基于三維激光掃描技術的金屬礦山采空區測量精度研究

（朔州職業技術學院，山西 朔州 036002）

1 技術原理

技術管理是利用極坐標測量有效獲取被測對象的空間坐標數據。近些年來，傳統掃描方式一般是云計算，通過對物體表面掃描獲得具有陳列特點的幾何圖形三維數據。三維激光掃描設備有效組合了目標激光測距設備與角度測量系統，迅速測量復雜空間現場中的物體，直接獲取與激光點密切聯系的物體水平方向、斜距和反射強度的相關數據，自行存儲和計算，獲取點云數據，可以在一千多米的距離中完成測量，并獲得每秒十幾萬的掃描頻率，利用TCP/IP協議將掃描數據成功傳輸至計算機，通過USB數據線將場景圖像傳輸到電腦，然后計算機處理點云數據，聯系CAD重新設計被測物體的三維模型[1]。

2 技術系統組成

2.1 主機開發

在技術系統應用中掃描主機是重要零部件，憑借徑向軸掃描電機，進一步獲得采空區的三維整體形態，科學計算變形量。

2.2 伸縮機構

要想智能化監控采空區域，就需要研發出能夠全自動伸縮的設備。掃描儀處于工作狀態時，伸縮機構對主機發揮帶動作用向采空區邊界移動，然后掃描采空區；當實施測量以后，掃描主機憑借伸縮機構向儲藏室自行轉回，避免對設備造成破壞。

2.3 遠距離智能化控制

系統有效結合有線、無線建立綜合網井下通訊系統，憑借地面數據智能化控制井下設備，并且獲得精度較高的監測采空區變形數據。

2.4 識別與計算變形區域

采空區復雜的數據，形成大規模的盲區，可以根據八叉樹的不同時段點云形變計算方法，設計形變點特性，憑借八叉樹數據結構科學查找數據結構，引入形變點容器，由于點云在采空區出現了很多差異點，絕不是變形點。因此，需要憑借濾波算法達到處理目標，保存形態真正區域[2]。

3 技術實際應用

3.1 動態管理采空區邊界

精準把握邊界信息對管理采空區、開采礦體、設計巷道等發揮了巨大的作用。采空區體積、頂板面積范圍、孔區可靠性發生了直接聯系，同時，也為安全性憑借提供了主要數據。利用三維激光掃描技術能夠直接對采空區及巷道面積和體積進行計算，構建三維實體模型，全面呈現礦體、斷層、采空區等關鍵的工程，并提升設計的高效性。疊加處理若干次掃描數據可以精準體現采空區的真實變化，科學監測危險區域。

（1）計算掃描數據。對采空區進行體積與頂面面積計算，構建三維模型，明確實際礦柱邊界，科學利用探測數據，從而為采空區填充、設計礦柱爆破、控制與計算回采貧損提供合理化指導，全面掌控采空區穩定性，為安全管理工作發揮巨大作用。

（2）分析掃描數據。對采空區面積、體積、高度等信息及時掌握，從而更好的評價采空區安全性，設計填充采空區，控制損失指數等，利用軟件結合模型精準計算采空區數據。

通過分析比較某金屬礦盤采空區模型和平剖面回采設計了解到：第一，開采盤區采場的高度不足，爆破以后產生的頂柱尚未采落，真實采場高度明顯低于設計高度，難以順利回收這部分材料。第二，在采場北側、南側位置頂板和邊幫產生較大的垮落，實際采礦量明顯比設計高，關鍵原因是爆破和巖石破碎。這一采空區產生了十分嚴重的垮塌，應不斷加強安全管理，盡快填充采空區。

第三，鄰近采場也出現了十分嚴重的垮塌，導致二者發生貫通產生巨大的采空區，對后期安全生產和監管工作產生威脅，在一定程度上影響了生產建設的速度。

3.2 數字化管理

地下開采形成的大規模采空區對發展數字化礦山造成巨大的安全威脅，直接影響了人員與社會的安全性，不利于開展正常的經營工作。

怎樣對采空區的形態大小與邊界精確把握，獲得合理化的處理方案，全面掌控安全威脅，是迫切需要解決的安全生產問題。

三維激光掃描技術憑借非接觸式測量的特性提高了探測效率，這一技術對分布區域進行有效明確，從而獲得良好的貫通關系，憑借處理后的三維數據構建有關的數字模型，充分明確采空區的體積與實際邊界，達到可視化計算這一區域的目標，更好的保證數字化礦山建設工作。

3.3 激光掃描儀

激光掃描儀的工作原理是利用二極管使激光脈沖發送信號，憑借探測設備的旋轉棱鏡，把脈沖信號射向目標并對激光脈沖信號有效接收，通過記錄儀實施記錄以后，借助軟件進行處理，轉換產生可以有效識別的數據，從而有效輸出實體建模。

采取地面三維激光掃描技術對實體系統進行掃描，在水平與垂直方向上設計分散裝置有效測量特定實體部分。掃描操作中，任何一個站點都能夠得到很多點云數據，并通過極坐標方式整體描述任意點的位置信息。

而通過一幅掃描難以全面體現實體信息，這就要求在不同位置進行多幅掃描，如此就會出現拼接匹配多幅掃描結果，利用三維激光掃描儀可以獲取每一站的掃描數據。

要想在一個相對坐標系下重構不同測站的掃描數據，可以開展點云拼接工作。當掃描不同位置時，采取內置或外置的數碼相機成功采集掃描實體的影像數據，將邊緣位置信息與彩色紋理信息提供給點云。

這項技術可以對目標綜合結構與形態特點實際進行描述，根據這部分點利用逆向軟件迅速通過三維模型，達到三維重建的目標。

可以發現，當存在外界因素的影響時，系統出現了降低采集數據精度的問題，不利于提高數據質量。其中誤差包括偶然誤差與系統誤差。在測量操作中掃描儀表現出發散特點，激光束向實體反射的脈沖波分辨率不高，相應地就會影響操作水平。

4 結語

采空區設計三維掃描智能化監測系統，在一定程度上提高了測量采空區的精確度，達到了智能化監測采空區的目的。通過分析說明，系統對三維改變形態有效監測，解決了傳統測量難以獲取準確數據的問題，對強化測量精度和開采金屬礦山發揮了至關重要的作用。