（采矿工程专业论文）基于矿山3d数据库的采场贫损与稳定性研究.pdf

博+ 学位论文 摘要 摘要 我国地下矿山深孔、中深孔采空场的基础数据一直难以获取， 采场的损失贫化、大块率及对周围充填体或围岩的破坏也一直难于 控制，因此也相应制约了深孔、中深孔等高效率采矿方法在我国地 下矿山的应用，与发达国家相比，我国深孔、中深孔采矿方法的应 用比率明显偏低。另外，群体采空场和充填条件下采空场的稳定性 问题缺乏较系统的研究，在理论和试验方面均有待于进一步探索， 过去数值模拟的结果很难得到实际的验证，其参考价值存有一定的 疑问。针对上述问题，结合国家“十一五”科技支撑计划项目“多 灾源矿床高效率采矿与安全环境控制综合技术”( 2 0 0 6 b a b 0 2 8 0 4 1 ) 和中南大学理科发展基金项目“采空场三维空间数据获取与可视化 方法研究”( 0 7 s d f 0 9 ) ，对深孔、中深孔采场的空间数据获取、损失 贫化和稳定性进行了深入研究，主要研究内容如下： 第一，研究基于三维激光扫描技术的采空场探测方法。对三维 空间数据获取原理、三维激光扫描技术原理进行理论的探索；研究 激光扫描数据预处理、三维可视化模型的构建方法。 第二，研究激光在井下空气中的传播规律及扫描点云数据的误 差影响因素。依据测量的误差理论，系统分析其误差的来源、误差 的影响因素，最终推算出其点云数据单点精度的评价指标；研究激 光光束在井下空气介质中的传播规律，从理论和实践上探索和分析 井下激光能量衰减的主要原因。 第三，对构建的采空场三维可视化模型及矿山3 d 空间数据库进 行系统的可视化挖掘。从采空场几何信息、空间关系信息、属性信 息以及空间要素和非空间要素联合的可视化挖掘中，研究矿山空间 信息可视化挖掘的理论、技术和方法，发现数据背后隐藏的有价值 的深层信息，为更好地应用这些数据和信息奠定基础。 第四，从理论和技术上探索基于矿山3 d 数据库的采场贫损控制 新方法。研究连续开采的采场贫损控制新模式，探索三维空间数据 精确获取与高效率连续开采方法的良性互动与结合点；研究采矿环 境再造的采场贫损控制新模式，探索减少人工框架的破坏，降低矿 博十学位论文摘要 石损失贫化的新方法；研究基于矿山3 d 数据库的矿柱回采方法，解 决两步骤回采的矿柱资源回收困难的问题；研究基于矿山3 d 数据库 实际采矿过程中损失贫化的精确计算方法。 第五，从理论上系统地探索和研究了采空场失稳机理及采空场 失稳的主要影响因素。通过数值模拟分析研究群体采空场、不同充 填程度采空场的围岩稳定状态及其失稳破坏规律，并采用c m s 扫描 对模拟结果进行检验；通过系统的区域地质岩层调查与实验室测试 分析，获取准确的数值模拟基础参数，并研究参数变化对模拟结果 的影响；研究采空场安全控制与处理的技术、理论和方法，采用c m s 扫描的方法研究采空场顶板破坏的演化规律。 本文立足于学科前沿，紧密结合地下矿山实践，综合运用数学、 力学、图形学、采矿学的基本知识，采用先进的试验手段和技术方 法，对采空场空间数据获取、贫损控制与稳定性分析进行了深入细 致的研究，为最终实现经济、安全、高效的回采奠定了理论和技术 基础，具有重要的理论意义和工程应用价值。 关键词：金属矿山，激光扫描，可视化挖掘，贫损控制，稳定性分 析 博十学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t b e i n gl a c ko ft h eb a s i cd a t ao fs t o p e sw i t hl o n go rm e d i u ml o n g b l a s th o l e si nu n d e r g r o u n dm i n e si no u rc o u n t r ya n do u to fc o n t r o lo ft h e l o s sa n dd i l u t i o n ，f r a g m e n t a t i o na n df a i l u r eo ff i l lm a s sa n ds u r r o u n d i n g r o c k ，t h e yr e s t r i c tt h ea p p l i c a t i o no ft h ee f f i c i e n tm i n i n gm e t h o d sw i t h l o n ga n dm e d i u ml o n gb l a s th o l e si no u rc o u n t r yc o r r e s p o n d i n g l y a n d c o m p a r e dw i t ht h ed e v e l o p e dc o u n t r i e s ，t h ea p p l i c a t i o nr a t i oo fl o n go r m e d i u ml o n gb l a s th o l e sm i n i n gm e t h o d si so b v i o u s l ys o m e w h a tl o w m o r e o v e r ，r e s e a r c h e so nt h es t a b i l