張 達(dá)，王利崗

(北京礦冶研究總院，北京 100070)

引言

留礦法、空場法等礦山資源開采方法的使用使我國的許多礦山形成大量的采空區(qū)，如甘肅廠壩鉛鋅礦、廣東大寶山礦、廣西大廠鉛鋅礦、黑龍江西林鉛鋅礦、銅陵獅子山銅礦等。而且，長期以來許多民營礦山私挖亂采形成的大量空區(qū)群形態(tài)不一、錯綜復(fù)雜。另外，由于許多私營礦山的開采沒有經(jīng)過正規(guī)設(shè)計或設(shè)計資料不全、遺失等，無法確定這些采空區(qū)的位置和具體邊界。受地壓及爆破震動等影響，這些未經(jīng)處理的采空區(qū)會導(dǎo)致礦山開采狀態(tài)惡化，引起礦柱嚴(yán)重變形，相鄰采場及巷道維護(hù)難度加大，發(fā)生大面積冒落及地表塌陷等，這些已經(jīng)成為目前影響礦山生產(chǎn)安全的重要危害源之一[1]。因此，科學(xué)地探明井下采空區(qū)的條件狀態(tài)和空間形狀，為空區(qū)安全治理和資源回采提供準(zhǔn)確的設(shè)計依據(jù)，已成為保障礦區(qū)人民生命財產(chǎn)安全和礦山企業(yè)安全生產(chǎn)的迫切需要[2]。

目前，對于采空區(qū)的探測，通常是首先查閱采礦設(shè)計等相關(guān)資料并進(jìn)行現(xiàn)場實地調(diào)查，然后利用現(xiàn)有的各種物探方法進(jìn)行探測，最后以鉆孔探測的方法進(jìn)行驗證。這些方法不僅成本高，而且只能得到鉆孔處的點數(shù)據(jù)。近年來新興的地球物理探測方法顯示出較強(qiáng)的地質(zhì)信息揭示能力，主要有探地雷達(dá)法[3]、高密度電法[3-4]和三維激光掃描法[5]等，其中三維激光掃描法具有探測精度高、探測速度快、對周邊環(huán)境影響小等一系列優(yōu)點，具有廣闊的應(yīng)用空間。運用三維激光掃描這一新技術(shù)，可以精密測量空區(qū)的空間性狀和形態(tài)，通過實時數(shù)據(jù)分析，可以對井下空區(qū)變形等進(jìn)行監(jiān)測，為低成本、快速、準(zhǔn)確安全地監(jiān)測地下空區(qū)提供了可能。

1 空區(qū)三維激光掃描儀原理

三維激光掃描儀是一種集成多種高新技術(shù)的新型三維坐標(biāo)測量儀器，采用非接觸式高速激光測量方式，以點云形式獲取被測對象表面的陣列式幾何圖形的三維數(shù)據(jù)，其工作原理如圖1所示。

圖1 三維激光掃描儀的測量原理

其核心技術(shù)為激光雷達(dá)技術(shù)(Laser Detect and Ranger，Ladar)，這是一種先進(jìn)的主動傳感方法，它采用激光作為傳感的載體，通過發(fā)射受控制的激光來照射被測目標(biāo)，然后接收被測目標(biāo)的后向散射，根據(jù)激光的往返時間或者相位差來精確測定距離信息，即：

其中：s為待測距離，c為光速，t為激光的往返時間，而Φ為相位差。

采用相位差法能夠達(dá)到高的測量精度，但需要好的反射光才能夠測量，一般需要專用的合作目標(biāo)(如激光跟蹤儀采用專用靶球)，在空區(qū)監(jiān)測應(yīng)用中難以使用。

目前三維激光掃描儀主要采用TOF脈沖測距法(Time of Flight)，即計算激光的往返時間，這是一種高速激光測時測距技術(shù)。采用脈沖測距法的三維激光點坐標(biāo)計算方法如下：

圖2 采用脈沖測距法的三維點坐標(biāo)

其中，s為三維激光掃描儀通過脈沖測距法得到的距離測量值，α和θ分別為由角度編碼器控制并同步測量的每個激光脈沖的軸向掃描角度測量值和徑向掃描角度測量值。三維激光掃描測量一般使用掃描儀內(nèi)部的坐標(biāo)系統(tǒng)，為三維立體坐標(biāo)系，默認(rèn)儀器中心位置坐標(biāo)為(0，0，0)。

