基于激光掃描技術的銅尾礦庫三維建模及綜合應用分析

胡書林 聶 珮

(浙江有色勘測規劃設計有限公司, 浙江 紹興 312000)

0 引言

隨著礦山工業的不斷發展,尾礦庫的數量正在逐漸增加。尾礦庫潰壩具有突發性和潛在性,一旦發生,將對下游居民生命財產安全將造成巨大損失。因此,加強對尾礦庫的安全監測,構建能夠真實反映尾礦庫地形起伏條件的三維模型,可以為科學評價尾礦庫潰壩風險提供科學的指導[1-4]。

傳統測量尾礦庫的方法不僅費事費力,而且很多只能獲得尾礦庫局部地區的地形數據,很難真實完整地反映尾礦庫的真實情況,也不能為后續數值模擬分析提供貼近實際情況的基礎數據。三維激光掃描技術是繼全球定位系統(Global Positioning System，GPS)空間定位技術之后發展起來的又一測繪新技術,通過連續獲取點運數據能夠快速完成觀測目標的三維建模,逐漸在工程領域得到普及應用[5-7]。近年來,已有一些學者針對三維激光掃描技術在尾礦庫安全監測中的應用進行了探討研究,比如馬松等[8]對尾礦庫潰決影響范圍分析的三維激光掃描與顆粒流技術進行探討分析,王志軍等[9]對低空無人機攝影測量技術與三維激光掃描技術在尾礦庫三維現狀分析中的應用進行了研究,李建等[10]探討分析了三維激光掃描技術在礦山尾礦庫區監測中的應用效果,可為更好地掌握尾礦庫在安全狀態和企業生產管理提供參考。

本文基于三維激光掃描技術,對安徽某銅尾礦庫進行了三維建模分析,同時基于三維建模分析成果,進行了尾礦庫潰壩風險的綜合評估,相關研究成果可為激光掃描技術在尾礦庫三維建模中的進一步應用提供參考。

1 研究區概況

安徽省礦業資源豐富,擁有大大小小尾礦庫數百座,本文研究對象為銅尾礦庫,位于銅陵市境內,屬四等尾礦庫規模,一期工程壩體已建設到標高72.6 m,壩高32.6 m,庫容405萬m3,續建工程庫容為459萬m3,尾礦庫最高使用標高限制在81.0 m。由于尾礦庫位于市郊區,下游居住著數十萬人口,因此,加強尾礦庫的安全監測具有十分重要的意義。

2 建模過程分析

2.1 三維激光掃描系統選取

三維激光掃描系統按照搭載方式的不同可分為:星載激光掃描儀、機載激光掃描儀、地面三維激光掃描系統和手持型激光掃描系統,本文選擇地面三維激光掃描系統對研究區進行數據采集和建模分析。地面三維激光掃描的工作原理是利用地面三維激光掃描儀內部的激光發射器發射激光信號,當激光碰到目標物表面發射回來后由激光接收器對回波信息進行接收,并可以實現水平和垂直方向的自由轉換,實現對目標物體的全方位掃描,測量原理示意見圖1。

圖1 地面三維激光掃描原理示意圖

選用RIEGL VZ-2000型激光掃描系統進行數據采集,該掃描儀屬基于飛行時間差的脈沖式激光掃描儀,掃描范圍2.5～2 050 m,100 m外距離精度為5 mm,激光發射頻率為400 000點/s,水平掃描角度為360°,垂直掃描角度為100°,內置羅盤精度5°,傾斜補償精度10°。

2.2 外業數據采集

外業數據采集流程可分為以下幾個步驟:接收任務、探勘掃描現場、編制掃描實施方案、儀器檢查、安置地面激光掃描儀、選擇掃描區域、設置掃描距離以及空間分表率等參數、完成測站點掃描工作、掃描數據檢查。

在外業數據采集過程中應該著重注意以下幾點:

(1)由于傾斜補償范圍為±10°,因此需要確保儀器整平,保證儀器傾斜角度處于補償范圍內。

(2)掃描儀站點應盡量布設在視野開闊地段。

(3)合理設置掃描儀分辨率,分辨率過高,數據量過大,影響工作效率;分辨率過低,數據過少,影響數據精度。

(4)相鄰兩站掃描區域應保持20%～30%的重疊區以確保數據完整性和拼接精度。

(5)掃描過程中要盡量避免人、車輛等外界環境的干擾。

(6)測量結束后,應及時對測量區域、儀器高度、掃描數據保存等進行檢查,確保測量成果的精確性。

根據研究實際地形情況,進行外業數據采集,數據采集得到的原始點云數據見圖2。

圖2 原始點云數據

2.3 點云數據處理

點云數據處理包含四個流程:點云數據去噪、點云數據拼接、點云數據濾波、點云數據壓縮。

(1)受掃描儀自身系統誤差以及環境等不確定因素的影響,所采集到的原始點云數據存在誤差,因此需對原始點云數據進行去噪處理,采用基于偏差和反射率的綜合點云去噪方法對原始點云數據進行處理,一共去除了24 852 028個噪聲點。