i t yo fm u l t ic a v i t i e sa n dc a v i t yu n d e r b a c k f i l l i n gl a c ks y s t e m a t i cs t u d y i ti s a w a i t e df o rm o r er e s e a r c h e si n t h e o r ya n de x p e r i m e n tf u a h e r t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l ti sd i f f i c u l t t ot e s tp r a c t i c a l l yi nt h ep a s t a n di t sr e f e r e n c ev a l u eh a sc e r t a i nq u e s t i o n a i m i n ga ta b o v eq u e s t i o n s t h ea u t h o rs t u d i e dd e e p l ya n ds y s t e m a t i c a l l y o nt h es p a t i a ld a t aa c q u i s i t i o no f s t o p e sw i t hl o n ga n dm e d i u m l o n gb l a s t h o l e s ，d i l u t i o na n ds t a b i l i t y , c o m b i n i n gw i t ht w om a i np r o j e c t s ：t h e11 u 1 f i v e - y e a rn a t i o n a lk e yt e c h n o l o g yr & dp r o g r a m “c o m p r e h e n s i v e t e c h n o l o g yo fe f f i c i e n tm i n i n ga n ds a f e t ye n v i r o n m e n t c o n t r o li n d e p o s i t sw i t h m u l t id i s a s t e rs o u r c e ( 2 0 0 6 b a b 0 2 8 0 4 1 ) a n dt h e s c i e n c es u b j e c t se x p a n s i o nf u n d sp r o j e c to fc s u s t u d yo n3 ds p a t i a l d a t aa c q u i s i t i o na n dv i s u a l i z a t i o no fc a v i t i e s ”( 0 7 s d f 0 9 ) t h em a i n r e s e a r c hc o n t e n t sa n dr e s u l t si nt h ed i s s e r t a t i o na r ea sf o l l o w s ： f i r s to fa l l ，s u r v e y i n gm e t h o do fs t o p e sa n dc a v i t i e sb a s e do n3 d l a s e rs c a n n i n gt e c h n o l o g yw a ss t u d i e ds y s t e m a t i c a l l y t h e3ds p a t i a ld a t a g a i n i n gp r i n c i p l ea n dt h e3 dl a s e rs c a n n i n gt e c h n o l o g yp r i n c i p l ew e r e e x p l o r e di nt h e o r y l a s e rs c a n n i n gd a t ap r o c e s s i n ga n dc o n s t r u c t i o n m e t h o do ft h e3 dv i s u a l i z a t i o nm o d e lw e r es t u d i e d s e c o n d l y t h el a s e rp r o p a g a t i o nr u l ei nt h eu n d e r g r o u n da i ra n de r r o r i n f l u e n c i n gf a c t o r so fs c a n n i n gp o i n tc l o u d sw e r es t u d i e ds y s t e m a t i c a l l y i t se r r o r so r i g i na n de r r o r si n f l u e n c i n gf a c t o r sw e r ea n a l y z e db a s e do n t h ee r r o rp r o p a