三維激光掃描測量儀在開始工作之前，會依據(jù)補(bǔ)償器自動設(shè)定初始位置，在已知儀器中心點坐標(biāo)(x0、y0、z0)和儀器初始化方位θ(儀器初始化后初始方位與用戶坐標(biāo)系中北方位夾角)的情況下，通過平移、旋轉(zhuǎn)，把觀測點的坐標(biāo)數(shù)據(jù)換算至用戶坐標(biāo)系統(tǒng)：

(Xn、Yn、Zn)為用戶坐標(biāo)系中各測點的坐標(biāo)。

每次觀測得到的空區(qū)大量觀測點的坐標(biāo)數(shù)據(jù)以及對應(yīng)每個測點的激光反射率數(shù)據(jù)稱之為點云數(shù)據(jù)。利用網(wǎng)格技術(shù)將點云坐標(biāo)連接成曲面，就形成了觀測空區(qū)的三維圖像。當(dāng)進(jìn)行多期觀測時，就可以通過對多期圖像的變化分析求得空區(qū)的變形，當(dāng)相鄰兩期觀測的空區(qū)圖像發(fā)生局部或大范圍變化時，可以推斷期間發(fā)生了巖壁垮落。

2 井下空區(qū)三維激光掃描儀及其特點

2.1 CMS空區(qū)監(jiān)測系統(tǒng)

2.1.1 系統(tǒng)介紹和組成

20世紀(jì)90年代初,空區(qū)監(jiān)測系統(tǒng)CMS(Cavity Monitoring System)由加拿大Noranda 技術(shù)中心和Optech公司共同研發(fā)，目前已經(jīng)在全球各大礦山廣泛應(yīng)用，并且已成為礦業(yè)發(fā)達(dá)國家地下采場和空區(qū)監(jiān)測的重要手段，尤其是在人員無法進(jìn)入的危險空區(qū)中，利用CMS可以進(jìn)行有效地測量和監(jiān)測。

CMS使用時，首先需將CMS放置在空區(qū)內(nèi)的某一固定位置，然后對空區(qū)進(jìn)行全方位掃描，采集空區(qū)邊界的三維點坐標(biāo)(X，Y，Z)并儲存于CMS的內(nèi)置存儲單元中。經(jīng)過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后，可將坐標(biāo)數(shù)據(jù)導(dǎo)入礦山專業(yè)軟件(如SURPAC， DATAMINE，VULCAN等) 生成采場或空區(qū)的三維模型。CMS體型較小，可通過直徑20 cm 左右的鉆孔將激光頭伸入到危險空區(qū)中進(jìn)行探測，而操作人員則可以通過手持終端設(shè)備在安全的位置進(jìn)行遙控操作。

2.1.2 CMS 原理及監(jiān)測過程

使用CMS對空區(qū)進(jìn)行測試前一般需對空區(qū)周邊現(xiàn)場進(jìn)行安全檢查，尤其是操作人員需要進(jìn)入的場地，確保人員的安全。CMS儀器為模塊化組件，安裝相對比較簡單。安裝時，首先將激光掃描頭固定在碳纖維材質(zhì)的支架上，然后將它穩(wěn)固安裝在空區(qū)的某一位置，該位置應(yīng)盡量能掃描到空區(qū)的所有角落 (如圖3所示)。

圖3 CMS的操作方式

掃描結(jié)束后，需要對CMS采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，主要分3個步驟：

1)采用CMS激光掃描獲取空間點云數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)傳輸線從控制箱接收掃描到的數(shù)據(jù)，控制箱將點云數(shù)據(jù)以無線方式發(fā)送至手持終端，然后再將手持終端上的點云數(shù)據(jù)下載到后期數(shù)據(jù)處理計算機(jī)中；

2)點云數(shù)據(jù)被保存成“txt”格式的文本文件，一個點數(shù)據(jù)包括一個距離值和兩個角度值，采用系統(tǒng)自帶的軟件CMS PosProcess將文本文件轉(zhuǎn)換為通用格式文件，這樣就可以通過CAD軟件或礦山專業(yè)軟件(如SURPAC、DATAMINE等)處理并使用；

