三维激光扫描技术在矿山地下采空区测量中的应用

三维激光扫描技术在矿山地下采空区测量中的应用

严稹

新疆天华矿业有限责任公司 新疆 伊犁 835700

摘要：矿山测量的主要工作包括地面测量和井下测量，一直以来我们延续矿山测量的任务包括建立矿区地面控制网并绘制矿区地形图；对矿区内地面附着物进行测量，绘制矿区平面图；对井下各类工程进行施工控制和竣工测量等。但是随着科学技术和绿色矿山建设要求的不断提高，矿山二维图纸已经无法满足生产需求，因此探索更加先进并且适合矿山的新测量方法是当下矿山测量人面临的共同问题。

关键词：三维激光扫描技术；矿山地下采空区；测量

引言

矿山地下采空区是由人工开采，在矿山区域内地下形成的暴露面积较大的空场，在地下受空间限制，空区黑暗不容易观察，采空区形成形状不规律。采空区由于施工生产放炮震动等影响，采空区容易发生塌陷，采空区暴露表面较大，有一定的空高等，一旦塌陷产生震动波对正在井下生产工作中的人员有危险，井下正在运行的相关精密设备设施也会受到损坏，给企业带来巨大的经济损失和人生安全重大隐患。因此，采用三维激光扫描仪探测测量采空区形状，具有实时性强、穿透性强、工作效率高等优势，通过三维激光扫描仪进行采空区测量获取采空区内三维坐标数据，点云数据量十分庞大，通过这些海量数据处理，使用软件建模，能够清晰完整的了解采空区内的形状、信息等。

1概述

近几年备受关注的三维激光扫描技术突破了传统测量中单点测量的模式，该技术通过发射激光来扫描被测物，以获取被测物体表面的三维坐标，其巨大优势就在于可以大面积高分辨率快速扫描被测物体，扫描不需反射棱镜即可直接获得高精度的扫描点云数据进行三维建模和虚拟重现，因此该技术被称为实景复制技术，作为当今时代的先进测量技术，其高精度、高效率的特点为矿井测量提供了新的思路、新的途径。

2矿山现状及面临的主要问题分析

随着国家的繁荣发展，矿产资源需求量越来越大，目前我国不少矿产正处在中长期发展阶段，矿区地表有建筑物、简易公路、矿石、废石场等基础设施，部分矿山经过多年的开采，地下已形成了很多采空区，有部分采空区已塌陷，环境治理不容乐观。矿山采空区如发生大面积塌陷，地表也就会随之发生塌陷、开裂等，就会导致地表生态坏境的严重破坏，于此同时塌陷就会造成井下空区内空气气压压缩，涌出冲击波，就会对周围的设施造成严重的破坏，若是井下有人正在施工开采作业，就会对人员造成严重的生命安全威胁。矿区在雨水较多地方，开采较长时间矿区，采空区内会形成有积水情况，出现采区塌陷事故，会对矿区造成严重的人员伤害和财产损失。

3三维激光扫描技术在矿山地下采空区测量中的应用

3.1井下无人机的航线规划技术

目前无人机航线规划在地表已成熟应用，但是在井下由于受采空区空间复杂环境等信息的影响不能完全自主的规划航线，这对搭载无人机三维激光扫描仪的规划需进行研究。无人机在采空区内飞行作业过程中出现避障需要立即进行处理的任务或障碍物时，人为预设的全局路径规划难以及时控制无人机，这就对设造成严重的损坏，为此目前急需要开展对采空区内航线规划需研究探讨。

3.2全站式三维激光扫描仪

全站式扫描仪不仅是一台毫米级精度、测角精度１ｓ、自动追踪照准棱镜的高精度全站仪，同时又是一台高速激光扫描、全景扫描＋内置广角相机的三维激光扫描仪；既可以进行高精度的自动化测量，也可以实现精细扫描。其巨大优势就在于可以直接定位绝对坐标并通过三维激光扫描技术快速扫描被测物体，扫描不需反射棱镜即可直接获得被测井巷工程高精度的扫描点云数据，在获取井巷工程点云数据后进行点云自动拼接，通过配套软件进行数据处理，建立矿山三维可视化模型。

全站式扫描仪采用导线测量的方式进行，即架站完毕后，通过选择测站点及后视点三维坐标，选择点云扫描，便可以快速获取该测站的井巷工程点云数据，通过全站仪功能，可以获取下一个控制点的三维坐标，以此类推获取整个井巷工程点云数据，测量过程中至少需要两个已知控制点。内业将扫描采集到的点云数据导入数据处理软件ＭＡＧＮＥＴＣｏｌｌａｇｅ进行点云数据自动拼接、查看、抽稀、降噪、剪切等等处理，最终得到测量区域的井巷工程点云数据，最后将点云数据导入ＧｅｏｍａｇｉｃＣｏｎｔｒｏｌ建模软件进行降噪、删除体外孤点、封装、简化以及网格修复等等一些列的优化，实现逆向建模，完成井下工程实体模型创建工作。

3.3移动式三维激光扫描仪

移动式三维激光扫描仪，该仪器具有ＳＬＡＭ技术，主要解决从未知环境的未知地点出发，针对空间不确定性在运动过程中通过重复观测到的地图特征，定位自身位置和姿态，再根据自身位置增量式地构建地图，从而达到同时定位和地图构建的目的，该设备主要由手持探头、采集器两部分组成，有效测距３０ｍ，测量范围２７０°×３６０°。

该设备的外业操作非常简单，根据测量任务确定测量路线，开机初始化后，由单人按照正常步行速度往返行走，即可完成测区点云数据的采集工作，扫描全过程可无任何控制点。内业需要运用专用解压软件ＧｅｏＳＬＡＭＨｕｂ对扫描点云数据进行解压，即可获得高密度的井巷工程点云数据，然后将扫描的点云数据导入数据处理软件ＣｌｏｕｄＣｏｍｐａｒｅ进行点云数据查看、抽稀、降噪、剪切、漂移点的处理以及手动拼接等等一系列操作，最终得到地下矿山整体空间点云数据，最后将点云数据导入ＧｅｏｍａｇｉｃＣｏｎｔｒｏｌ建模软件对点云数据进行降噪、删除体外孤点、封装、简化以及网格修复等等一些列的优化实现逆向建模，完成井下工程实体模型创建工作。

3.4井下无人机挂载的三维激光扫描仪自主避障技术

目前，井下采空区传统测量不能满足生产需要，主要还是通过无人机挂载三维激光扫描仪或者普通三维激光扫描仪来进行采空区探测，三维扫描仪通过激光测距来实现自我避障功能，改变了方法虽然速度快、精度高，它适用于简单较规则的环境障碍，在面对井下无规则，突发障碍难以躲避时，容易发生撞机事故。在无法实现自主飞行功能时，主要还是依靠测量人员或无人机操作人员来手动操作完成三维激光扫描仪作业，由于受到采空区空间局限性影响，空区内粉尘较大、视线较差导致扫描探测工作时作业难度增大。因此，急需要攻克井下采空区复杂环境下的无人机自主避障技术，提高设备的安全性，降低操作难度。

结语

本文主要针对目前矿山的生产现状面临的问题进行分析，提出无人机搭载三维激光扫描仪在矿山采空区的使用，无人机存在的缺陷需技术攻关问题，提出先进测绘设备代替传统测量方式，新的测量方法的优势，为解决矿山安全隐患提出了有效依据。为今后的矿山开采以及环境治理提供建议。

参考文献

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