2-三维激光扫描技术在溜井系统治理中的实践

三维激光扫描技术在溜井系统治理中

的实践

一、研究背景

三山岛金矿主混合井提升系统包含1、2#矿石溜井和3#废石溜井。生产矿石、废石经-600M中段卸矿站运至1、2、 3#溜井，1、2#矿石经-675M破碎后下放至1、2#成品仓，后经-720M皮带装入箕斗；废石直接经3#溜井由-720M装入箕斗，箕斗提升至地表。矿石溜井、废石溜井、成品仓在使用过程中，由于长期受到矿石或废石冲击，再加上地质构造因素，井壁均有较大程度的坍塌损坏，严重影响到提升系统的正常运行，造成全矿生产能力急剧下降，下降提升能力约4000吨，为阻止损坏情况进一步发展及尽快恢复生产能力，混合井整个溜破系统急需治理。

治理前提条件就是现场测量手段获取1#、2#矿石主溜井，1#、2#成品仓和3#废石主溜井坍塌损坏的实际空间信息，以便采取合理的治理措施和修复方案，以确保三山岛金矿正常生产全面恢复。

二、研究内容

为了精确获取1#、2#矿石主溜井，1#、2#成品仓和3#废石主溜井的三维空间信息，传统的测量技术手段已无法采集矿石溜井和废石溜井坍塌的现场实际数据，因此决定采用BLSS-PE矿用三维激光扫描仪采集现场数据，该设备是由北京矿冶研究总院基于国家863重点项目成果研发生产的，同时采用北京3Dmine软件进行数据处理，以获得了5条竖溜井矿仓精准三维空间模型，为后续治理工作奠定坚实的技术基础。

1、






主要实施方案

1、BLSS-PE矿用三维激光扫描仪实测方案

BLSS-PE矿用三维激光扫描仪基本作业方法：径向测量范围300°，轴向测量范围360°，扫描仪后方存在47°盲区；配备4根延长杆，拼接延长杆可伸入空区6m进行扫描，由于探入溜井内部，无法给予BLSS-PE矿用三维激光扫描仪定位、定向，扫描数据为相对坐标数据；最主要问题在于一站扫描井深范围在20m-30m以内，而溜井深度大（3#溜井全长120m）遮挡较为严重，所以无法直接利用该扫描仪进行溜井扫描。

为此，我们自行设计加工了小型吊箱，通过配备绞车、卷筒、稳绳、重锤（25kg/个）下放装置、定位定向绳等提升设备进行数据采集。吊箱通过两根稳绳固定，悬挂在主钢丝绳上；BLSS-PE矿用三维激光扫描仪通过自行改进固定件（如图1）固定在吊箱下部，电源等辅助设备固定到吊箱内；在井口搭设平台，预留吊箱下放口，两根定位定向绳固定在吊箱上，确保扫描仪姿态稳定，如图2所示；通过绞车下放吊箱依标高分段扫描溜井形态，每一测站记录扫描仪器相对标高，同时全站仪测量定位定向绳平面位置确定点位、方向。

图1 BLSS-PE矿用三维激光扫描仪改进固定件

                 图2 扫描数据采集准备

2、数据采集方案——多站拼接技术

以新立分矿2号原矿仓为例：2号原矿仓深-600m至-675m共计75m深，直径约6m，井壁塌落严重，井壁岩帮不规则，多处遮挡，单站扫描无法获取全部整体数据。BLSS-PE矿用三维激光扫描仪凭借多站拼接技术优势，对2#溜井分标高施测扫描，具体操作如下：

（1）在下放口固定皮尺于扫描设备“0”点处，皮尺方向沿钢丝绳竖直向下；

（2）下放扫描设备一定高度，以便扫描井口数据，实现全站仪与扫描仪数据拼接拟合定位定向，记录第一站皮尺相对标高1.95m，采集数据；

（3）分别在距离井口下放水平14.30m、34.95m、41.1m、53.15m位置对溜井进行扫描（扫描标高位置根据实际需要，通过扫描数据实时调整测站次数及标高，以得到完整的溜井数据），通过多站拼接技术融合5站数据，得到整条溜井的相对扫描数据，如图3 所示。