g a t i o nr u l e ，a n dt h es o l ep o i n tp o s i t i o np r e c i s i o no ft h e c l o u dd a t aw a sd e d u c e df i n a l l y ；t h ep r o p a g a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fl a s e r b e a mi nu n d e r g r o u n da i rm e d i u mw e r es t u d i e d ，p r i m a r yc a u s e so ft h e l a s e re n e r g yd e c a y i n gi nt h eu n d e r g r o u n dw e r ee x p l o r e dt h e o r e t i c a l l ya n d p r a c t i c a l l y t h i r d l y , v i s u a ld a t am i n i n go f3 dc a v i t ym o d e l sa n d3 ds p a t i a l d a t a b a s e sw e r ep e r f o r m e ds y s t e m a t i c a l l y f r o mt h ev i s u a ld a t am i n i n go f g e o m e t r yi n f o r m a t i o n t h es p a t i a l r e l a t i o n si n f o r m a t i o n ，t h ea t t r i b u t e i n f o r m a t i o na sw e l la st h eu n i o no ft h es p a t i a l a n dn o n s p a t i a l i n f o r m a t i o n w es t u d i e dt h et h e o r i e s ，t e c h n i q u e sa n dm e t h o d so ft h em i n e s p a t i a li n f o r m a t i o nv i s u a l d a t am i n i n g ，d i s c o v e r e dt h ev a l u a b l ea n d i n d e p t hi n f o r m a t i o nh i d i n gb e h i n dt h ed a t aa n dl a i dt h ef o u n d a t i o no f a p p l y i n gt h e s ed a t aa n di n f o r m a t i o nb e t t e r f o u r t h l y , t h en e wm e t h o d so f t h es t o p ed i l u t i o nc o n t r 0 1b a s e do n3 d m i n i n gd a t a b a s ew e r ee x p l o r e dt h e o r e t i c a l l ya n dt e c h n i c a l l y t h en e w m o d eo fs t o p ed i l u t i o nc o n t r o li nc o n t i n u o u sm m l n gw a ss t u d i e d 1n e ，n 1 i n t e r a c t i o na n dc o m b i n a t i o no f3dl a s e rs u r v e y i n ga n dt h ee f f i c i e n t c o n t i n u o u sm i n i n gm e t h o d sw e r es e a r c h e df o r t h en e wm o d eo fs t o p e d i l u t i o nc o n t r o li nr e c o n s t r u c t e dm i n i n ge n v i r o n m e n tw a ss t u d i e d ，t h e d e c r e a s eo fa r t i f i c i a ls t r u c t u r ed e s t r u c t i o na n dd i l u t i o nw e r ee x p l o r e d ； t h en e wm e t h o do fp i l l a rs t o p i n gb a s e do n3 dd a t a b a s ew a ss t u d i e d ，t h e p r o b l e mo f t h ep i l l a rr e s o u r c e sr e c o v e r yw h i c h2 - s t e ps t o p e dw a ss o