一、激光掃描探測系統(tǒng)特點
露天礦地下采空區(qū)三維激光掃描探測技術(shù)是基于激光定位與測距原理的空腔內(nèi)壁三維探測技術(shù)，可以通過地表延伸至空區(qū)的鉆孔迅速而安全的對采空區(qū)進(jìn)行激光三維掃描，精確獲得采空區(qū)空間的形態(tài)參數(shù)，該技術(shù)的出現(xiàn)，使采空區(qū)隱蔽工程的準(zhǔn)確描繪與科學(xué)治理成為可能。基于該技術(shù)的鉆孔式三維激光掃描系統(tǒng)是一款能通過地面鉆孔對地下空間進(jìn)行掃描的裝置，通過激光測距原理瞬時測得空腔內(nèi)壁三維坐標(biāo)值的測量儀器，利用三維激光掃描技術(shù)獲取的空間點云數(shù)據(jù)可快速建立空腔體三維可視化模型，具有全自動、速度快、精度高、數(shù)據(jù)處理簡便等特點。
鉆孔式三維激光掃描系統(tǒng)主要由硬件部分和軟件部分組成。以某型鉆孔式三維激光掃描儀為例，硬件部分包括探頭、碳纖維定向桿、電纜、三腳架、絞車、以及搬運(yùn)箱等，軟件部分主要指與系統(tǒng)配套的控制軟件Control Software。通過應(yīng)用與實踐，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)在采空區(qū)三維激光掃描中具有以下優(yōu)勢：
1.掃描儀探頭直徑為5cm，能夠沿鉆孔下放至百米深處進(jìn)行采空區(qū)測量，操作人員可以通過探頭前部的攝像頭實時觀察鉆孔內(nèi)部的實際情況，同時生成鉆孔跟蹤數(shù)據(jù)并最終確定探頭的最佳掃描位置；
2.電動雙軸探頭可以實現(xiàn)空腔體的360°球形掃描，不留死角，正常情況下，掃描半徑可達(dá)150m；
3.數(shù)據(jù)捕捉率可達(dá)250點/s，掃描一個空腔所需時間約為10min，掃描精度為±5cm，掃描速度快，精度高，自帶的定向傳感器能夠使掃描數(shù)據(jù)自動進(jìn)入到現(xiàn)有的礦山坐標(biāo)系統(tǒng)中；
4.掃描過程中，與探頭相連的控制單元與計算機(jī)通過無線網(wǎng)絡(luò)連接，最大距離為300m，操作人員可在遠(yuǎn)離危險區(qū)域的條件下利用控制軟件遙控監(jiān)視和操作掃描系統(tǒng)；
5.設(shè)備探頭的防水、防塵等級為IP67，可以浸入1m深的水中而不損壞探頭，設(shè)備工作溫度為-10°C~+60°C，在一定程度上適用于無煙霧火區(qū)鉆孔探測；
6.掃描數(shù)據(jù)可以導(dǎo)入SURPAC、3Dmine、AutoCAD等軟件中，進(jìn)行采空區(qū)穩(wěn)定性評價與治理方案設(shè)計工作。
二、某型激光掃描探測系統(tǒng)工作原理
某型鉆孔式三維激光掃描儀的工作原理就是依靠激光定位，光線從光源發(fā)射到前面的某個目標(biāo)就反射回來，用高速電子電路測定光線發(fā)出到返回所經(jīng)歷的時間，并以此來測定光源至目標(biāo)的距離。依靠遙控裝置控制探頭測定數(shù)據(jù)，通過電纜等傳輸設(shè)備輸入到控制軟件Cavity-Scan中進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，生成空區(qū)三維散點模型，然后將散點數(shù)據(jù)導(dǎo)人到Geomagic等軟件中建立空區(qū)三角網(wǎng)模型，導(dǎo)出并生成3Dmine、SURPAC、AutoCAD等軟件能夠識別的文件，最終獲取采空區(qū)的面積、形狀、埋藏深度、腔體高度等特征參數(shù)，文件還可繼續(xù)導(dǎo)入FLAC3D、MIDAS/GTS等數(shù)值模擬軟件中進(jìn)行穩(wěn)定性計算。該設(shè)備的作業(yè)流程主要包括測前準(zhǔn)備、探頭下放、空區(qū)掃描和數(shù)據(jù)處理四個部分，每個部分又包括若干具體工作，見掃描工作流程圖和示意圖（圖1和2）。