3)通過采用CMS專用的數(shù)據(jù)處理軟件QVOL處理經(jīng)過轉(zhuǎn)換的點云數(shù)據(jù)，生成空區(qū)的三維圖形。通過3D網(wǎng)格獲得任何方向上的任意空區(qū)剖面，并自動計算空區(qū)體積和剖面面積。

2.2 C-ALS系統(tǒng)

2.2.1 系統(tǒng)介紹和組成

C-ALS(Cavity Auto Scanning Laser System)最早于1996年進(jìn)入市場，是世界上第一款能通過地面上鉆孔對地下空區(qū)進(jìn)行掃描的裝置，該儀器的性能已在很多條件惡劣的地下測量實踐中得到了驗證，并廣泛應(yīng)用于全球各相關(guān)行業(yè)?？諈^(qū)激光自動掃描系統(tǒng)(C-ALS)包括硬件和軟件兩大部分。硬件部分包括探頭、鉆孔攝像頭、標(biāo)準(zhǔn)加長件、地面控制裝置、Boretrak探桿、絞架、通信電纜以及搬運箱等。其中Boretrak探桿是為了在磁性區(qū)域配置使用C-ALS而專門設(shè)計的，因為在磁性區(qū)域無法通過使用指南針來決定探頭朝向，在這種場合下，Boretrak探桿將為C-ALS提供最精確和穩(wěn)定的定位方式[6]。C-ALS系統(tǒng)組件見圖4。

圖4 C-ALS系統(tǒng)組件

軟件部分主要是與C-ALS系統(tǒng)配套的遠(yuǎn)程控制軟件C-ALS Control Software，其操作界面如圖5所示。

圖5 C-ALS控制軟件

2.2.2 C-ALS系統(tǒng)原理及監(jiān)測過程

C-ALS系統(tǒng)的工作原理是根據(jù)激光的射出角度和探測距離值進(jìn)行定位，激光從光源發(fā)射到某個目標(biāo)表面并反射回來，用高頻數(shù)字電路測定其經(jīng)歷的往返時間，并以此來計算光源和目標(biāo)之間的距離，并通過角度編碼器等部件測定激光頭轉(zhuǎn)過的角度?？諈^(qū)激光自動掃描系統(tǒng)(C-ALS)依靠無線終端控制掃描頭采集數(shù)據(jù)，通過通信電纜傳輸?shù)娇刂栖浖羞M(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和處理，生成空區(qū)的三維模型，也可以將數(shù)據(jù)導(dǎo)入SURPAC、VUL2CAN、DATAMINE等專業(yè)礦山數(shù)據(jù)處理軟件中，進(jìn)行各種數(shù)值計算，并作為采礦設(shè)計和穩(wěn)定性分析的依據(jù)，其工作流程見圖7。

圖7 三維激光掃描順序

3 國內(nèi)三維激光掃描技術(shù)的發(fā)展

目前國內(nèi)在三維激光掃描測量技術(shù)尤其是硬件技術(shù)方面的研究還相對落后，但也有了一些初步成果[7]。早在20世紀(jì)90年代，中國科學(xué)院遙感應(yīng)用研究所的李樹楷教授主持研究了國內(nèi)第一臺機(jī)載線掃描原理樣機(jī)，目前正在進(jìn)一步改進(jìn)和完善。武漢大學(xué)李清泉教授在2000年主持開發(fā)研制了地面激光掃描系統(tǒng)，但沒有集成定向系統(tǒng)，目前主要用于堆積測量。目前，國內(nèi)還沒有成熟的三維激光掃描硬件系統(tǒng)，而國外三維激光掃描測量系統(tǒng)的價格依然非常昂貴。