l v e d t h ep r e c i s ec o u n t i n gm e t h o do fd i l u t i o ni nt h ea c t u a lm i n i n gp r o c e s s b a s e do n3dd a t a b a s ew a ss t u d i e d f i n a l l y , t h em e c h a n i s ma n da f f e c t i n gf a c t o r so fc a v i t ys u r r o u n d i n g r o c kf a i l u r ew e r ee x p l o r e d b yt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dt h e o r e t i c a l a n a l y s i s t h ef a i l u r er u l e so fs u r r o u n d i n gr o c ki nm u l t ic a v i t i e sa n dc a v i t y u n d e rb a c k f i l l i n gw e r es t u d i e d ，t h es i m u l a t i o nr e s u l tw a st e s t e db yc m s s c a n n i n g ；b ys y s t e m a t i c a li n v e s t i g a t i o no ft h er e g i o n a lg e o l o g yr o c k 1 a y e ra n dl a b o r a t o r yt e s t ，t h ea c c u r a t en u m e r i c a ls i m u l a t i o np a r a m e t e r s w e r eg a i n e d ，a n dt h ei n f l u e n c eo fp a r a m e t e rv a r i a t i o nt ot h es i m u l a t i o n r e s u l tw a sa n a l y z e d t h et e c h n i q u e s ，t h e o r i e sa n dm e t h o d so fc a v i t y s a f e t yc o n t r o la n dd e a l i n gw e r es t u d i e d t h ee v o l v e d r u l e so fc a v i t yr o o f f a i l u r ew e r es t u d i e db vc m ss c a n n i n g i ns h o r t ，t h er e s e a r c hi nt h i sd i s s e r t a t i o ni sb a s e do nt h ef r o n t a lo f t h es u b je c ta n dc o m b i n e dw i t hu n d e r g r o u n dm i n i n gp r a c t i c ec l o s e l y t h e i v 博十学位论文a b s t r a c t i j , 寡曼寡皇皇皇皇皇詈詈曼! 曼皇曼皇鼍詈皇皇曼曼曼曼! 曼皇鼍寡量! 曼曼! 詈詈詈鼍詈蔓璺! 曼詈皇詈鼍曼葛皇舞鼍曼詈詈鼍皇鼍寡篁曼皇葛鼍喜葛葛皇暑葛量皇鼍葛寡曼暑皇鼍曼皇皇鼍皇曼曼皇 t h e o r i e sa n dm e t h o d so fm a t h e m a t i c s ，m e c h a n i c s ，g r a p h i c s ，m i n i n g ， a d v a n c e de x p e r i m e n tm e a n sa n dt e c h n i c a lm e t h o d sa r eu s e di ns t u d y i n g o nc a v i t ys p a t i a ld a t aa c q u i s i t i o n ，d i l u t i o nc o n t r o la n ds t a b i l i t ya n a l y s i si n d e p t ha n dd e t a i l i tf o u n d e dat h e o r e t i c a la n dt e c h n o l o g i c a lb a s i sf o r r e a l i z i n ge c o n o m i c ，s a f e a n de f f i c i e n t m i n i n g t h er e s e a r c hi nt h e d i s s e r t a t i o ni so fi m p o r t a n tt h e o r e t i c a l s i g n i f i c a n c ea n de