字化矿山的发

展[1-3]。会宝岭铁矿选用加拿大Geosight公司生产的三维激光扫描仪，利用geomagic studio软件成三维图。 1 项目背景

目前，地下采空区已经成为制约矿山发展的一个重要难题，由于地下采空区具有隐伏性强、空间分布特征不规律、采空区顶板冒落塌陷情况难以预测等特点，一直是困扰工程技术人员进行采空区潜在危害性评价及合理确定采空区处置对策的关键技术难题。随着矿山向深部开采，地压增大，地下采空区在强大的地压下，更易发生坍塌事故，引起矿柱变形、相邻作业区采场和巷道维护困难、井下大面积冒落、岩移及地表塌陷等，更为严重的是采空区突然垮塌的高速气流和冲击波造成的人员伤亡和设备破坏，这些都给矿山安全生产构成严重威胁，并造成环境恶化、矿产资源严重浪费。解决上述问题的前提条件就是要科学地探查井下采空区的即时状态和空间形状，为采空区安全治理和资源回采提供准确的设计依据。

临沂会宝岭铁矿有限公司位于山东省临沂市兰陵县尚岩镇，经国家发改委核准，山东省国资委批准由山东能源临矿集团投资建设的现代化大型冶金矿山，矿区面积2.1 km2，矿床为隐伏矿床，蕴含铁矿石资源1.73亿t，年产铁矿石300万t，矿石平均品位全铁TFe 31.34%，磁铁mFe 18.81%，矿体为急倾斜矿体，采矿方法选用分段空场嗣后充填采矿法和FCM采矿法，矿块长60 m， 其中矿房长54 m，间柱长6 m，段高70 m。 2 在会宝岭铁矿安全生产中的应用 2.1 三维建模[4]

会宝岭铁矿创新性地将三维激光扫描技术应用到采空区测量中，实现了井下采空区全方位测量，通过延长杆或轮车系统将三维激光扫描仪放置在采空区内，测量人员远离采空区，通过笔记本电脑无线连接操控三维激光扫描仪，快速、高精度获取海量点云数据，克服了传统采空区测量困难的问题，实现了采空区测量安全高效化。

该仪器测量速度：7 min扫描一个矿房(约55 800个点)；测量精度：距离2 cm，角度0.1°。

Geomagic Studio软件具有面积、方量计算功能；可自动生成三维模型；可生成等高线，支持剖面截取。利用软件将三维激光扫描仪数据生成采空区三维模型，通过技术处理将采空区测量提升到数字化、可视化水平，能够最真实的反映矿房回采以后的实际形状，矿房爆破回采质量、底部余矿和围岩垮落情况一目了然，为矿房后续充填设计、尾砂充填泄水钻孔设计、相邻矿房的回采设计提供更加准确的数据依据。

图1 矿房空间点位图 图2 采空区三维模型 2.2 全尾砂充填泄水钻孔设计

会宝岭铁矿-410 m水平南翼采用FCM采矿法(70 m段高)[5]，取消中间-364 m分段、-387 m分段开拓，回采结束后由于围岩垮落、片帮和底部大量废石堆积，导致部分矿房很难从-340 m水平下放充填滤水管到-410 m，针对这一难题，会宝岭铁矿对此类较难安设滤水管的矿房采取泄水钻孔滤水法，在出矿进路或凿岩巷道内按不同角度向上设计泄水钻孔，当矿房充填时，充填体离析后，顶水达到某一高度的泄水钻孔时，便自动从该孔流出，当出现变浑或出浆时，说明该高度顶水已经过滤完毕，通过安装的阀门及时关闭该泄水孔。

通过三维激光扫描对回采结束的充填矿房扫描，获取详细的采空区实际形状，并通过软件截取剖面，为合理设计泄水钻孔提供准确的数据依据。例如：-410 m南翼41226S1矿房，回采结束后通过三维激光扫描得出采空区体积为75 498 m3,在采空区面积大，底部有大量矸石堆积，无法从-340 m水平下放滤水管，为满足泄水需要在41226S2矿房凿岩巷内，设计两组泄水钻孔，第一组高度为25 m、35 m、45 m、55 m，第二组高度为30 m、40 m、50 m、60 m，通过截取两个施工点

