三維激光掃描技術在礦山巷道斷面測量中的應用

畢 波，孟 濤

（濟南市萊蕪礦業有限公司，山東 濟南 271199）

礦山開采過程中存在大量不安全因素，為了保障礦產生產工作的安全進行，這就需要對礦山巷道斷面進行準確測量和分析。傳統的測量方法往往受到局限，不僅需要大量人力、時間和資源，而且在復雜環境下存在一定的風險。然而，隨著科技不斷進步，三維激光掃描技術已經成為礦山巷道斷面測量的革命性工具，為礦山開采提供了數據支持。

1 三維激光掃描技術概述

1.1 激光掃描裝置的工作原理

激光掃描裝置的工作原理基于激光雷達技術，是一種非常先進且精確的測量方法。在礦山巷道斷面測量中，激光掃描裝置通常包括激光發射器和接收器。首先，激光發射器會發射激光束，這束激光以極高的速度通過巷道內部移動。當激光束遇到巷道內的物體表面時，它會被反射回來并被接收器捕捉。接收器測量激光束返回的時間和角度信息，通過這些數據可以計算出激光束從發射到返回所經過的距離。由于激光光速非常快，所以可以精確測量物體與激光掃描裝置之間的距離。激光掃描裝置通常會連續發射激光束，通過不斷改變激光束的方向，以覆蓋整個巷道斷面。每個激光束的距離數據都被記錄下來，最終構建成一個巷道內部的三維點云模型。這個點云模型包含了巷道內各個物體表面的坐標信息，從而實現了對巷道斷面的高精度測量。

1.2 數據采集與處理方法

三維激光掃描技術的數據采集與處理方法是實現高精度巷道斷面測量的關鍵步驟。

首先，數據采集過程中，激光掃描儀會以一定的掃描頻率和角度范圍對巷道進行掃描。每次掃描都會生成一個掃描層的點云數據，多次掃描可以堆疊在一起，覆蓋整個巷道斷面。這些點云數據包括了每個點的坐標信息以及反射強度，即表面的亮度，用于表征不同物體的反射特性。其次，數據處理過程涉及點云數據的配準、濾波和合并。配準是將多個掃描層的數據對齊，確保它們在相同坐標系下，構建連續的三維模型。濾波操作用于去除噪音和不需要的數據點，例如由于光線散射或多次反射而導致的點云數據。點云數據合并將多個掃描層的數據合并成一個整體點云模型，這個模型代表了完整的巷道斷面。接下來的處理步驟包括特征提取、模型擬合和數據分析。特征提取階段可以識別和提取出巷道中的物體，如壁巖、設備、管道，以及它們的空間位置和尺寸信息。模型擬合可以將簡單的幾何形狀（如平面、圓柱體等）擬合到點云數據中，進一步精確地描述巷道的結構。數據分析可以根據需要計算巷道的各種屬性，如尺寸、體積、傾斜度等，為后續工程規劃和維護提供有價值的信息。

1.3 三維激光掃描技術在礦山巷道測量中的優勢

三維激光掃描技術在礦山巷道測量中的優勢顯著，主要體現在高精度和高密度的數據采集、快速測量速度和安全性，以及數據可視化和分析便利性方面。

首先，高精度和高密度的數據采集是三維激光掃描技術的顯著優勢之一。激光掃描儀能夠以毫米級的精度捕捉巷道內部的地形和物體表面特征，提供了極其精確的測量結果。此外，它能夠以非常高的密度采集數據點，即使是小尺寸或復雜形狀的物體也能被細致地記錄下來。這種高精度和高密度的數據對于礦山工程規劃、地質勘察和巷道維護至關重要，確保了準確的幾何信息和可靠的地質數據。其次，快速測量速度和安全性也是三維激光掃描技術的優勢之一。激光掃描儀能夠以非常高的掃描速度進行工作，迅速獲取大量數據點，因此可以在較短時間內完成巷道斷面測量。而且，由于激光掃描是一種非接觸式的測量方法，不需要人員進入巷道環境中，提高了測量的安全性。這對于那些存在安全風險的礦山巷道來說尤為重要，可以降低事故發生的風險并提高工作效率。最后，三維激光掃描技術提供了數據可視化和分析的便利性。采集的點云數據可以輕松導入計算機軟件中，生成三維模型，并進行可視化呈現。這使得礦山工程師和地質學家能夠直觀地了解巷道的實際情況，進行數據分析和模擬。此外，現代軟件工具允許用戶從點云數據中提取特征、進行模型擬合和計算各種屬性，為后續巷道設計、維護和決策提供了重要支持。

