矿产资源的地下开采形成了大量的采矿空区，是目前影响我国矿山安全生产的重要灾害源之一。针对空矿区的隐患，中国矿工做了大量工作，如利用探地雷达、高密度电法、地震成像法等物探方法在空区开展勘探工作。这些方法在获取地下矿山尤其是地下金属矿山的信息方面存在不足，在探测信号的处理和解释方面存在明显的弱点，严重影响空区域后续安全评价的可靠性。
空区域三维激光探测系统(CMS)是加拿大Optech公司生产的基于激光的空区域探测系统，主要用于地下巷道、洞室、采矿空区域的精密探测。在北美、澳大利亚等矿业发达国家，已成为地下采场和空区域探测的主要手段。铜坑矿山在长期开采过程中形成了大量的采区空，局部区域的崩落或塌陷已成为直接威胁矿山生产的重大安全隐患。为了有效地控制空地区引发的地质灾害，迫切需要对现有空地区进行彻底的勘探，以查明空地区的基本信息，如其形状、实际边界、顶板面积和体积等。因此，多次使用矿区空区域探测系统CMS，完成了铜坑矿四大矿区36个矿区空区域的探测。借助Surpac等工具，准确获取了空区域的综合信息，取得了理想的空区域探测及其实际应用效果。
一、CMS的工作原理
CMS是一种基于激光的三维空面积精密探测系统，通过集成了激光测距仪的可旋转扫描头对空面积进行探测。扫描头旋转360度，收集距离和角度参数。每扫描一圈后，扫描头会根据预设的参数自动升起一定的角度(一般为1 ~ 3度)进行连续的圆周扫描，直到完成所有的扫描工作。CMS系统的基本结构包括激光扫描头、控制箱、手持控制器、支撑杆和数据处理软件。
CMS探测主要是通过一个可以360度旋转的扫描头来实现的，并且集成了激光测距仪。具体步骤如下:安装CMS扫描头并初始化；(2)将扫描头的水平位置归零；(3)设置扫描参数，包括保存的检测数据的文件名、扫描角度范围和扫描精度；(4)扫描头开始扫描，并将扫描数据以有线方式传输到控制箱，而控制箱中的数据自动以无线方式传输到手持控制器；(5)扫描一周后，扫描头自动升高一个预设角度(通常为1° ~ 3°)，进行第二周扫描，直到扫描过程完全结束。CMS激光扫描的原理如图1所示；(6)将扫描数据从手持控制器下载到计算机，进行数据处理、计算、图形和文件输出。CMS的工作数据流如图2所示。
图1 CMS的工作原理
图2 CMS工作数据流程图
二。矿区空三维模型的构建
空区CMS勘探获得的原始数据需要通过CMS预处理软件CMSPosProcess进行处理，形成dxf格式的原始数据文件，可以被第三方软件Surpac、Gocad等接受。生成空区域的三维实体模型。
在对空地区的原始勘探数据进行处理后，SUPAC生成空地区三维实体模型的具体方法如下:(1)利用SUPAC数据导入接口将dxf格式文件转换为实体模型的DTM格式文件；(2)验证物理模型；(3)如果物理模型验证有错误，则转到步骤(4)，否则转到步骤(5)；(4)对原始检测数据进行重新转换和处理，返回步骤(1)；(5)使用Surpac的实体模型编辑工具编辑塌陷区模型(通常使用实体模型布尔运算切割塌陷区附近的巷道)；(6)再次验证修改后的实体模型。如果有错误，返回步骤(5)并再次编辑模型。否则，在空区域完成三维模型构建。目前，铜坑矿已完成36个矿区空区域的勘探，矿区空区域的三维模型空之间的分布如图3所示。
图3铜坑矿勘探空区三维模型
三，合作医疗的应用研究与实践
(1)在空区建立信息数据库
利用空区域的三维可视化模型，获取空区域的多源信息，如空区域之间的位置、实际边界、顶板面积和体积、采场超挖、采场储量、采场贫化损失等。可以精确测量，并将空区域统计在铜坑矿空区域信息数据库中部分空区域的体积和顶板面积列于表1。
表1 空面积信息数据库中的体积和屋顶面积统计表
准确掌握空矿区的实际边界，对于实施空矿区的管理、矿区空周边矿体的开采以及巷道工程的设计和施工具有重要的工程意义。这里空区域的边界用X(东西方向)、Y(南北方向)、Z(高程方向)三个方向的最末端坐标来描述。即x方向为空的东西方向，X1为空的西点x坐标，X2为空的东点x坐标；Y为空的南北方向，Y1为空的南点Y坐标，Y2为空的北点Y坐标；z方向为空的高程坐标，底点空的z坐标，顶点空的z坐标。表2列出了一些矿区空的边界数据。
表2矿区边界空
传统的采矿贫化率和损失率的计算通常只能通过比较设计矿量与实际矿量和废石量来获得。用这种方法计算的贫化率和损失率精度往往不高。CMS可以精确测量矿区空的边界和体积。因此，将CMS系统与三维图形软件或采矿软件相结合，可以准确测量实际采矿过程中的超挖废石或欠挖矿石量，从而准确计算采矿贫化率和损失率等指标。具体流程如下:利用矿业软件(如Surpac)建立矿体模型；(2)利用CMS系统检测每个矿区空区域，形成矿区空区域模型；(3)将采矿空区域模型与矿体模型空区域结合，采场设计单元与底部结构模型的位置关系如图4所示；(4)按要求在复合模型上切割多个剖面，将矿体与采矿空区剖面边界线进行对比，圈定超挖或欠挖；(5)根据各断面上超欠挖部分的形状，形成超欠挖部分的实体模型；(6)根据计算出的实体模型超挖或欠挖部分的体积和重量；(7)准确计算采矿贫化率和损失率指标。
图4 空采场设计单元与底部结构模型的位置关系
(4)矿柱开采爆破设计的优化
准确掌握矿柱的实际边界是矿柱开采爆破设计的基础，也是提高矿山经济效益的有效途径之一。对于采用充填法两步回采的矿山，矿柱边界的准确性直接关系到矿柱回采的贫化损失指标。因此，需要准确把握矿柱的实际边界。然而，传统的测量方法难以精确控制矿柱边界，无法进行合理的爆破设计。
CMS系统可以很好地解决上述问题。通过对周围采场空区域的探测，可以全面掌握矿柱的实际边界。通过对某矿两相邻采场空 (T505和T506空)的探测，准确掌握了采场间矿柱的边界，为矿柱开采的爆破设计提供了准确的依据。矿柱爆破设计剖面图(CMS辅助矿柱开采剖面图见图5)。将原设计边界与CMS探测到的实际边界进行比较，发现原设计边界的超挖和欠挖比例分别为19%和22%。由于CMS检测到了矿柱的实际边界，回收率提高了17%。
图5 CMS辅助矿柱开采剖面图
四。结论。
实践表明，精探技术在铜坑矿空区域的应用，为获取空区域的综合信息提供了可视化手段，将空区域体积、顶板面积、空区域实际边界、贫化损失等参数用量化指标准确表达，改变了以往只能凭主观经验估算的方法，同时该技术的应用也为后续矿柱开采爆破设计提供了极其重要的基础依据。事实上，除了本文提到的几个应用外，CMS还可用于矿床的地下开采，如充填体的位移监测、空区域崩落的精确测量、岩爆破坏范围和巷道断面的测量等。可以预见，CMS在我国矿床开采领域将有广阔的发展和应用前景。