國內(nèi)針對礦山應(yīng)用的三維激光掃描技術(shù)發(fā)展起步較晚，目前還停留在以使用國外相應(yīng)產(chǎn)品為主的應(yīng)用層面上，具有自主知識產(chǎn)權(quán)的井下空區(qū)三維激光掃描儀更是難覓蹤跡。2008年，為了滿足國內(nèi)礦山行業(yè)日益增強(qiáng)的對三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用需求，北京礦冶研究總院申請并成功實施了國家863計劃重點項目《千米深井地壓與高溫災(zāi)害監(jiān)測技術(shù)與裝備》中的課題《深井空區(qū)大變形及巖壁垮落激光掃描智能化監(jiān)測技術(shù)與裝備》，針對井下空區(qū)變形監(jiān)控等礦山應(yīng)用自主研發(fā)了具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的井下空區(qū)變形監(jiān)測三維激光掃描儀，該項目緊密結(jié)合我國礦山企業(yè)對井下空區(qū)變形精確監(jiān)測和安全狀態(tài)獲取這一重要需求，廣泛調(diào)研國內(nèi)外三維激光掃描技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，借鑒已有技術(shù)模式，創(chuàng)造性地提出了變步距自適應(yīng)空間分辨率掃描、掃描立方插值，補(bǔ)洞及匹配等三維激光掃描的關(guān)鍵技術(shù)，相對于國外同類產(chǎn)品，該項目研發(fā)的井下空區(qū)三維激光掃描儀具有全自動操作、探測距離遠(yuǎn)、探測精度高、探測模式豐富、產(chǎn)品成本低等特點。目前該項目已經(jīng)完成了產(chǎn)品試制，井下空區(qū)現(xiàn)場測試也正在緊鑼密鼓地進(jìn)行，已經(jīng)取得了一定的成果，同時，產(chǎn)品也在進(jìn)一步進(jìn)行改進(jìn)和產(chǎn)品化定型，該系統(tǒng)的成功研究將填補(bǔ)國內(nèi)空白，必將極大促進(jìn)國內(nèi)井下空區(qū)監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展，同時也會提高國內(nèi)有關(guān)三維激光掃描測量技術(shù)的研發(fā)水平，促進(jìn)這一技術(shù)在其他相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展。

4 三維激光掃描技術(shù)在井下安全監(jiān)測中的發(fā)展趨勢和展望

三維激光掃描儀的井下空區(qū)變形測量和安全監(jiān)測應(yīng)用是三維激光掃描技術(shù)的一種特定行業(yè)應(yīng)用，其發(fā)展應(yīng)與礦山行業(yè)的特點緊密結(jié)合，小型化、便攜式、遠(yuǎn)距離、高精度、堅固可靠等是該項技術(shù)在礦山井下安全監(jiān)測應(yīng)用中的發(fā)展趨勢。

三維激光掃描測量技術(shù)為礦山采空區(qū)信息的獲取等應(yīng)用場合提供了精確可靠的可視化數(shù)據(jù)，將空區(qū)體積、空區(qū)實際邊界、貧化損失等空區(qū)重要參數(shù)用具體的指標(biāo)做表征，并且可以對空區(qū)巖壁垮落量等做精確計算，改變了以往靠主觀經(jīng)驗估算的狀況，是井下空區(qū)安全監(jiān)測的新興技術(shù)和重要手段。隨著礦山信息化的快速發(fā)展，三維激光掃描儀作為三維激光掃描技術(shù)的載體，必將在礦山井下安全監(jiān)測中發(fā)揮越來越重要的作用。

[1]李庶林. 論我國金屬礦山地質(zhì)災(zāi)害與防治對策[J]. 中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報, 2002, 13 (4) : 44-48.

[2]劉敦文,古德生,徐國元. 地下礦山采空區(qū)處理方法的評價與優(yōu)選[J]. 中國礦業(yè), 2004, 13 (8) : 52-55.

[3]黃仁東,徐國元,劉敦文. 金屬礦隱患空區(qū)探測技術(shù)綜合分析[J]. 礦業(yè)研究與開發(fā), 2006, 26 (z2) : 82-86.

[4]李夕兵,李地元,趙國彥,等. 金屬礦地下采空區(qū)探測、處理與安全評判[J]. 采礦與安全工程學(xué)報, 2006, 23 (1) : 24-29.

[5]過 江,羅周全,鄧 建,等．三維動態(tài)空區(qū)監(jiān)測系統(tǒng)CMS在礦山的應(yīng)用[J]．地下空間與工程學(xué)報, 2005, 1(7):994-996．

[6]Measurement Devices Limited, C-ALS DRAFT MANUAL V4.0, 2005.

[7]過 江，古德生，羅周全. 金屬礦山采空區(qū)3D激光探測新技術(shù)[J]．礦冶工程,2006，26(5): 16-19.