2 礦山巷道斷面測量需求分析

2.1 巷道斷面測量的重要性

首先，確保礦山運營安全。通過準確測量巷道斷面，礦山運營商可以更好地了解地下礦區的地質構造和地下空間的分布，有助于識別潛在的危險和風險因素，如巖石穩定性和地下水滲透問題。這有助于制定更科學合理的礦山設計和采礦計劃，以降低事故和災害的發生概率。其次，巷道斷面測量對于優化礦山運營和資源利用至關重要，準確的測量數據可用于確定礦石儲量、資源分布和采礦最佳方式的確定。這有助于提高礦石開采的效率，減少資源浪費，降低生產成本，從而增加礦山的盈利能力。同時，它還為礦山管理者提供了決策支持依據，以優化礦山布局、道路建設和設備配置，進一步提高生產效率。

2.2 傳統測量方法的局限性

首先，傳統的手工測量方法需要人工參與，耗時耗力，且容易受到人為誤差影響。測量員需要進入巷道進行測量，面對巷道內可能存在的各種危險情況，如巖石坍塌、有毒氣體和狹小的工作空間等，存在一定的安全風險。此外，由于測量員需要面對復雜的地形和地質條件，傳統測量方法的精度也常常難以滿足高要求。其次，傳統測量方法數據采集速度相對較慢，無法及時獲取大量數據。這意味著在礦山運營過程中，巷道斷面的測量結果可能會滯后，導致決策制定和問題識別延遲。同時，傳統測量方法的數據處理也需要較長時間，無法實現即時分析和反饋。另外，傳統方法往往無法滿足礦山巷道復雜形狀的測量需求。巷道可能具有復雜的幾何形狀，如曲線、斜坡和不規則截面，傳統測量工具在應對這些情況時效率低下，難以提供準確的數據。

3 三維激光掃描技術在礦山巷道斷面測量中的具體應用

3.1 巷道幾何特征測量

首先，三維激光掃描技術通過激光束的發射和接收，能夠高度精確地測量巷道的寬度、高度和形狀。激光束在掃描過程中持續發射，然后通過測量光束的反射時間，系統可以計算出從掃描儀到目標表面的距離。通過在不同的位置和角度進行多次掃描，系統可以獲得大量數據點，這些點構成了巷道斷面的三維模型。這個模型提供了高精度的寬度和高度信息，甚至可以區分不同位置的寬度和高度差異。其次，三維激光掃描技術的獨特之處在于其能夠捕捉隧道彎曲部分和非常規形狀。傳統的測量方法可能會受到巷道彎曲、不規則曲線或異形斷面的限制，導致測量結果不準確。然而，激光掃描技術不受這些限制，因為它可以在整個巷道中均勻地捕捉數據點，不受曲線或異形形狀的干擾。這意味著無論巷道是直線還是彎曲，無論其形狀多么復雜，激光掃描技術都能夠提供準確的幾何特征測量。

3.2 巖壁表面質量評估

巖壁表面質量評估能夠幫助礦山工程師和地質學家更全面地了解巖壁的狀態，以評估安全風險并進行巖壁穩定性分析。

首先，三維激光掃描技術能夠高精度地檢測巖壁上的各種缺陷，包括裂縫、裂隙、凹凸、裂紋和其他表面不規則性。激光掃描設備以極高的速度捕捉數百萬個數據點，這些點可以用來構建出巖壁的三維模型。通過分析這些模型，可以精確測量巖壁表面的凹凸和裂縫的尺寸、形狀和分布。這對于識別潛在的巖壁穩定性問題至關重要，因為它們可能導致巖石塊體的脫落或坍塌，對礦工和設備造成危險。其次，三維激光掃描技術的應用范圍不僅局限于巖壁表面檢測，還包括了與地質建模的結合。通過將激光掃描數據與地質信息整合，工程師和地質學家可以更好地理解巖層的分布、性質和穩定性。這有助于預測潛在的巖壁穩定性問題，提前采取措施來降低風險。此外，這些數據還可用于優化巷道設計，確保在開采過程中最大程度地減少巖壁崩塌和落石事件發生。

