I-Site XR3 三維激光掃描儀在某礦山采空區(qū)測(cè)量中的應(yīng)用

周先，周建華

(青海鴻豐偉業(yè)礦產(chǎn)投資有限公司， 青海 海西州 817000)

1 礦山概況

某矽卡巖型低品位鐵多金屬礦，經(jīng)多年小規(guī)模開(kāi)采，在該礦山3200 m 中段4 線至10 線形成了大量采空區(qū)，開(kāi)采過(guò)程中未及時(shí)對(duì)采空區(qū)進(jìn)行實(shí)測(cè)成圖和治理[1]。近年來(lái)隨著鐵礦石價(jià)格上升，經(jīng)可行性研究分析，該礦具備了大規(guī)模開(kāi)發(fā)的市場(chǎng)條件。為回采3200 m 中段采空區(qū)上部、3250 m 中段、?3300 中段和采空區(qū)上下盤礦石，制定合理的采礦設(shè)計(jì)方案，需要對(duì)采空區(qū)進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量。使用傳統(tǒng)測(cè)量?jī)x器實(shí)測(cè)需要測(cè)量人員深入采空區(qū)，由于采空區(qū)形成時(shí)間長(zhǎng)，空區(qū)高度高，頂板暴露面積大，無(wú)法保障測(cè)量工作的安全。I-Site XR3 三維激光掃描儀是能夠快速準(zhǔn)確感知的大范圍遠(yuǎn)程測(cè)量系統(tǒng)，在地下采空區(qū)測(cè)量中利用手簿遠(yuǎn)程操控對(duì)空區(qū)空間形態(tài)進(jìn)行掃描，能夠準(zhǔn)確獲取采空區(qū)空間幾何特征的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。因此，采用I-site XR3 三維激光掃描儀對(duì)該礦山的采空區(qū)進(jìn)行了測(cè)量，以保障后續(xù)生產(chǎn)的安全。

2 采空區(qū)實(shí)測(cè)

2.1 數(shù)據(jù)采集

某礦山3200 m 中段經(jīng)多年無(wú)序開(kāi)采，形成大量采空區(qū)并遺留較多未回采的礦體，經(jīng)生產(chǎn)探礦探明3200 m 中段所遺留的殘礦體仍具有較高的回采價(jià)值；但遺留的采空區(qū)分布不規(guī)律、資料不齊全、長(zhǎng)期無(wú)人維護(hù)，空區(qū)局部垮塌嚴(yán)重，頂板邊幫浮石多，若采用常規(guī)測(cè)量方法獲取采空區(qū)三維空間形態(tài)，測(cè)量難度較大，人員安全無(wú)法保障，獲取數(shù)據(jù)不全面。

為準(zhǔn)確掌握采空區(qū)三維空間形態(tài)，在3200 m中段采空區(qū)附近巷道已有控制點(diǎn)利用三腳架架設(shè)I-Site XR3 三維激光掃描儀設(shè)置首站，在已知控制點(diǎn)架設(shè)三維激光掃描儀定位、定向，采用類似于全站儀后視測(cè)量的方式直接測(cè)量絕對(duì)坐標(biāo)，保證架設(shè)點(diǎn)獲取掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)在平面上與已知控制點(diǎn)位置相對(duì)應(yīng)。

通過(guò)手簿與三維激光掃描儀無(wú)線鏈接，建立采空區(qū)測(cè)量作業(yè)名稱，輸入測(cè)站點(diǎn)、后視點(diǎn)坐標(biāo)和儀器高等，調(diào)整三維激光掃描儀使指向激光準(zhǔn)確對(duì)準(zhǔn)后視點(diǎn)設(shè)置方位角，應(yīng)用數(shù)據(jù)采集及掃描檔位設(shè)置（即掃描時(shí)間，點(diǎn)間距和測(cè)量區(qū)域）功能實(shí)現(xiàn)在控制點(diǎn)基礎(chǔ)上對(duì)首站附近的空間進(jìn)行掃描，獲取空間形態(tài)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，在確保后續(xù)站點(diǎn)中采集的空間點(diǎn)云數(shù)據(jù)與前一站點(diǎn)具有30%重合度的情況下，可任意架站掃描獲取其他站點(diǎn)的空間物體點(diǎn)云數(shù)據(jù)信息，節(jié)約人員設(shè)置測(cè)站點(diǎn)、后視點(diǎn)、儀器量高的時(shí)間，提高測(cè)量效率。

