李官集鐵礦溜井三維激光掃描測量及穩定性分析

李金星 馬毅敏 付信凱

（1.中鋼集團山東富全礦業有限公司；2.中鋼礦業開發有限公司）

溜井是礦山運礦的主要方式之一，是聯通上下中段礦石流動的主要運輸通道［1］。隨著服務年限的增加，溜井在放礦的沖擊及磨損作用下會出現不同程度的損壞，由于溜井構造的特殊性，人員無法進入了解內部情況，應用傳統測量方式也無法獲得內部數據［2-5］。采用非接觸式測量的三維激光掃描儀，可快速采集溜井內部點云，依據溜井點云建立溜井三維模型，可在三維空間中分析溜井內部情況，分析溜井與其他井筒的空間距離，為溜井后期治理和工程布置提供依據［6-8］。

李官集鐵礦位于山東省汶上縣，采選規模100萬t/a，采用點柱式上向分層充填采礦法，主要開采-320 m 中段，轄10 個采場溜井，設計尺寸直徑為4 m。截至目前，溜井已使用超過10 a，多數溜井深度已超100 m，都存在一定程度的損壞，直接威脅井下的放礦安全及下面工程的布置。本文以李官集鐵礦0 m 水平8#采場溜井作為研究對象，采用三維激光掃描技術［9］進行精細測量，查清溜井損壞程度及井壁健康狀態，為后續溜井修復工作提供基礎依據。

1 溜井三維激光掃描技術

1.1 溜井三維激光掃描設備

采用翼目神HM100 型三維激光掃描儀進行溜井測量作業（圖1），由澳大利亞聯邦科學院研發的基于SLAM 技術的便攜移動式連續掃描儀，其旋轉的激光雷達提供360°×360°全方位視野，確保收集到全方位3D數據，廣泛應用于巷道掃描、溜井測量、電力巡檢、料堆測量、尾礦庫測量、工業場地測量等領域；具有體積小、重量輕、防水、防潮等特點，環境適應能力強，適于井下封閉區域的測量作業［10］。

翼目神HM100 型三維激光測量采用非接觸式激光測量，無須借助反射棱鏡即可采集獲取巖體表明的點云信息，可以用于解決井下危險環境、封閉環境及作業人員難以企及的危險區域的測量，具有傳統測量方式難以實現的技術優勢［11］。

1.2 溜井三維激光掃描方案

采用卷揚機下放翼目神HM100 型三維激光掃描儀的手段進行溜井的探測作業，如圖2所示。在溜礦井口設置防護欄防止人員及設備的掉落，并為卷揚機的固定提供固定平臺，卷揚機通過鋼繩連接三維激光掃描儀實現溜井中的掃描設備升降，在升降過程中三維激光掃描儀可自動實現溜井壁面點云數據的收集。

2 溜井測量結果

2.1 溜井測量模型構建

基于上述溜井掃描方案，分別在0，-20，-30，-40，-70，-80，-85，-90 m水平共8個區域開展溜井外業數據采集，歷時3.5 h共采集點云數據15 224 374個，通過8個中段的點云數據的拼接、坐標校正以及抽稀導出，獲取的溜井點云數據如圖3所示。進一步導出的數據進入到點云建模軟件（Geomagic 軟件）中，完成溜井及巷道建模工作，可以看出本次掃描所得到的溜井總高程為109.43 m。通過剖析溜井的三維模型，得到溜井的形狀剖面（圖4），結合垂直剖面圖，發現溜井上部基本完整，在溜井口往下21.08 m 開始有破壞，最大破壞位置出現在溜井口往下67.96 m，最大破壞尺寸可達到10 m，考慮到此處為放礦口處，可認為該處的溜井破損主要原因為下放礦石的流動磨損。

2.2 溜井現狀參數比較

三維激光掃描設備比較與傳統儀器，可實現溜井內部的精細探測，為后期溜井修復及放礦管理提供了基礎數據，所獲取的三維模型形象立體地展現了溜井的現狀情況。測量結果與溜井設計參數比較如表1 所示，可以看出在放礦的沖擊磨損作用下，相比較于溜井設計體積（773.12 m3），溜井實際的體積已擴展至3 026.64 m3，是設計體積的3.9倍。

注：體積倍數為實際體積/設計體積。

2.3 溜井儲礦能力分析

主要測量了從-109.43 m 到0 m（溜井口）的8#溜井現狀，共109.43 m，基于所建立的溜井三維模型，從0 m 標高至溜井底部每隔5 m 計算溜井的儲礦體積，經計算測量范圍內目前的儲礦能力為3 026.637 m3，見表2。