n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o nv a l u e s k e yw o r d s ：m e t a lm i n e s ，l a s e rs c a n n i n g ，v i s u a ld a t am i n i n g ， d i l u t i o nc o n t r o l ，s t a b i l i t ya n a l y s i s v 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获 得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的 同志对本研究所作的贡献均己在论文中作了明确的说明。 作者签名： 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允许学 位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以 采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科学技术信息 研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向 社会公众提供信息服务。 作者签名：二蔓，4 兰一导师 作者签名：j 幽! 导师 ：啦卫月拗 博士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 在人类现代文明的进程中，采矿工业是最先兴起的工业。1 8 世纪中叶产业 革命以来，矿业就成为国民经济的基础产业，它推动着近代工业文明的兴起， 它的发展与国家工业现代化的进程紧密相关。但是，矿业开发也是双刃剑，在 持续挖掘地下矿床、为工业提供各种原料的同时，给人类的生存环境带来严重 影响【。 上世纪八、九十年代的一段时期，我国矿业开采秩序较为混乱，非法无序 的乱采滥挖在一些矿山及其周边留下了大量的采空场，致使矿山开采条件恶化， 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 表塌陷等时有发生，给矿山安全生产构成严重威胁【2 j 。典型的如2 0 0 1 年广西南 丹大厂矿区“7 1 7 透水事故和2 0 0 5 年邢台县“1 1 6 ”石膏矿坍塌事故，给国家 造成了巨大损失，社会影响恶劣。国内存在着类似隐患的矿山还有柿竹园多金 属矿、厂坝铅锌矿、狮子山铜矿、栾川钼矿、兰坪铅锌矿、大宝山矿等，它们 将是矿山后续开采所面临的一大技术难题。 在解决上述难题的过程中，将主要遇到以下四个方面的问题： ( 1 ) 矿山三维空间数据的精确获取； ( 2 ) 三维空间数据建模与可视化； ( 3 ) 资源的经济、安全、高效回采； ( 4 ) 采空场灾害预防与安全控制。 矿山三维空间数据的精确获取是后续工作的前提，也是首先必须要解决的 问题。精确分析结果以及设计方案是否反映实际，归根到底取决于输入信息的 可靠性。三维建模与可视化、资源回收、灾害预防与安全控制等都需要建立在 相对可靠的三维原始空间数据的基础上。由于矿岩介质自身的多相、非均质、 各向异性和采矿过程多步开挖的复杂工程环境特点，构成采矿工程的复杂性和 不确定性，对于复杂的不确定系统，需采用系统思维、反馈思维、全方位思维 进行研究【3 】，并通过“基础资料采集初选方案确定多方案定量计算分析 多目标优化决策现场监测和反分析修改和完善设计”的动态优化 设计系统【4 】，将数值分析、人工智能、可视化技术等运用到采矿工程设计中，实 博+ 学位论文第一章绪论 现过程的智能监控和实时调节，形成“智能系统思考”理论与技术体系 5 - 1 s 】。 隐患空区条件下的资源回采是一项复杂的系统工程，在此环境下单纯地考 虑灾害预防，就会丢失大量的宝贵资源，而片面地追求采矿效率忽视安全则可 能引发大面积的井下灾害。因此，隐患空区条件下的资源回采既要满足高效的 生产能力，又要保障回采作业的安全，为此作者提出了基于矿山3 d 数据库的区 域智能化采矿的构想【l 引。它是以采场的贫损控制为基础，即在矿山局部区域( 如 一个采区或一个矿块) 回采全过程中通过动态监控，建立三维空间数据库，并 根据采矿过程中对象本身的变化，更新和完善数据库，在此数据库的基础上进 行采矿设计、爆破设计、安全评价、核算损失贫化等，从而实现区域经济、安 全、高效地回采。 1 2 研究课题来源与意义 本论文选题瞄准采矿科技前沿，紧密结合矿山工程实践，力争在取得理论 创新的同时，为资源高效回采与空区灾害预防提供技术支持与参考。研究课题 主要来源于以下两个研究项目： ( 1 ) 国家“十一五 科技支撑计划专题项目“多灾源矿床高效率采矿与安 全环境控制综合技术 ( 项目编号：2 0 0 6 b a b 0 2 8 0 4 1 ) ( 2 ) 中南大学理科发展基金项目“采空场三维空间数据获取与可视化方法 研究 ( 项目编号：0 7 s d f 0 9 ) 以上两个研究项目的总体目标是：以多灾源矿体资源的回收为研究对象， 研究高品位碎裂矿段诱导崩落安全高效回收技术、硫化矿床空区积水探测与突 水灾害预防技术、井下热环境监测与调节技术、高应力条件下矿柱群安全开采 技术、铜坑区域空区形态探测与地压数值模拟技术、开采区域灾害微震监测与 灾害控制技术；建立安全生产的作业保障体系，避免出现重大灾害事故。