在每站掃描獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)后，即時(shí)在手簿中查看每?jī)烧镜狞c(diǎn)云數(shù)據(jù)是否具有30%的重合度，避免前后兩個(gè)站點(diǎn)采集的空間點(diǎn)云數(shù)據(jù)重合度達(dá)不到30%的要求而返工。

2.2 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理時(shí)，將數(shù)據(jù)從手簿導(dǎo)出，通過(guò)I-Site Studio 后處理軟件“文件”中的“導(dǎo)入”功能，導(dǎo)入點(diǎn)云數(shù)據(jù)至軟件中。已知點(diǎn)架設(shè)首站獲取的點(diǎn)云文件可直接通過(guò)“按名稱匹配”來(lái)完成采空區(qū)所在絕對(duì)坐標(biāo)系的準(zhǔn)確匹配；而后續(xù)站點(diǎn)獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，則根據(jù)已知坐標(biāo)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，應(yīng)用“全局匹配”功能實(shí)現(xiàn)在30%以上重合度的前后兩站點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接，使其擬合拼接成連續(xù)的、完整的空間點(diǎn)云數(shù)據(jù)[2?3]。

點(diǎn)云數(shù)據(jù)完整拼接后，數(shù)據(jù)中會(huì)存在大量的噪點(diǎn)數(shù)據(jù)，可應(yīng)用“過(guò)濾器”功能一次性去除，并且將與空區(qū)連接的巷道點(diǎn)云數(shù)據(jù)剔除，最終形成采空區(qū)真實(shí)的空間形態(tài)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)[4?5]。

拼接完整后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)根據(jù)繪圖軟件可分類導(dǎo)出與之相兼容的數(shù)據(jù)文件，提高點(diǎn)云數(shù)據(jù)的通用性。

2.3 模型建立、體積計(jì)算及邊界生成

本次實(shí)測(cè)工作共獲取3200 m中段采空區(qū)31 567個(gè)有效點(diǎn)云數(shù)據(jù)（見(jiàn)圖1），通過(guò)I-Site Studio 后處理軟件模型建立功能進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)空間點(diǎn)三角網(wǎng)連接，進(jìn)而創(chuàng)建模型，應(yīng)用軟件驗(yàn)證分析是否存在無(wú)相交、開(kāi)方邊等現(xiàn)象，最終形成真實(shí)反映采空區(qū)形態(tài)的三維立體模型（見(jiàn)圖2）[6?8]。經(jīng)軟件計(jì)算得出4～6 線采空區(qū)體積為5143.399 m3，6～8線采空區(qū)體積為50 213.600 m3，8～10 線采空區(qū)體積為20 394.354 m3。在采空區(qū)三維立體模型的基礎(chǔ)上可任意創(chuàng)建采空區(qū)各水平平面圖、剖面圖等圖形，能準(zhǔn)確反映出采空區(qū)形態(tài)、位置關(guān)系等，能夠充分滿足采礦方案設(shè)計(jì)的需要。

圖1 某礦山3200 m 中段采空區(qū)點(diǎn)云數(shù)據(jù)

圖2 某礦山3200 m 中段采空區(qū)模型

2.3 測(cè)量數(shù)據(jù)應(yīng)用

將I-Site XR3 三維激光掃描儀實(shí)測(cè)的空區(qū)模型嵌入三維數(shù)字礦山軟件生成的巷道和礦體模型后，通過(guò)任意切割剖面能準(zhǔn)確反應(yīng)出3200 m 中段開(kāi)采現(xiàn)狀，如圖3、圖4 所示，能夠?yàn)橄噜徶卸尾傻V設(shè)計(jì)提供準(zhǔn)確的空間數(shù)據(jù)信息，有利于制定出合理的采礦設(shè)計(jì)方案和安全措施，保障下一步采礦生產(chǎn)的安全。

圖3 3200 m 中段6 線剖面

圖4 3200 m 中段8 線剖面

3 結(jié)論

I-Site XR3 三維激光掃描儀在某鐵多金屬礦的應(yīng)用，解決了該礦山多年來(lái)使用傳統(tǒng)測(cè)量?jī)x器無(wú)法實(shí)測(cè)采空區(qū)的難題，完成了3200 m 中段4 線～10線走向長(zhǎng)達(dá)400 m，采高8～42 m 的采空區(qū)實(shí)測(cè)工作，為下一步3200 m 中段殘礦體回采和3250 m、3300 m 中段礦體開(kāi)采制定安全、合理的方案提供了準(zhǔn)確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。