圖1 某型鉆孔式三維激光儀工作流程
圖2 采空區(qū)三維激光掃描示意圖
三、露天煤礦地下采空區(qū)治理應(yīng)遵循的原則
露天煤礦地下采空區(qū)治理主要是消除地下的隱伏空洞、殘留井巷空間以及空區(qū)內(nèi)、空區(qū)周邊隱伏的礦巖柱，以確保露采作業(yè)的安全。治理應(yīng)遵循的總體原則為以人為本、安全可靠、技術(shù)可行、施工方便、經(jīng)濟(jì)合理。采空區(qū)治理方法的選擇與治理費(fèi)用、工期和安全有著直接的關(guān)系，因此，處理方案應(yīng)當(dāng)滿足以下要求:
1.對于情況不明、錯綜復(fù)雜的采空區(qū)上部剝離物及煤層，必須遵循先探后治，然后進(jìn)行開采的原則。
2.治理方案要適合采空區(qū)的形態(tài)和性質(zhì)，確保治理過程中作業(yè)人員和設(shè)備的安全，保證治理效果。
3.露天煤礦采空區(qū)治理應(yīng)堅持動態(tài)評價、分類治理的思路。
4.要充分利用現(xiàn)有的露采工藝和設(shè)備，減少工程投資，降低治理費(fèi)用。
5.提高治理效率，縮短治理周期，采空區(qū)治理能滿足生產(chǎn)進(jìn)度的要求，減少對正常生產(chǎn)工作的影響。
6.提高地下資源回收率，減少資源浪費(fèi)。
7.采取邊治理邊監(jiān)測的方法，在治理過程中，應(yīng)加強(qiáng)跟蹤與監(jiān)測，防止出現(xiàn)采空區(qū)大面積陷落和大規(guī)模的地壓活動。
四、露天煤礦地下采空區(qū)的治理方法
根據(jù)采空區(qū)在露天礦境界范圍內(nèi)的空間位置，將采空區(qū)分為露天采場下部采空區(qū)和露天礦邊坡下部采空區(qū)兩情況分別處理。國內(nèi)外采空區(qū)處理方法大致可分為四大類，分別為露天采場深孔爆破法、封閉法、充填法、坑下峒室或小孔徑崩落礦柱法。
封閉法適用于處理小的、孤立的、對上下周邊不產(chǎn)生影響、既不再進(jìn)行開采又可以任其自然塌落的采空區(qū)。在露天開采范圍內(nèi)使用封閉法是不可行的，但對于原煤運(yùn)輸巷道影響區(qū)的治理有一定的適用性。
充填法可分為高濃度全尾砂充填、干式充填、膏體膠結(jié)充填和高水速凝全水固化膠結(jié)充填等，這些充填法在技術(shù)上都是可行的。但一般地下開采礦山的充填物不再回收，而露天開采則有充填物二次處理問題，增加了開采成本，且充填系統(tǒng)投資、充填經(jīng)營費(fèi)用較高，所以充填法不適用于露天采場下部采空區(qū)的治理，但對于空區(qū)內(nèi)溫度較高或有明火的采空區(qū)、露天礦邊坡下的采空區(qū)治理及運(yùn)煤巷道影響區(qū)采空區(qū)（空洞）的治理有一定的適用性。
地下硐室或小孔徑崩落礦柱法，主要是因為坑內(nèi)采礦所留礦柱及空區(qū)頂板變形塌落嚴(yán)重，人員設(shè)備進(jìn)入很難保證安全，實施起來難度相當(dāng)大，且風(fēng)、水、運(yùn)輸?shù)裙こ掏顿Y大、周期長、效率低，所以也不宜采用。
露天采場深孔爆破法與上述幾種處理方法相比較，投資少、施工工藝和露天采場生產(chǎn)工藝相一致、施工技術(shù)簡單，能和露天采場生產(chǎn)緊密結(jié)合，有利于礦山生產(chǎn)經(jīng)營管理，且安全可靠，因而是處理一般采空區(qū)比較理想可行的采空區(qū)處理方法。
對于沒有明火且采空區(qū)范圍較小、溫度在60℃左右的高溫采空區(qū)，可預(yù)先采用注水法降溫，等溫度降到50℃以下后，再進(jìn)行爆破處理。對于著火嚴(yán)重的采空區(qū)或溫度超過60℃的采空區(qū)，需先采進(jìn)行滅火降溫，再進(jìn)行爆破。
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