本论 文结合上述研究项目，运用三维激光扫描技术获取矿山三维空间信息，形成集 三维空间数据采集、可视化模型建立、安全性评价与治理、资源回收的一体化 技术。为圆满完成国家科技支撑计划项目的研究任务，以及试验矿山资源的安 全高效回采和大范围空区的灾害预防，提供科学指导和技术支持。本研究的应 用范围涉及矿山工程、地下空间工程等多个领域，可为地下空间三维空间数据 获取、三维可视化建模、稳定性分析与安全评价以及资源回收等提供技术参考。 因此，本论文研究课题具有重要的理论意义和工程实用价值。 2 博士学位论文 第一章绪论 1 3 国内外研究现状与评述 1 3 1 矿山空间数据获取技术研究现状 三维空间数据是我们对客观环境及实物的形态、位置和其它属性进行数字 化的三维描述【2 0 1 。矿山空间数据的获取，究其实质是井下空间三维坐标数据的 采集。对于地下矿山，由于井下空间是逐渐延伸形成的，而且井下空间形态各 异，作业环境恶劣，部分区域人员无法进入等诸多原因，使得矿山三维空间数 据的采集异常困难，但此项工作对于地下矿山又必不可少。 目前国内外对矿山三维空间数据采集的手段有传统测量方法 2 1 - 2 9 】、物理探 测方法 3 0 4 0 和三维激光扫描方法【5 1 侧。美国、加拿大、澳大利亚等西方发达国 家在九十年代以前主要采用传统测量方法，九十年代以后，三维激光扫描在发 达国家的地下矿山得到了越来越多地应用【5 卜”】。 我国现在井下三维空间数据的获取仍主要是采用传统测量方法，在三维激 光扫描技术方面的研究起步较晚。2 0 0 5 年初作者在国内首次提出运用激光扫描 技术获取采场和空区三维空间信息，2 0 0 5 年8 月本研究小组开始与华锡集团合 作，开展采空场状况的精确调查研究“铜坑矿9 2 号矿体西南采空场形态精 密探测研究”。2 0 0 6 年5 月，在国内首次采用三维激光扫描仪空区激光探测 系统c m s 完成了铜坑矿西南采区的1 2 个采空区和1 个天井的探测工作。如今 中南大学在三维激光扫描技术方面的研究正在继续深入，分别在滦川钼矿、冬 瓜山铜矿、凡1 ：3 铅锌矿、柿竹园多金属矿等矿山开展相关的试验研究【6 1 拼】。在 我国，井下三维激光扫描技术虽然起步较晚，但发展态势良好，并且现场应用 的效果显著。 1 3 1 1 传统测量方法 传统测量方法主要采用经纬仪、全站仪、激光测距仪、钢尺、罗盘等仪器 和工具，获取井下空间体的位置、轮廓、高度、面积和体积等几何属性。传统 测量方法按测量原理的不同可分为剖面法和交会法。剖面法主要用于井下小断 面空间测量，而交会法则可用于人员无法进入的大断面空间的测量。因受仪器 和井下客观条件所限，对于大断面空间的测量，传统测量方法一直还不能很好 地解决【2 4 2 8 5 1 1 。 ( 1 ) 剖面法 剖面法的原理是沿中轴线将空间体分割成相互平行的若干块段，分别测出 各块段上的剖面，由测得的剖面图获知空间体的三维数据。图1 1 ( a ) 为普通 3 璧：竺量兰墼= 兰耋耋 坐标法测量垂直高度的剖面法示意图，图1 1 ( b ) 为极坐标法测量角度和极轴 长度的剖面法示意图。普通坐标法由于无法测量四壁的凹凸部分，而导致误差 较大，极坐标法则很好地解决了这一问题。而且人员相对移动较少，测量的准 确度也较高。 皿隆 ( a ) 普通坐标法( b ) 极坐标法 图i - i 剖面法铡量小断面空间 ( 2 ) 交会法 交会法主要用于人员无法进入的大断面空间体测量。例如，在中深孔采场 中，由于安全原因，人员不能进入采场进行测量，但因为矿量验收、充填、安 全、相邻采场设计、回采等方面需要，又必须要有空区实测图，那么只有采取 相对比较复杂的方法，如图1 - 2 所示，a 、b 、c 、d 、e 、f 为已知的经纬仪导 线点，在以上各点安置经纬仪，当光线照亮空间体轮廓上的某一点时，两台经 纬仪同时瞄准该点，并读取水平角和倾角。根据已知导线点的坐标及测得的水 平角和倾角，通过解析运算即可确定该轮廓点的坐标1 6 ”。 图1 - 2 变会法测量大断面空间 交会法在外业时经纬仪要尽量靠近巷道口，作业安全性差；轮廓特征点的 博十学位论文 第一章绪论 照明比较困难，有些点由于照明原因无法测量；内业数据整理、计算等工作量 大，效率低；由于测得的点数有限，交会法测出的图准确率稍差，很难达到规 范要求的9 5 ，空区体积及位置只能作为参考之用 2 4 , 5 1 j 。 虽然传统测量方法不断在发展，也取得了一些卓有成效的技术和成果，但 由于矿山井下环境的特殊性和复杂性，一些大型空间体的测量非传统手段和方 法可以解决，必须转换思路，以寻求新的突破。 1 3 1 2 地球物理方法 地球物理方法从探测原理上可分为：电磁法、地震法和电法，它们主要是 通过电、电磁波、地震波等探测信号在地下岩层中传播特征来确定异常体产状 及空间形态。由于地下空间体探测条件的复杂性，目前在地下空间体物理精密 探测方面，国内外均处于起步和摸索阶段。 美国较全面地发展了电法、电磁法、微重力法及地震勘探技术，其中以浅 层地震勘探最为突出，g e o r g ea 等人【3 0 】在德克萨斯州中部e l l e n b u r g e r 白云石矿， 采用探地雷达层析成像技术成功探测了坍塌的采空场。