大空間礦山地下礦區(qū)采用新型三維掃描方式

大空間礦山地下礦區(qū)采用新型三維掃描方式協(xié)助作業(yè)

海南石碌鐵礦位于海南島昌江縣石碌鎮(zhèn)境內(nèi)，北距省會?？谑?280 多公里，西與八所港有鐵路相通，相距僅 52 公里。是我國冶金部大型露天礦之一，因鐵礦品位高著稱， 是我國大的富鐵礦。由于其礦藏的珍貴資源價值，使得其開發(fā)、開采、計(jì)量、尾礦等方面都要求尤為謹(jǐn)慎。

主測區(qū)位于地下-150 米，-200 米區(qū)域的鈷銅礦產(chǎn)層，主要被測目標(biāo)是該區(qū)域內(nèi)的 8 個礦洞采空區(qū)，各采空區(qū)之間由巷道相接，采空區(qū)高程落差大接近 50 米，前后縱深 1.5 公里， 結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜并且大部分采空區(qū)只有單一通道，不利于常規(guī)測量進(jìn)行正常作業(yè)；由于礦區(qū)仍在持續(xù)生產(chǎn)作業(yè)并且礦區(qū)內(nèi)部采用爆破式開采方式，導(dǎo)致采空區(qū)內(nèi)巖層不穩(wěn)定，可能會出現(xiàn)落石或垮塌的危險，所以要求測量人員和儀器不能長時間在采空區(qū)內(nèi)進(jìn)行作業(yè)。

項(xiàng)目成果要求：全部采空區(qū)完整拼接三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)、各采空區(qū)實(shí)體三維數(shù)字模型、采空區(qū)三維等值線圖，-150 米和-200 米中段平面圖。

一、技術(shù)難點(diǎn)分析：

1. 地下礦洞屬于高危環(huán)境，往往伴隨著滑坡、垮塌、滲水、瓦斯泄漏等等危險狀況出現(xiàn)。所以礦下測量工作都要求在保證人員和儀器設(shè)備安全的前提下盡快的完成所需要的測量工作，但是常規(guī)測量方式的復(fù)雜性與反復(fù)性讓這部分測量工作尤為危險。但是利用三維掃描儀的高速海量數(shù)據(jù)采集這一特性則可以在非常短的時間內(nèi)對單個地下礦井或采空區(qū)進(jìn)行的掃描。這大大減少了人員和儀器在礦下作業(yè)的時間，很大程度上降低了發(fā)生事故的幾率。

2. 常規(guī)礦山礦洞測量要進(jìn)行復(fù)雜的控制網(wǎng)及導(dǎo)線布設(shè)，尤其是有縱深高差的地下礦井或礦洞測量，不僅要進(jìn)行一系列復(fù)雜的布線控網(wǎng)還需要對高程把控做獨(dú)立的高程測量， 常用方式采用鋼絲吊點(diǎn)，反復(fù)多次進(jìn)行測量才能保證整個礦區(qū)高程精度相對精準(zhǔn)，但多次測量的累積誤差也使得其測量成果只能用于粗略定位，難以達(dá)到精準(zhǔn)數(shù)據(jù)分析的要求。這一點(diǎn)是現(xiàn)階段礦山測量的現(xiàn)實(shí)狀況，短時間內(nèi)也沒有更科學(xué)精準(zhǔn)的方式解決這一問題。但是利用三維激光掃描儀進(jìn)行掃描這一問題就能得到相對更好的解決；由于激光掃描儀不但可以采用非常高的分辨率進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，而且能獲得三維數(shù)據(jù)，因此很容易生成較其他常規(guī)測量方法更為準(zhǔn)確的數(shù)字高程模型。它比傳統(tǒng)的 GPS 全站儀的測量作業(yè)方式作業(yè)效率更高，優(yōu)勢非常明顯，外業(yè)人員的作業(yè)強(qiáng)度也大大降低。

3. 地下礦井或采空區(qū)往往不是獨(dú)立存在，大部分都形成一個地下礦區(qū)帶，多以巷道相聯(lián)的樹狀結(jié)構(gòu)。常規(guī)測量方式往往只能保證獨(dú)立礦井或采空區(qū)的相對坐標(biāo)精度，在將整個礦區(qū)帶聯(lián)系起來的時候由于要多次進(jìn)行引點(diǎn)，形成了多次的累積誤差，導(dǎo)致各個獨(dú)立采空區(qū)之間的位置精度存在很大差異，不利于精確數(shù)據(jù)的分析。但是利用三維點(diǎn)云處理軟件的高精度點(diǎn)云自動拼接這一功能則可以大限度減少這一誤差。往往大面積的地下礦帶只需要在特殊連接位置進(jìn)行幾個引點(diǎn)就能將整個地下礦區(qū)精確配準(zhǔn)拼。

