普朗铜矿采区溜井精细化扫描及建模技术

沙文忠 张 驰 彭 张 魏银鸿 陈 凯

(1.云南迪庆有色金属有限责任公司，云南 香格里拉 674400；2.北京矿冶科技集团有限公司，北京 100160；3.金属矿山智能开采技术北京市重点实验室，北京 102628)

矿石溜井是联系矿山不同分段之间距离最短的运输工程，其承担着输送矿石的重要任务，是矿井生产的咽喉[1]。一直以来，由于矿石溜井特殊的工程特点，投入使用前并没有一套成熟的方法对其施工质量进行检验，因而造成溜井施工实际尺寸与设计尺寸相比存在较大偏差，其中最为常见的是断面狭小、轮廓不规则，从而导致其在投入使用初期一旦倒入大块矿石便发生严重堵井问题，无法正常输送矿石，影响矿山正常的生产计划；另外，由于溜井工程承担着储存和转运矿石的重任，势必长期存在矿石与井壁之间的不同程度碰撞和摩擦，特别是矿石泻入点及矿石在井内的回弹区域，井筒垮塌现象明显。据不完全统计，国内诸如金山店铁矿、大红山铁矿、安徽开发矿业李楼铁矿、大尹格庄金矿、山东黄金三山岛金矿等[2-6]矿山的放矿溜井在使用过程中均不同程度的出现了溜井垮塌问题，其中最大的垮塌宽度以井筒设计边界为基准超过10 m，严重威胁了井筒周边工程的稳定及相关作业人员的生命安全。针对上述问题，矿山亟需一种方法能够有效确定溜井的实际形态，一方面能够确保溜井在投入使用前达到设计要求；另一方面可以及时掌握生产过程中溜井井筒的变化趋势，以便通过调整放矿计划或者修复治理措施避免井筒破坏区域的进一步扩大。

目前，国内外针对溜井工程检测主要有三种方式，分别为人工手检、视频检查[7]和激光扫描[8]，人工手检需要检测人员乘坐吊罐或者安全绳深入溜井内部，该种方式可以直接查看损坏区域，但实际测量难度大，而且由于损坏溜井的侧壁存在浮石且有进一步大面积垮塌的风险，因而该方式存在较大安全隐患，不利于检测工作的开展且不符合安全规范；视频检查是一种将携带有拍照或录像功能的设备通过悬吊的方式放入溜井内部来观测井壁形态的检测手段，可通过图片或者视频影像观察溜井内部的真实形态，但该种方式虽然可凭借经验大致判断井壁形态的变化趋势，但无法获得精确的纵深信息，因而不利于对溜井破坏区域给出定量评价。激光扫描方式的出现弥补了上述检测方式存在的不足，而且历经多年的发展已日渐成熟，将激光扫描设备放入溜井内部，通过扫描可获得溜井内部空间真实而且完整的三维形态，进而通过剖面分析、体积计算对溜井损坏区域给出定量评价。

采用激光扫描技术进行探测的设备目前有很多种，其中有代表性的包括北京矿冶科技集团有限公司的BLSS-PE矿用三维激光扫描测量系统[9]，加拿大Optech公司的CMS空区探测系统[10]，英国MDL公司的C-ALS洞穴三维激光扫描系统[11]，英国GEOSLAM便携式三维激光扫描仪[12]，澳大利亚Maptek公司的LASERGO空区三维激光扫描仪等[13]，其中CMS空区探测系统、LASERGO空区三维激光扫描仪与BLSS-PE矿用三维激光扫描系统原理相同，但相同扫描精度要求条件下前两种方式扫描时间更长，对于危险性较高的溜井扫描工作而言适用性较低；GEOSLAM便携式三维激光扫描仪是近两年才推出的新型便携式测量系统，操作简单，方便易携，但随着测量距离的延伸点云会发生漂移，对于溜井工程，很难进行闭环检测，因而精度较低；C-ALS洞穴三维激光扫描系统相较以上方式更加适用于需要通过钻孔方式才能实施的洞穴探测，另外由于其相同精度要求下扫描时间更长，而且对于溜井扫描而言，随着下放深度的增加，受自转的影响其扫描精度较难得到保障，因而适用性相对较差。