         
                  图3 2#溜井扫描点云多站拼接数据

3、数据绝对定位—图形拼接拟合技术

虽采用两根定位定向绳固定在吊箱上，全站仪测量定位定向绳平面位置确定点位、方向，确保扫描仪姿态稳定。但由于钢丝绳距太小，定位、定向误差可能较大，因此配备全站仪对井口位置线性钢轨、墙角等进行实地测量，得到实地坐标。扫描采集数据的同时，对井口进行数据重采集（确保重采集钢轨数据），采用图形拼接拟合技术，平差得到较高精度的点位和方向，确保工程质量精度。

2、






成果数据处理

依据通过多站拼接技术以及图形拼接拟合技术定标高、定位、定向处理后的整体“点云”数据，运用3Dmine数据软件进行三维实时建模，得到2#溜井三维激光扫描实体模型，如下图4所示。             

图4 2#溜井三维激光扫描实体模型

基于2#溜井三维激光扫描实体模型，并建模设计溜井井筒三维实体模型，同时绝对定位至-600m中段平面图。得到如图5所示的-600m水平2#溜井扫描与设计模型复合图。

图5 2#溜井扫描实体、设计模型、-600m水平复合图

3、






数据分析

根据数据模型，得到2#溜井坍塌报告如下：

1.垮塌区域主要分布于-610m至-650m之间，其中610m-630m以上垮落方向为南北方向，主要为卸矿冲击造成，-630m至-650m垮落方向为东西方向；

2.最大垮塌点约位于-622m、-630m、-640m、-646m四个水平处。根据实体模型与设计模型“布尔运算”得到垮落体的体积为619.313m3；

3.为了更加清楚的展示整条溜井的垮落情况，以及溜井后期修复治理提供设计资料，分别沿最大垮落方向剖切纵剖面，如图6所示。

A 南北方向纵剖面 B 东西方向纵剖面

图6 最大垮落方向纵剖面图

三、成果应用

基于对2# 矿石溜井扫描成果的借鉴，我矿对新立主溜破提升系统进行了全面、系统的数据采集，以建模分析治理，确保提升系统的正常运行。整体方案为逐个对1#溜井、2#溜井、3#废石溜井进行三维扫描建模，建立了-600m中段水平、主混合井、1#溜井、2#溜井、3#废石井复合模型，如图7所示。

图7 1# 、2# 、3# 、主混合井、-600m水平符合图

同时，通过上述扫描得到的溜井实体模型复合模型，按照与设计溜井的具体形态对比结果，截取局部特征位置如下图8-2、8-2所示。

（a）混合井 （b）1#溜井 （c）2#溜井 （d）3#废石井

图8-1 标高-627.11m处垮塌情况

（a）混合井 （b）1#溜井 （c）2#溜井 （d）3#废石井

图8-2 标高-653.62m处垮塌情况

为了得到整体的新立矿区溜井提升系统复合模型，后期再对1#成品仓、2#成品仓进行补测建模，建立整体提升系统坍塌复合模型，如图9所示。通过全局系统模型与设计模型对比分析，以制定整体全面、科学合理、细致严密的修复工程方案、设计。

图9 混合井、1#溜井、1#成品仓、2#溜井、2#成品仓、3#废石井复合模型

4.






社会效益

通过对主混合井提升系统的三维扫描建模，精准掌握了我矿溜井提升系统的坍塌破坏情况，及时制定了完善的修复措施、治理方案，遏制了溜井系统坍塌情况的恶化，确保了提升系统的安全运行；精准的技术资料以及确定的治理方案，确保了治理工程的施工质量延长了溜井系统的服务年限；三维实体模型与修复设计模型确定了工程修复立方量，精确地计算了工程投资；同时，精准的技术措施保证治理工作完全按预定目标顺利完成，保证了三山岛金矿正常生产全面恢复。