地面激光雷達在礦山斜坡移動變形測量中的應(yīng)用研究

陳永健

（湖北煤炭地質(zhì)物探測量隊，湖北 武漢 430200）

我國礦產(chǎn)資源開采向地下深部開采情況日益增加，對礦體移動變形問題雖然在國內(nèi)外已有部分研究，本文充分考慮氣候條件對礦體斜坡變形的影響。研究礦區(qū)全年降雨量豐富，處于不穩(wěn)定斜坡地帶的礦山，隨時都有坍塌、山體側(cè)移以及礦石掉落的危險。地面激光雷利用其發(fā)射出的激光束，探測目標的所在位置以及變化特征，是地理信息測繪技術(shù)中，不可缺少的系統(tǒng)之一。

隨著技術(shù)的變革與創(chuàng)新，目前設(shè)計的激光雷達，具有高分辨率、高隱蔽性、強抗干擾能力等特點[1]。針對礦山斜坡移動變形測量工作流程，將地面激光雷達應(yīng)用到該工作中，通過獲取更為精準的變形信息，為保障礦山斜坡的穩(wěn)定及安全，提供更可靠的技術(shù)支持。

1 激光雷達地面監(jiān)測選點

測量礦山斜坡移動變形量，需要預(yù)先選定激光雷達的地面安裝位置。激光雷達又稱為LiDAR，可利用激光測距原理，確定礦山斜坡的空間位置。按照其工作內(nèi)容，將LiDAR分為光學(xué)三角式、相位式以及脈沖式，此次研究以脈沖式LiDAR為研究對象。

脈沖式地面激光雷達，通常采用儀器自定義坐標系，該坐標系的X軸和Y軸在橫向掃描平面內(nèi)互相垂直，而Z軸與橫向掃描平面垂直。利用該三維坐標系確定監(jiān)測目標距離L，根據(jù)激光脈沖的垂直方向角θ、水平方向角β，結(jié)合目標的反射強度信息等多項測量信息，得到礦山斜坡的三維坐標信息，下列公式為激光雷達地面監(jiān)測選點時，需要用到的礦山三維點計算公式：

根據(jù)上述公式，得到礦山的三維坐標點(x,y,z,q)，其中x、y分別表示水平橫坐標和水平縱坐標，z表示垂直坐標；q表示目標的反射強度。按照上述計算調(diào)整激光雷達對礦山斜坡的監(jiān)測位置，最終得到的監(jiān)測選點，如下圖1所示。

圖1 激光雷達地面監(jiān)測選點示意圖

利用地面激光雷達，快速采集礦山一定監(jiān)測范圍內(nèi)高密度的點云數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對礦山斜坡移動變形量的實時監(jiān)測。需要注意的是布置的激光雷達地面監(jiān)測選點，可能在施工時被破壞，該監(jiān)測點位置并不是完全固定不可改變的，在實際應(yīng)用過程中，可以根據(jù)施工任務(wù)及時調(diào)整監(jiān)測選點[2]。

2 生成礦山三維模型

不考慮施工帶來的激光雷達地面監(jiān)測選點變動問題，假設(shè)監(jiān)測選點被最終確定，根據(jù)該測量位置監(jiān)測礦山斜坡移動變形，利用激光雷達掃描整個監(jiān)測區(qū)域，生成一個三維礦山模型。激光雷達在采集鉆孔數(shù)據(jù)時，根據(jù)實時監(jiān)測信息繪制礦體剖面形態(tài)，確定礦體在空間上的大致賦存區(qū)域，展現(xiàn)其幾何形態(tài)和物理屬性特征，并通過局部放大和縮進，監(jiān)測變形信息，從全局的角度，觀察礦山所處區(qū)域進入強降水季節(jié)后，斜坡的總體移動變形趨勢。

構(gòu)建礦山三維模型，首先要建立鉆孔數(shù)據(jù)庫。建立鉆孔數(shù)據(jù)庫，須生成原始數(shù)據(jù)表，用來交換和調(diào)用原始數(shù)據(jù)。原始數(shù)據(jù)表由多項記錄組成，每一個記錄中，又包括多個信息段。原始數(shù)據(jù)是地質(zhì)鉆孔的取樣分析成果，而建立鉆孔數(shù)據(jù)庫，需要依靠鉆孔定位表、鉆孔測斜表以及鉆孔化驗表。其中，鉆孔定位表用來描述鉆孔空間的位置信息；鉆孔測斜表用來描述鉆孔空間位置變化結(jié)果；鉆孔化驗表用來描述采樣信息及地質(zhì)情況。將公司提供的鉆孔數(shù)據(jù)和資料，按要求編制，下表1、表2以及表3，為建立鉆孔數(shù)據(jù)庫的部分數(shù)據(jù)。