对应的采空区剖面，合理设计泄水钻孔角度、深度，使泄水孔设计更准确、更安全、更高效。

图3 41226S1矿房泄水钻孔设计平面图 2.3 矿房体积验收法

矿房验收关系到矿房出矿量、矿石贫化率与回采率的计算，传统的验收方法是通过矿房的出矿溜井的过磅量计算采矿量，通过采矿过程中化验的矿石品位计算矿房回采率和贫化率，操作复杂且误差较大，特别是对矿房回采率、贫化率的计算受取样量和取样频率的制约严重。 图4 钻孔设计剖面一 图5 钻孔设计剖面二

将体积验收法应用到矿房验收过程中，根据采准巷道和探矿钻孔圈定的矿体边界，根据采掘工程平面图上编录的矿体边界坐标，从auto CAD软件中将矿体边界坐标数据导入Geomagic Studio软件，生成矿体赋存三维立体模型，根据软件计算的矿房体积结合矿石比重便可得出矿房矿石量[6]。创新应用三维对比技术，矿房回采结束后，对矿房空区进行三维激光扫描测量，通过Geomagic Studio软件绘制成矿房实际回采三维立体模型。对矿体赋存三维立体模型和回采后实测三维数据模型进行对比计算，取得矿体的欠挖体积(V欠)、超挖体积(V超)、底部堆积矿石(V底)体积的数据，通过对体积的精确计算，可以简便而准确地求出损失率和贫化率，实现了矿房验收从矿石称重到体积数字化、可视化的跨越[7]。 2.4 确定矿柱实际留设情况

会宝岭铁矿为急倾斜矿体，采矿方法选用分段空场嗣后充填采矿法和FCM采矿法，矿块长60 m，其中矿房长54 m，间柱长6 m，加之回采矿房段高达到70 m，矿房回采结束后，空区面积较大，矿柱外围容易垮塌，通过全站仪免棱镜观测误差较大，矿柱的实际留设情况不易掌握，采用附加坐标的三维扫描数据建立矿房模型，

与矿体实际赋存情况模型对比，准确测算出矿柱实际留设尺寸，根据矿柱的实际留设情况，计算采空区与相邻矿房的距离。及时调整相邻矿的采矿设计，确保间隔矿柱留足留好，保证相邻矿房回采安全，具有极佳的安全效益[8-10]。 图6 矿体赋存三维模型 图7 矿房回采后实测模型 图8 矿房欠采模型 图9 矿房超采模型 图10 矿柱留设示例图 3 结 语

(1)通过三维激光扫描对矿房进行快速、高精度、高密度的数字化三维数据采集，通过软件处理形成采空区三维模型，能够最真实的反映矿房回采以后的实际形状，对充填泄水钻孔设计和矿柱合理留设提供准确数据依据。

(2)通过开采前和回采后两个三维立体模型的可视化对比，最直观准确的计算出采矿量和围岩垮落废石量，进而计算出矿房回采率和贫化率是否符合要求。 (3)三维激光扫描技术在会宝岭铁矿生产实践中还有许多应用，下一步我们还要将其应用于钻孔测斜、溜井成型和损坏测量、底部余矿回收、大硐室成型、掘进工程质量验收等方面，应用前景十分广阔。 参考文献:

【相关文献】

[1] 司大刚,王艳娟,柴生亮，等.三维激光扫描技术在矿山测绘中的应用与分析[J].世界有色金属,2018(19):23-24.

[2] 刘红旗,项鑫,李军杰.三维激光扫描原理及其在露天矿测量中的应用[J].科技资讯,2009(3):7-8.

[3] 袁国平.三维激光扫描技术在文物保护中的应用[J].矿山测量,2018,46(5):93-97. [4] 谢景龙,张得群.矿山三维巷道的参数化建模及其可视化[J].矿山测量,2017,45(5):5-9. [5] 刘翀.三维激光扫描技术在矿山采空区测绘中的研究[J].世界有色金属,2018(18):22-24. [6] 饶运章,舒太镜,郑长龙，等.会宝岭铁矿全尾砂胶结充填最优配比试验研究[J].中国矿业,2014,23(3):97-100.

[7] 邱敏,郑小战,欧江霞.三维扫描技术在矿山储量动态监测中的应用[J].矿山测量,2018,46(1):57-60，79.

[8] 张达,王利岗.三维激光扫描仪井下安全监测技术[J].有色金属(矿山部分),2011,63(4):1-3. [9] 徐炳前,马力.三维激光扫描在竣工验收中的应用[J].城市勘测,2018(5):129-131.

[10] 刘昌军,赵雨,叶长锋，等.基于三维激光扫描技术的矿山地形快速测量的关键技术研究[J].测绘通报,2012,(6):43-46.