综合多种因素，本文采用BLSS-PE矿用三维激光扫描系统对普朗铜矿采区溜井开展了精细化扫描，并建立了真实可靠的三维模型，为溜井验收及生产过程中的稳定性评价提供了准确的参考数据。

1 普朗铜矿概况

普朗铜矿位于云南省西北部迪庆藏族自治州香格里拉市北东部，滇西北著名的横断山脉东北部，地势总体较高，海拔3 600～4 500 m。根据普朗铜矿矿岩性质和岩石力学研究结论，设计推荐采用自然崩落采矿法。矿山设3 736、3 720、3 700、3 660、3 600、3 640 m共计6个作业层，无轨设备出矿设置在3 720 m水平，无轨运矿布置在3 660 m水平，两个水平之间通过采区溜井进行连接，采区溜井布置在3 720 m水平无轨设备出矿穿脉内，根据采场宽度不同每条出矿穿脉中布置1～3条溜井，实际基建范围从S5至N3共8条穿脉内分别设置2条采区溜井，共计16条采区溜井。

2 扫描系统介绍

BLSS-PE矿用三维激光扫描系统是由北京矿冶科技集团自主研发制造的一套多用途高精度空区探测系统，普朗铜矿于2018年6月成功引入，专门应用于采区溜井的日常检测及生产维护。该套系统主体构件包括扫描主机、电源箱以及扫描控制终端三个部分，如图1所示。为了测量溜井需要，矿冶集团结合单位需求对上述部件进行了改装，其主要体现在以下几个方面：一是扫描主机通过机械构件悬挂式固定；二是数据通讯通过无线网桥进行连接；三是设备下放采用电动方式无线遥控。从根本上解决了一般测量方式无法满足溜井测量工作的要求，同时大幅降低了技术人员的劳动强度。

图2所示为改装后的扫描系统构成。

图1 BLSS-PE三维激光扫描系统Fig.1 BLSS-PE three-dimensional laser scanning system

3 采区溜井精细化扫描

3.1 建立测量区域安全平台

溜井垂直高60 m，设计半径1.8 m，井筒未进行支护，井口采用“田”字格钢型材锁口，上部孔口为边长1.2 m正方形网格，井口正上方安全性差，溜井测量工作需要在溜井口正上方进行，为了保证人员及设备安全，测量工作实施前需要在井口搭建安全平台并预留设备下放入口。根据测量工作需要及现场条件，首先采用2 m×2 m柔性钢筋网铺设在其中三个格筛口，如图3(a)所示。然后在柔性钢筋网上方铺设高强度复合板材，如图3(b)所示，得到一个平整安全的操作平台。

图2 改装后的溜井三维激光扫描测量系统Fig.2 Modified three-dimensional laser scanning measurement system

图3 井口安全平台搭建Fig.3 Wellhead safety platform construction

3.2 测量系统组装及调试

基于现场搭建的测量区域安全平台，选择在预留格筛口架设扫描测量系统，首先将同款专业级三脚架分别架设在格筛口两侧，调整至相同高度；然后将高强度承载梁固定在三脚架的顶部，依次悬挂主牵引电机，辅助牵引电机完成动力辅助结构组装。然后于井口一侧安全区域将扫描主机固定于辅助吊框下端，并与电源箱完成连接，然后将整套结构悬挂于主辅牵引电机下端，接通扫描主机控制电源，通过无线控制开关控制牵引电机测试下放结构是否正常运转，通过电脑控制扫描主机测试扫描系统工作是否正常，待上述系统均运转正常后可投入使用。