(2)采用基于多站點配準算法,將四個站點經去噪后的點云數據進行拼接

(3)將拼接過后的點運數據分為有序點云和散亂點云,采用RiSCAN PRO點云處理軟件的迭代內插模型對云數據進行濾波處理,通過手動刪除等方法將高于閾值范圍的非地形數據剔除干凈。

(4)雖然進行了云數據濾波處理,使得點云數據量大大降低,但為了進一步簡化計算量,提高工作效率,仍需要將多余的點云數據進行壓縮處理,本文采用隨機抽樣法與等間距采樣法相結合對尾礦庫地勢平坦地區進行點云數據壓縮,采用八叉樹采樣法對尾礦庫地勢起伏較大的部位進行點云數據壓縮。

點云數據處理流程見圖3。

圖3 點云數據處理流程及結果

2.4 成果輸出

尾礦庫成果輸出主要經歷三個流程:

(1)利用處理好的點云數據生產規則三角網和規則格網,構建研究區尾礦庫的數字高程模型(Digital Elevation Model，DEM),為尾礦庫地形要素的提取提供高精度、高效率、高清晰的基礎數據。

(2)通過建立好的DEM模型,繪制研究區尾礦庫的等高線,等高線間距為1 m。

(3)在 RiSCAN PRO軟件中截取需要測算的范圍,然后構建一個垂直于Z軸的平面,即可得到尾礦庫的三維模型和庫容量。

圖4 尾礦庫成果輸出流程及結果

尾礦庫成果輸出流程見圖4。

3 數值分析

3.1 尾礦庫體模型構建

通過三維激光掃描獲得了尾礦庫的三維復雜地形點云數據,然后通過點云數據處理和成果輸出,得到了尾礦庫三維模型,將三維模型數據點信息通過編程,并生成與FLUENT相匹配的文件,將文件導入數值模擬軟件中,并考慮研究區范圍和計算機的運行能力,選用5 m精度的格網點數據進行分析。導入坐標點后,然后使用GAMBIT讀取數據文件,依次進行線連接、面創建,最終生成尾礦庫的體模型(圖5)。

圖5 尾礦庫體模型

3.2 模擬過程

尾礦砂本構模型選用賓漢模型,密度為1 800 kg/m3,屈服應力為13.75 kPa,塑性黏度為500 Pa·s。

模型的基本假設為:

(1)尾礦庫砂漿為各向同性的連續體;

(2)尾礦庫發生瞬間坍塌,不考慮漸潰過程;

(3)不考慮砂漿體對下游的沖刷作用。

分別對尾礦庫潰壩后0 s、10 s、25 s和35 s后的砂漿演進過程、砂漿運動速度以及砂漿壓力變化等進行模擬分析。

3.3 結果分析

模擬分析得到的尾礦庫潰壩過后砂漿演進過程見圖6。從圖6中可以看到:隨著潰壩時間的增加,尾礦庫砂漿的面積越來越大,從扇形涌浪逐漸向下游地勢較低地區擴散,并在25 s時運動到溝口,最后形成一個中間厚兩邊薄的扇形堆積體;經模擬分析,尾礦庫潰壩后,將淹沒農田約8×104m2,溝口數十戶民房將受到直接威脅。

模擬分析得到的尾礦庫潰壩過后砂漿演進過程如圖7所示。尾礦庫潰壩前,尾礦砂的速度為0。發生潰壩后，在重力作用下,尾礦砂向地勢低處不斷運動,速度最大位置在龍頭位置。當潰壩10 s后,最大速度達到21 m/s;之后由于能量損失,速度逐漸減小,當潰壩35 s后,尾礦砂向四周擴散。因此,在進行尾礦庫災害防治時,應該在尾礦庫下游出口處修建適量的谷坊,以增大砂漿運動的能量損失,同時改變砂漿的流動方向,從而減小礦砂的流動速度。

圖6 尾礦庫不同時刻砂漿流態變化圖

圖7 不同時刻砂漿運動速度變化圖

模擬分析得到的尾礦庫潰壩過后砂漿對地面的壓力變化見圖8。當尾礦庫未發生潰壩時,地面所受的壓力主要為堆積尾礦砂的重力;當潰壩發生后,砂漿對地面的最大壓力逐漸由庫區向下游移動,此時地面所受壓力包括砂漿自重和砂漿運動的動壓力;當尾礦庫潰壩35 s后,地面所受的壓力值達到最大。

圖8 不同時刻砂漿對地面壓力變化圖

4 結束語

本文基于三維激光掃描技術,從掃描系統選取、外業數據采集、點云數據處理以及成果輸出四個方面對某銅尾礦庫的建模過程進行了詳細分析,構建起能夠真實反映尾礦庫地形起伏條件的三維模型,并通過編程將尾礦庫的三維模型轉換為與數值分析軟件相匹配的文件,對尾礦庫潰壩演化過程和風險進行了評估。三維激光掃描技術可為數值分析提供比較貼近實際情況的基礎數據,可進一步提升尾礦庫潰壩風險評估的準確性。