二、掃描測量

人員和常規(guī)設(shè)備無法進(jìn)入采空區(qū)內(nèi)部，掃描儀則可在采空區(qū)通道口對采空區(qū)進(jìn)行大面積掃描采集。在復(fù)雜的礦洞環(huán)境下三維掃描儀能大限度采集完整數(shù)據(jù)，高速精確。

通過多站掃描拼接，一個完整的巷道系統(tǒng)可以以三維點(diǎn)云形式呈現(xiàn)出來

在無光照的礦洞內(nèi)掃描結(jié)果良好，點(diǎn)云平滑淺薄、雜點(diǎn)少

三、數(shù)據(jù)處理

掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)過去噪和抽悉仍會有不可避免的掃描盲區(qū)，但整體數(shù)據(jù)完整。

利用三維后處理軟件 Geomagic 對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝補(bǔ)洞，保證數(shù)據(jù)完整性，并自動計(jì)算礦洞容積，也就是開采量。

再將完整數(shù)據(jù)導(dǎo)入riscan 中進(jìn)行下一步的提取等值線和其他相關(guān)數(shù)據(jù)，整個數(shù)據(jù)處理過程輕松簡單快速。

四、數(shù)據(jù)成果展示

采空區(qū)整體高程模型

采空區(qū)原始點(diǎn)云對比

通過多站掃描能把整個采空區(qū)及連接巷道掃描拼接形成一個完整的地下礦帶

采空區(qū)三維等高線，擁有了點(diǎn)云數(shù)據(jù)、模型數(shù)據(jù)和線畫圖，可以輕松得到采空區(qū)各層面積及采空區(qū)容積，方便回填。

利用點(diǎn)云截取二維平面數(shù)據(jù)形成完整的地下礦井分布分層平面圖

整個項(xiàng)目總工期兩天半，共掃描 8 個采空區(qū)，共架設(shè)掃描 19 站，除去常規(guī)測量引點(diǎn)用時

    和在礦洞內(nèi)行走耗時，掃描儀真正工作時間大概為 3 個半小時，內(nèi)業(yè)處理分為點(diǎn)云數(shù)據(jù)去噪抽稀、總體拼接、高程模型建立、二維及三維等高線繪制，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)由一名技術(shù)員處理，總用時5 天，相比常規(guī)用全站儀引點(diǎn)進(jìn)行單點(diǎn)測量，掃描儀完成整個項(xiàng)目的時間為常規(guī)測量用時的十分之一，大大節(jié)省了時間提高了效率降低了成本。

項(xiàng)目功能及應(yīng)用范圍解析

地下礦洞采空區(qū)測量工作包含采挖量計(jì)算、采空區(qū)等值線繪制、巷道二維圖、數(shù)字高程模型建立等主要工作，常規(guī)方式用免棱鏡全站儀進(jìn)行多次的單點(diǎn)測繪，需要耗費(fèi)很長的周期才能勉強(qiáng)把采空區(qū)地形輪廓測量完整，并且與實(shí)踐偏差較大，從而導(dǎo)致采挖量計(jì)算出現(xiàn)較大偏頗， 造成重大的經(jīng)濟(jì)損失，也同時影響后期采空區(qū)回填工作的正常進(jìn)行。

    三維激光掃描儀幾乎適用全部類型的地下礦區(qū)掃描及作業(yè)，并且在無自然光影響的情況下能得到的掃描效果，需要注意的是地下采空區(qū)的高濕度和高粉塵含量的作業(yè)環(huán)境，優(yōu)先選擇防塵防水等級較高的Riegl 掃描儀進(jìn)行作業(yè)。

地下巷道部分

地下巷道部分共測量三站，從下午 4 點(diǎn)開始，5 點(diǎn)半結(jié)束，每站掃描 2 分鐘 21 秒，有效

測量時間為 7 分鐘。

巷道部分點(diǎn)云圖

在點(diǎn)云的基礎(chǔ)上選出有效區(qū)域

 通過點(diǎn)云進(jìn)行三維建模

巷道模型展示

通過模型建立斷面線（間隔 1 米）

查詢?nèi)我鈹嗝孀鴺?biāo)屬性

閉合模型，測算巷道體積

項(xiàng)目功能及應(yīng)用范圍解析

利用三維激光掃描儀對露天礦坑進(jìn)行掃描是當(dāng)今社會采礦行業(yè)*的一種的作業(yè)方式，利用這種作業(yè)方式不但能實(shí)現(xiàn)礦區(qū)的盤庫、計(jì)量、實(shí)時監(jiān)控、設(shè)計(jì)調(diào)整等目的，還能從很大程度上節(jié)省人力物力以及時間等資源成本，在不久的將來必定會替代常規(guī)礦山測量方式而成為主流的礦山測繪儀器。

三維激光掃描儀適用于全部的露天礦坑掃描，并且礦坑及周邊基本沒有植被覆蓋，能很完整細(xì)致的掃描出礦山地形，并且在礦山的方量計(jì)算、實(shí)時監(jiān)控、開挖設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)存檔方面都能提供良好的技術(shù)支持。