表1 鉆孔測斜結(jié)果

表2 鉆孔定位

表3 鉆孔化驗表

將上述所示三類數(shù)據(jù)表中的所有數(shù)據(jù)，導(dǎo)入到LiDAR監(jiān)測系統(tǒng)中，得到鉆孔三維顯示標識，然后用不同的顏色，代表礦山礦石和圍巖的分級，利用礦體閉合輪廓線，生成礦山三維模型，該模型不僅僅能反映地面上的礦山斜坡的基本數(shù)據(jù)，還能反映礦山在地下的變化情況，實現(xiàn)對礦山斜坡移動變形量的可視化監(jiān)測。

3 脈沖激光測量礦山斜坡移動變形量

利用地面激光雷達的脈沖激光，測量礦山斜坡移動變形量。已知工作環(huán)境、LiDAR系統(tǒng)參數(shù)的變化，都會影響脈沖激光測距結(jié)果，因此利用脈沖激光測距方程測量變形量時，需要滿足以下兩個條件：第一，脈沖激光發(fā)射準直光路照射礦山斜坡時，若光斑完全打在監(jiān)測選點上，那么待測目標的面積，就會大于激光發(fā)射光束在待測目標上產(chǎn)生的光斑；若光斑部分打在監(jiān)測選點上，那么形成的光斑小于目標的面積。因此根據(jù)該內(nèi)容可以適當(dāng)調(diào)整選點位置。第二，進行激光測量時，將它們近似看作漫反射，當(dāng)入射角小于60°時，默認礦山為朗伯體，其遵循目標單位表面積，向指定方向立體角內(nèi)，反射的輻射通量固定不變這一定律。確定上述兩個前提后，利用地面激光雷達發(fā)射激光光束至礦山監(jiān)測選點，則其照度計算公式為：

公式中：P0表示發(fā)射激光束初始功率；γ1、γ2分別表示大氣透過率和LiDAR系統(tǒng)透過率；α表示激光光束相對于礦山平面的入射角；C表示激光光束照射到礦山表面后，形成的光斑面積。若礦山表面反射率為δ，則射后的回波光功率P1為：

激光雷達通過上述公式，對選點位置的礦山斜坡進行實時監(jiān)測，根據(jù)發(fā)射的激光光束和返回的激光光束，確定礦山斜坡的實時狀態(tài)，并將該測量結(jié)果與事先在安全穩(wěn)定情況下，構(gòu)建的礦山三維模型進行對比，得到監(jiān)測結(jié)果出現(xiàn)差異值的山體位置[3]。當(dāng)?shù)V山在水平方向上，連續(xù)5天日的平均位移速率超過2mm/d、5日累計位移超過10mm時，向監(jiān)測中心發(fā)出一級預(yù)警；當(dāng)連續(xù)5天日平均位移速率超過2.5mm/d、5日累計位移超過15mm時，向監(jiān)測中心發(fā)出二級預(yù)警；當(dāng)連續(xù)5天日平均位移速率超過4mm/d、5日累計位移超過20mm時，則向監(jiān)測中心發(fā)出三級預(yù)警。按照上述研究內(nèi)容，實現(xiàn)地面激光雷達在礦山斜坡移動變形測量中的應(yīng)用。

4 結(jié)束語

在礦山斜坡移動變形測量中，利用此次研究的地面激光雷達應(yīng)用方法，監(jiān)測礦山的變形量，實現(xiàn)對礦山開采安全的有效保護。但此次研究受時間以及個人精力的限制，沒有考察應(yīng)用地面激光雷達后的變形量監(jiān)測效果，今后的研究與分析，可以在保證安全的情況下，對礦山斜坡移動變形程度進行實地調(diào)查，根據(jù)實際應(yīng)用效果調(diào)整雷達監(jiān)測位置，使測量結(jié)果更加真實、可靠。