3.3 激光掃描與地質建模的結合

首先，三維激光掃描技術產生的數據提供了有關巷道周圍地質特征的高分辨率信息。這些數據包括巷道的巖層、巖性、構造特征以及其他地質參數。將這些數據與地質信息集成可以幫助地質學家更準確地理解地下巖石的分布和性質。通過在激光掃描數據上疊加地質信息，可以生成更精確的地質模型，這對于確定礦層的位置、形狀和質量分布至關重要。其次，這種結合還為優化巷道設計和資源管理提供了寶貴的支持。通過將激光掃描數據與地質模型相結合，工程師可以更好地了解礦山地質條件，以制定更安全和高效的巷道設計方案。例如，他們可以避免在不穩定的地質區域開采，從而減少巖壁崩塌的風險。此外，激光掃描技術還能夠提供有關巷道斷面的精確信息，有助于優化資源管理，確保有效地利用礦石資源。在資源管理方面，激光掃描還可以用于量化開采的剩余礦石量。通過不斷監測巷道的變化，可以及時調整開采計劃，以確保最大限度地減少資源浪費。這種信息的準確性和實時性對于礦山運營的經濟性和可持續性非常重要。

3.4 礦山生產計劃的改進

通過三維激光掃描技術收集的詳細數據可以幫助礦山管理團隊更精確地制定生產計劃，提高礦山的效率和生產能力。

首先，激光掃描技術能夠提供準確的巷道斷面信息，包括寬度、高度和形狀等幾何特征。這些數據可以用于確定巷道內各種設備和機械的適合性，以及通行的限制因素。例如，它可以幫助確定何時需要更大的礦車或設備，以及如何最大程度地利用巷道的容量，有助于優化設備配置，避免不必要的停機時間，從而提高了生產效率。其次，激光掃描技術還能夠幫助監測巷道內的地質條件和巖壁穩定性。通過實時或定期掃描，礦山團隊可以及時檢測到巖壁裂縫或其他地質問題的變化。這使他們能夠采取必要的措施，如加固巖壁或停止開采，以避免潛在的安全風險，這種即時反饋對于生產計劃的靈活性和可靠性至關重要。

4 三維激光掃描技術應用過程中的挑戰與對策

4.1 復雜環境下的應用限制

礦山巷道往往處于極端環境之中，包括高溫、高濕度、塵埃、巖石碎片等復雜條件，這些因素可能影響激光掃描技術的性能和可靠性。

首先，高溫和高濕度環境可能影響激光掃描儀的穩定性和壽命。激光掃描設備中的電子元件和光學部件對于極端溫度和濕度可能不夠耐受，導致設備性能下降或故障。因此，在這種環境下使用激光掃描技術需要特殊設計的設備，以確保其可靠性和持久性。其次，塵埃和巖石碎片可能會影響激光掃描的數據質量。在巷道內，可能會有粉塵或碎石等物質飄浮在空中，這些物質可能會散射激光束，導致數據點的不準確采集或遮擋部分物體表面，降低測量的精度。因此，需要采取措施來減少塵埃和碎石對激光掃描的干擾，例如定期清潔巷道內部或使用特殊的濾波和數據校正方法來處理這些問題。最后，復雜的巷道結構和地質條件可能使數據采集和處理更加復雜。例如，曲線或傾斜的巷道斷面可能需要額外數據處理步驟來保持高精度。地質構造復雜或不規則的地方可能需要更多的點云數據以獲取準確的地質信息。因此，需要在數據采集和處理中考慮這些復雜因素，并制定相應的應對策略，以確保在復雜環境下仍能夠獲得可靠的測量結果。

4.2 數據處理和存儲

激光掃描儀在短時間內生成大量數據，而且這些數據通常非常龐大，可能會對數據處理和存儲構成一定挑戰。

首先，大規模點云數據需要高性能的計算設備來進行處理和分析。點云數據通常包含數百萬到數千萬個數據點，這些點的處理需要強大的計算能力和存儲資源。為了應對這個挑戰，礦山巷道測量中通常需要配置高性能的計算機系統，包括多核CPU、大內存和高速硬盤。此外，使用并行計算和分布式計算方法可以加速數據處理過程。其次，數據存儲也是一個重要問題，因為點云數據通常需要大量的存儲空間。存儲大規模的點云數據需要足夠的硬盤容量，而且數據備份和管理也需要考慮。一種解決方案是使用高容量的網絡附加存儲設備（NAS）或云存儲服務來存儲點云數據，還需要建立有效的數據管理和維護流程，以確保數據的安全性和可訪問性。最后，數據處理過程中還需要考慮數據的清洗、濾波、配準和模型生成等多個步驟，這需要使用適當的數據處理軟件和算法。選擇適用于點云數據處理的專業軟件工具和算法是至關重要的。

5 結語

綜上所述，通過將三維激光掃描技術應用于礦山巷道斷面測量工作中，能夠為礦山開采工作的安全開展提供數據支持。但是在其應用過程中存在一定的挑戰，這就需要采取針對性策略，克服這些挑戰，繼續推動激光掃描技術在礦山工程中的廣泛應用，為礦山行業的發展做出更大貢獻。