3.3 溜井形态精细化扫描

溜井工程的特点是垂直深度高、井筒断面不规则，因而采用激光扫描手段很难一次性完成整条溜井形态的扫描工作，为了保证最终数据的准确可靠，确定采用接续架站的方式完成整条溜井的现场扫描工作。即以井口作为扫描起始位置， 并记录参考点作为0标高，然后进行第一次扫描，根据扫描成图效果，确定第二站扫描时的下放高度，并用高精度激光测距仪进行测量，下放至指定高度后开展第二站的扫描工作，如图4所示溜井测量至第二站的实际位置图。如此循环，直至完成整条溜井的扫描工作，这里以普朗铜矿S1-1溜井为例开展现场扫描，根据扫描情况共设置4个测站，分别为井口0 m，井口向下10.029 m，井口向下20.100m以及井口向下25.600 m。

图4 溜井扫描实施效果图Fig.4 Implementation effect of the chute scanning

4 采区溜井三维建模

按照上述测量方法得到整条溜井于不同高程位置的三维点云数据如图5所示。观察不同高程处扫描的点云数据可知，0 m处扫描的数据在井口下方10 m左右存在扫描数据不完整的情况，因此我们将扫描设备下放相应的高度进行了第二次扫描，得到10.029 m位置的扫描点云，通过进一步观察，10.029 m以下10 m左右也存在扫描数据不完整的情况，因此我们将扫描设备再次下放相应的高度进行了第三次扫描，得到20.100 m位置的扫描点云，同理得到25.600 m位置的扫描点云。

基于上述点云数据，按照高程位置不同进行复合，得到如下图6(a)所示的溜井三维模型，该模型由于点云重复度较高，因而整体视觉效果显示点云较为稠密，为此将重合位置的点云进行删减，得到如图6(b)所示的完整拼接的溜井三维点云模型。

图5 不同高程位置扫描点云数据Fig.5 Scanning point cloud data at different elevation locations

图6 溜井扫描复合模型Fig.6 The composite model of scanned chute

为了将扫描结果更好的呈现以及开展下一步的计算分析，基于上述拼接建立的溜井三维点云模型，首先采用Delaunay三角网算法建立溜井三维实体模型，如图7所示。

图7 溜井三维实体模型Fig.7 Three-dimensional solid model

对比上述两幅图片可知，溜井三维模型内部由于存在噪声点以及冗余点，导致采用上述算法建模后实体外形内部包裹冗余实体，一方面由于存在开放边和自相交线条等，导致其无法直接计算体积，影响溜井体积计算的准确性；另一方面，由于其内部存在冗余实体，将对溜井形态分析造成干扰，为此，本文针对上述复杂的溜井三维实体模型开展进一步的处理，这里采用Geomagic逆向工程重建软件重生成溜井三维实体模型，选择外部边界并反选实体模型如图8(a)所示。进一步基于上述重构模型，删除内部冗余对象并对外部轮廓三角网进行填充得到如图8(b)所示的完整溜井三维模型。

图8 溜井三维模型构建Fig.8 Three-dimensional model construction of the chute

通过图8(b)所示的溜井三维模型不难发现，溜井内部的冗余实体已经被完全清除，借助BLSS-PE矿用三维激光扫描系统的配套软件对其开放边、自相交以及无效边进行检测发现该三维模型已经完全封闭，如图9所示。

图9 封闭的溜井三维实体模型Fig.9 Closed three-dimensional solid model of chute

5 结论

溜井建模质量直接决定其后期的应用效果，获得精细完整的溜井三维模型对于准确评价溜井前期施工效果、使用过程中的损坏程度以及开展进一步的溜井周围岩体的稳定性分析等均有重要意义。本文针对普朗铜矿溜井使用过程中出现的问题，采用目前主流的BLSS-PE三维激光扫描设备对其进行了探测并建立了准确的三维模型并确定应用效果如下。

1)通过采用垂直悬吊下放的方式将扫描仪伸入溜井内部的不同高程位置，分站扫描，逐段拼接得到整条溜井各个位置精细的三维点云，可更加完整且准确的描述溜井实际形态。

2)采用BLSS-PE系统软件与Geomagic逆向工程重建软件协同配合的方式，构建完全封闭的溜井三维模型，为溜井体积计算、边界分析以及稳定性评价等奠定了基础。