3 溜井穩定性分析

3.1 溜井分析模型構建

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為進一步分析8#溜井的井壁破損特征，基于所獲取的溜井精細模型，導入Rhino6.0中進行三角網格的劃分及計算區域的嵌入，并導入FLAC3D軟件［12-13］中對溜井區域的應力位移分布進行分析，如圖5 所示。通過Rhino軟件構建了150 m×50 m×50 m 的巖體計算區域，并耦合溜井模型進行網格的融合及劃分，使用三角形網格，靠近溜井區域網格尺寸設置為0.5 m，從溜井內部往計算區域網格外擴尺寸梯度遞增至10 m，最終形成計算網格數為66 321 個，計算節點數為223 400 個，考慮到溜井井口距地表400 m，為此設置地應力深度等同于溜井至地表的高差。

計算區域主要巖性為石英角閃巖，根據礦山前期所開展的工程地質調查與巖石力學試驗結果，采用國際通用的Rocscience RocData V4.0 軟件［14］獲取工程巖體力學參數，如表3 所示。其中，巖石單軸抗壓強度為101.60 MPa，密度為3.30 g/cm3，Hoek-Brown 常數取值為16，應力松弛及爆破破壞的影響因子D取0.8，彈性模量E為70.56 GPa。

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3.2 計算結果分析

首先，通過FLAC3D對計算模型進行初始應力平衡，在初始應力平衡后，對溜井區域負空值，計算得到應力重分布后的溜井區域應力、位移及塑性區分布，如圖6所示。

可以看出，溜井最大主應力主要分布在溜井井壁（圖6（a）），最大主應力值為0.18 MPa，已超過圍巖的抗拉強度0.12 MPa，說明溜井井壁容易發生拉裂破壞；溜井最小主應力主要分布在溜井井壁（圖6（b）），最大壓應力值為10.6 MPa，小于圍巖的抗壓強度；根據溜井的塑性區分布可知（圖6（c）），溜井井壁主要呈現拉剪切破壞塑性區分布，主要位于-70 m 水平以下區域。

從溜井的位移分布可知，溜井井壁X方向位移最大值為12 mm（圖6（d）），溜井井壁Y方向位移最大值為9.2 mm（圖6（e）），位移方向均朝向溜井內部，說明溜井井壁的橫向位移較??；溜井井壁Z方向位移最大值為11.6 mm（圖6（f）），主要分布在各放礦口處，可認為溜井井壁位移產生的主要原因為圍巖自重剪切及礦石的放礦沖擊。

總體而言，溜井井壁應力、位移及塑性區表明溜井在圍巖自重及地應力影響下相對穩定，造成溜井井壁破損的主要原因為礦石的沖擊作用。

4 溜井安全管理建議

三維激光掃描所獲取的李官集鐵礦8#溜井精細模型為溜井現狀調查提供了依據，根據穩定性分析評價結果可知，造成溜井井壁破損的主要原因為礦石的沖擊磨損作用，導致溜井井壁巖體的破裂、垮落。穩定性評價僅針對當前溜井情況進行評估，溜井破壞機理復雜，具有不可預測性與突發性，為此礦山在日常生產安全管理中，需要進行常規持續關注［15］。

考慮到此次探測溜井存在一定程度的破壞，為了后期工程安全，建議采取如下措施：

（1）嚴禁對溜井進行放空，嚴格控制溜井的排空高度，減少下落礦石高度過高從而對井壁的沖擊。

（2）嚴格控制采場的大塊礦石，防止大塊礦石進入溜井，導致溜井出現大塊堵塞，且處理大塊常采用爆破松動的方式，容易對井壁造成破壞，導致溜井的局部垮塌等情況。

（3）合理調配采掘計劃，保證溜井內礦石處于不斷流動狀態，防止由于礦石的長時間靜置導致的礦石結拱卡井現象發生。

（4）按期開展溜井的三維激光掃描探測，定期獲取溜井的現狀模型，精細獲取溜井的健康狀況。

5 結 論

（1）三維激光掃描可實現傳統儀器無法完成的溜井測量提供數據，為后期溜井修復及放礦管理提供了基礎數據，利用翼目神HM100型三維激光設備，通過下放式測量方法，獲取了李官集鐵礦0 m 中段8#采場溜井的現狀精細三維激光掃描點云數據及三維模型。

（2）基于溜井三維激光掃描點云數據及三維模型，分析得出該溜井最大破碎的橫向尺寸可達9.87 m，較設計溜井體積增大了3.9倍，應實施定期安全監測及有效的管理，保障該溜井的穩定性。

（3）通過Rhino 軟件開展所測量的溜井三維模型的網格化，并導入FLAC3D軟件中進行溜井的穩定性分析，得到了溜井在自重應力及地應力影響下的應力分布、位移分布以及塑性區分布特征，計算結果可知，溜井在自重應力及地應力影響下相對穩定，溜井破損的主要原因為礦石放礦中的沖擊磨損作用，并針對計算結果對溜井放礦安全管理給出合理建議。