日本【3 1 , 3 2 】物探技术在国外 同行业中处于领先地位，应用最广泛的是地震波法，上世纪8 0 年代初就研制开 发了“g r - 8 1 0 ”瑞雷波全自动地下勘探系统，在勘察地下空洞方面效果显著， 9 0 年代后又陆续推出了“g r 8 2 0 ”和“g r - 8 3 0 ”等系列产品。欧洲各国物探技 术应用也较为全面，在地下空间体和空洞探测中，俄罗斯多采用电法、瞬变电 磁法、井间电磁波透视、声波透视和射气测量技术等，英、法、德等国以地质 雷达技术应用见长，微重力法、高密度电法、浅层地震勘测法也有使用。 由于地下洞穴和空区诱发的工程灾害和威胁日益严重，近年来我国许多单 位也致力于地下空间体探测技术的研究。如煤炭科学研究总院张金才 3 3 j 、山东 科技大学的刘传孝【3 4 3 5 】等人应用探地雷达技术探测煤矿含水层、陷落柱、裂隙带、 采空场冒落高度、断层、井巷围岩松动圈等；中国科学院地质研究所赵永贵等 人【3 6 】应用地震层析法在山东招远市界河金矿探测采空场；中国科学院地质与地 球物理研究所祁民等人 3 7 , 3 8 】应用高密度电阻率法探测铁矿、铝土矿中的采空场； 中南大学的刘敦文、黄仁东等人【3 3 】采用r a m a c 便携式雷达，s e 2 4 0 4 e x 地震 及瑞雷波综合探测仪在厂坝铅锌矿探测井下采空场，在新桥硫铁矿用声波层析 成像探测技术探测岩溶、地下水渗流通道情况等都取得了一定的效果。 ( 1 ) 探地雷达法 探地雷达法( g r o u n dp e n e t r a t i n gr a d a r ，简称g p r ) 是一种用于确定地下介 质分布的广谱电磁技术。探地雷达利用一个天线发射高频宽带电磁波，另一个 天线接收来自地下介质界面的反射波。电磁波在介质中传播时，其路径、电磁 5 博十学位论文第一章绪论 场强度与波形将随所通过介质的性质及几何形态而变化。冈此，根据接收波的 旅行时日j ( 亦称双程走时) 、幅度与波形资料，可推断介质的结构。探地雷达的 地质解释是在数据处理后所得的探地雷达罔像剖面中，根据反射波组的波形与 强度特征，通过同相轴的追踪，确定反射波组的地质含义。当岩层中有空区时， 岩层与空区的界面两侧电性差异较大，容易形成强烈的反射波，同时，这一界 面也是岩性的特变点。常产生绕射波，而绕射波在时问剖面e 为双曲线反映。 因此通过时自j 剖面上的特征图像就能确定空区的位胃及深度。图1 - 3 为探地雷达 探测空区的工作原理图。 图1 2 1 探地雷选探测空区工作原理图 ( 2 ) 地震层析法 地震勘测是根据人工激发的地震波对地壳浅层介质的物性特征进行探测的 方法。地震层析法是井中地震勘测向高频方向发展而形成的一种新的地下探测 方法，其探测原理是根据地震被在不同介质中传播速度的差异，将接收到的信 号进行层析成像处理，来精确描述井间目标体的几何形态和物理特征。图1 _ 4 为 地震层析法的工作原理图。地震层析法因其工作频率高，分辨能力较强，可用 于地下空间体的精细探测，其空间分辨可控制在2 m 范围之内。 发射探头 接收探头 图l 一地震层析法工作原理圈 博士学位论文第一章绪论 ( 3 ) 高密度电阻率法 高密度电阻率法是以常规直流电阻率法为基础，它通过在在探测剖面上同 时布置多个电极向地下输送电流，使地下形成稳定的电流场，通过自动控制转 换装置对所布设的剖面进行自动观测和记录的一种物探方法，可用于探测地下 构造、岩溶、洞穴、埋设物、采空场、渗漏带等。该方法相对于常规电法，具 有测点密度大、信息量大、成本低、工作效率高等特点，野外的数据采集和收 录实现了自动化、智能化，可以方便地测量到大量的数据，避免了人工操作带 来的误差。图1 5 为高密度电阻率法工作原理图。 c 1 c 2 ：电流电极 p 1 ，p 2 ：电位电极 图1 - 5 高密度电阻率法工作原理图 尽管使用地球物理方法探测地下空间体己取得了一系列的成果，但目前物 探方法离精细探测还有一段距离。上述研究也表明，采用这些方法基本上都还 只能是一种定性的描述，很难定量地、精确地探测出空间体的位置、大小、形 态以及填充状况等。究其原因是地下空间体对于探测信号的显现特征和规律不 明显，且易受井下电线、电缆、地下管道、杂散电流、电磁等的干扰。 1 3 1 3 激光扫描方法 长期以来空间数据的采集主要是采用经纬仪、水准仪、测距仪等传统测量 仪器，并应用实地施测的方法，测量后再按照空间解析几何学来确定点的三维 坐标，这是一个艰苦、烦琐、漫长、低效的过程，所以能否直接、实时、自动、 精密、可靠地确定三维坐标，是研究人员多年来探索的热点。激光技术的出现 和发展促进了测量技术的发展，特别是2 0 世纪末发展起来的激光扫描技术可以 快速获取三维空间数据，这一技术使得空间数据的采集取得了重大突破【6 6 - 7 6 1 ： 一是测距从一维测距向二维、三维扫描发展( 图1 - 6 ) ：二是实现了无合作目标 快速高精度测距；三是实现了测量数据的自动采集和实时传输。 7 篁! ：兰堡兰塞垂= 茎童堡 气紫 ( a ) 一维激光测距 ( b ) 二维激光扫描( c ) 三维激光扫描 图l _ 6 激光扫描技术的发展 与传统的测量技术点对点的距离测量不同，无合作目标激光扫描测量 技术的发展，为人们在空间信息的获取方面提供了全新的技术手段，使人们从 传统的人工单点数据获取变为自动连续获取数据，提高了测量的精度和速度。 