基于C-ALS三维激光扫描的深埋隐蔽采空区空间形态探测与治理
2021-06-06邱振华林秀云
邱振华，林秀云
(广东省大宝山矿业有限公司， 广东 韶关市 512128)
1 矿山概况
广东省大宝山矿区位于韶关市曲江区沙溪镇境内，是以铁、铜、铅锌矿为主的大型多金属露天矿山。+750m以上主要为褐铁矿，以下为黄铜矿、磁黄铜矿、硫、铅锌矿。褐铁矿已于2015年采完，目前主要开采铜硫矿，年产量为330万t，矿区最高开采标高为865m，最低标高为637m，台阶高度为12m，开采范围在0～63勘探线之间。目前开采水平为+637m～+793m，+793m以上为基建剥离。
大宝山矿业有限公司铜硫铅锌多金属矿区原为露天−井下联合开采，由于民采的历史原因，采坑境界内+730m～+400m之间遗留大量采空区，范围涉及整个采场。据统计，矿山每年发生采空区塌陷险情数十起，仅2019年就发生78起，严重威胁正常生产。因此，亟待开展深埋隐蔽采空区空间形态探测技术的研究，以降低事故发生概率。
2 采空区探测
2.1 C-ALS三维激光探测
矿山采空区三维激光探测系统选用C-ALS空区自动激光扫描系统。该系统主要由C-ALS探头、连接加长件、主电缆线、钻孔跟踪杆架、地面单元、供电电源线、笔记本电脑等构件组成。
C-ALS采用双轴扫描探头，扫描范围为0.5m～150m，以覆盖整个空区。仪器有线遥测系统可将测量数据传回地面的控制单元，利用MDL的控制软件实时获取激光扫描生成的三维空区图像，ALS扫描系统具有垂直扫描和水平扫描两种功能（见图1）。亦可建立空区三维模型，然后将空区模型与矿体模型复合，得到矿区三维实体模型。
图1 扫描轨迹
2.2 采空区探测数据处理
采空区经过C-ALS三维激光扫描后，利用C-ALS控制软件得到采空区三维扫描数据。对采空区三维扫描数据进行分析，得到采空区相关空间参数：方位坐标，顶板标高，底板标高，采空区高度、跨度、面积、体积等。C-ALS控制软件可以将三维扫描图转换为CAD版本，运用CAD软件将采空区三维俯视图绘制成采空区平面图。
2020年4月2日，通过水平扫描方式获取采场512线709m层面下方689采空区三维扫描图像及CAD平面图，如图2所示。扫描采空区参数见表1。
图2 689采空区扫描结果
表1 51-689采空区参数
2020年5月8日，通过垂直扫描方式获得采场37线649m层面下方632采空区三维扫描图像及CAD平面图，如图3所示。扫描采空区参数见表2。
图3 632采空区扫描结果
表2 632采空区参数
2.3 C-ALS三维激光扫描验证
为了校验C-ALS三维激光探测的深埋隐蔽采空区空间形态精度，2020年5月13日，在685层面45线对即将处理的658采空区进行三维激光扫描。经三维激光扫描获取的该采空区三维模型及平面图如图4所示，采空区参数见表3。
图4 658采空区扫描结果
5月15日，在685m层面对658采空区实施崩落顶板爆破处理，结果见表4。
表3 658采空区参数
表4 658采空区爆破处理实际钻孔参数表
通过表1可以看出：
（1）根据扫描参数设计的采空区炮孔深度与实际穿孔深度基本相符，孔深存在误差的原因主要是实际层面标高与设计标高+685m有差异；
（2）采空区内设计炮孔基本都打穿，10号孔因为岩石破碎无法穿孔，13号孔未出现异常，穿孔精准度为95%；
（3）经爆破处理后对地形进行测量核对评估，认为爆破后顶板碎石对采空区完全充实，效果达到预期目标。
658采空区扫描数据及处理情况说明C-ALS三维激光扫描仪扫描的采空区参数与实际相符合。
3 采空区矿体开采技术
采空区经扫描后对扫描采空区进行管理，在生产计划图纸上建立采空区管理档案，掌握采剥作业下方采空区情况，在开采过程中实施动态管理。图5为649m、661m层面33至37勘探线下部已探明采空区的情况资料。
图5 33-37线已扫描采空区资料
（1）确定采空区保安层安全厚度。根据采空区顶板钻孔岩性情况，保安层最小厚度按h=0.71b−1.02计算。确定采空区安全厚度后制定爆破参数处理采空区，处理台阶以上的台阶开采正常推进。以658采空区为例，658采空区爆破崩落处理台阶为685m，其上方697m、709m、721m台阶正常推进。
（2）揭露采空区。在685m台阶上方揭露采空区时，需对采空区上方的爆堆铲装作业制定安全运输方案，以防发生采空区垮塌。通常为固定一台挖机设备，环绕采空区外侧对采空区上方松石进行铲装，挖机需要进入采空区范围内铲装时，分析扫描数据，挖机机台选择在顶板较厚位置，运输车辆一进一出。现场有安全管理人员全程监管，直至松石清理完毕。
（3）采空区管理。对已经探明揭露暂时不处理的采空区，先进行层面警戒，树立标识牌，严禁无关人员、车辆设备进入空区范围内；设置测量观测点定时监测，日常采空区管理人员对该采空区进行测量、检查。
（4）处理采空区。采空区完全揭露在处理层面后，制定爆破崩落顶板处理方案，对采空区进行处理，消除采空区隐患。
4 结论
（1）深埋隐蔽采空区严重制约矿山安全生产，而C-ALS空区自动激光扫描系统能够有效解决此类空区空间形态探测难题，该系统具有使用灵活、探测速度快、三维可视化程度高、精准三维探测等优点，为采空区处置提供科学依据和技术保障。
（2）大宝山矿运用 C-ALS空区自动激光扫描8年来，共探测161个隐患密闭采空区，探测精确度为95%，避免可能发生的设备坠落事故138起，取得了良好安全效果。
（3）大宝山矿深埋隐蔽采空区主要采用爆破崩落顶板处置方法，该方法是在采空区顶板按一定网度布置炮孔打穿采空区，然后对孔底进行吊装回填，最后装药充填起爆。该处置方法施工简单，多年来大宝山矿共成功处置了96个采空区，取得了良好效果。