地下激光扫描技术的研究始于2 0 世纪肋年代末，最初是加拿大诺兰达公 司注意到大型地下采空场或其他人员无法进入的危险区域，由于缺乏可靠的采 场测量手段，再加上进入采场或空区的通道很少，其现场基础数据无法获取t 所以很难确定钻孔爆破对贫化率的影响程度，采场和空区的安全评价由于缺少 现场数据的支持也同样难于进行。为此诺兰达技术中心和o p t h 系统公司于9 0 年初共同研制了空区监测系统c m s f 5 ”，并迅速在北美和澳大利亚的地下矿山得 到了广泛的应用。2 0 0 0 年后又推出了换代产品无线遥控的空区监测系统 ( c m sw i r e l e s s ) ，如图1 7 所示，该系统可实施远距离的实时监控，操作更加 安全，在诺兰达矿业公司、必和必拓矿业集团、住友金属矿山公司等地都获得 了成功应用。 图1 _ 7 无线遥控的空区监测系统示意图 英国的m d l 公司于1 9 9 6 年研制了适合封闭空区扫描探测的空区激光自动 扫描系统( c a l s ) ，如图1 8 所示，该系统外形小巧，可通过直径6 0 r a m 的钻孔 对地下空间进行扫描探测，该项技术在一些条件恶劣的地下空洞探测实践中也 得到了成功验证川。 壁圭耋蟹耋三翌= 耋塑鎏 ( a ) 露天矿地下空区现场探测( b ) c a l s 激光扫描 图1 - 8 空区擞光自动扫描系统( c a l s ) 工作匿 国内井下激光扫描技术研究尚处于起步阶段，最初为本研究小组2 0 0 5 年8 月开始与华锡集团合作，开展采空场状况精确调查研究“铜坑矿9 2 号矿体 西南采空场形态精密探测研究”。2 0 0 6 年5 月，在国内首次采用空区激光探测系 统c m s 进行井下空区探测，完成了铜坑矿西南采区的1 2 个采空场和一个天井 的探测工作，取得了较为理想的空区探测结果。随后本研究小组于2 0 0 6 年8 月 开始进一步开展了“铜坑矿采空场激光精密探测技术研究”、“基于c m s 的采空 场稳定性数值模拟分析”和“基于c m s 的矿柱回采贫损控制研究”等系列研究 工作。 通过上述研究工作中我们也发现，井下恶劣条件如水汽、粉尘、烟雾等对 激光探测有一定的影响，易造成激光的衰减，探测距离变小，精度下降；另对 于充水空区，由于现在井下激光扫描仪都采用红外线激光，而红外线遇水反射， 无法到达空区的轮廓边界，因此对于此类空区尚无法探测，这些都有待于进一 步的深入研究。 1 3 2 矿山三维可视化技术研究现状 矿山可视化技术应用的个重要领域是采矿设计与计划。采矿设计是一个 复杂的系统工程，它需综合考虑地质因素、矿床模型、岩石力学、工艺和设备 选择、经济评价等诸多凼素，簧进行大量繁杂的数据运算和图形处理。传统的 人工设计方法，费时、费力、工作量大。且难以进行多方案的优化，利用可视 化技术，可以将采矿工艺的各个环节编制成界面友好、交互性强的可视化采矿 设计系统，将地质资料处理与管理、岩石力学、矿床模型、设备选择、采矿设 计、经济评价等模块有机地结合在一起，可以方便地分析和考虑各方面的因素， 提高采矿设计的效率和质量1 7 7j 。矿山可视化技术研究的主要方向包括矿床模型、 采矿c a d 技术、矿山虚拟现实技术、矿山可视化软件技术等1 7 8 8 i 。 博十学位论文第一章绪论 1 3 2 1 矿床模型 矿床模型的研究始于2 0 世纪6 0 年代初，美国的k e n n e c o t t 铜矿公司首先提 出了块段模型。其实质是用一系列大小相同的正方体( 或长方体) 来表示矿体， 假定各块段在各方向上都是相互毗邻的，即模型中无间隙。每一块段的品位通 过克立格法、距离反比法或其他估值方法确定，并认为其品位为一常数值。主 要用于描述浸染状金属矿床，多用于大型露天矿山。块段模型的特点是结构简 单，规律性强，特别利于品位和储量的估算。但明显的缺点是描述矿体形态的 能力差，矿体边界误差大，对于复杂矿体的描述，其误差难以满足实际工作需 要。为此矿山几何模型孕育而生，矿山几何模型又包括线框模型、表面模型和 实体模型。 ( 1 ) 线框模型( w i r e f r a m em o d e l ) 线框模型是将面上的点用线段连接起来，形成一系列多边形，然后把这些 多边形面拼接起来构成多边形网格来模拟地质边界或开采边界。线框模型输出 的图形是“线条图”，符合工程图习惯，它完全适合于从任何方向得到三视图、 透视图的要求，但由于线框模型是用棱边来代表物体的形状，只包含了物体的 一部分信息，因而利用它输出剖面图、消隐图以及进行其他一些较深入的图形 分析时会遇到障碍。 ( 2 ) 表面模型( s u r f a c em o d e l ) 表面模型是在线框模型的基础上，增加了面的信息，用面的集合来表示物 体。表面模型又称为曲面建模，是由若干块小曲面( 曲面元素) 拼接而成的， 它通过建立点、线、面的信息表，达到建模的目的。这种方法克服了线框建模 法的缺点，能够满足面面求交、线面消隐、明暗色彩图等需要，能较精确地定 义矿体的外部几何形态，使三维表示具有一定的严密性和完整性。然而，表面 模型只具有物体的各个面的信息，无法