張 達(dá)，王利崗

(北京礦冶研究總院，北京 100070)

引言

留礦法、空?qǐng)龇ǖ鹊V山資源開采方法的使用使我國(guó)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(zhǎng)期以來(lái)許多民營(yíng)礦山私挖亂采形成的大量空區(qū)群形態(tài)不一、錯(cuò)綜復(fù)雜。另外，由于許多私營(yíng)礦山的開采沒有經(jīng)過(guò)正規(guī)設(shè)計(jì)或設(shè)計(jì)資料不全、遺失等，無(wú)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(dòng)等影響，這些未經(jīng)處理的采空區(qū)會(huì)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(chǎng)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(jì)依據(jù)，已成為保障礦區(qū)人民生命財(cái)產(chǎn)安全和礦山企業(yè)安全生產(chǎn)的迫切需要[2]。

目前，對(duì)于采空區(qū)的探測(cè)，通常是首先查閱采礦設(shè)計(jì)等相關(guān)資料并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地調(diào)查，然后利用現(xiàn)有的各種物探方法進(jìn)行探測(cè)，最后以鉆孔探測(cè)的方法進(jìn)行驗(yàn)證。這些方法不僅成本高，而且只能得到鉆孔處的點(diǎn)數(shù)據(jù)。近年來(lái)新興的地球物理探測(cè)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(cè)精度高、探測(cè)速度快、對(duì)周邊環(huán)境影響小等一系列優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用空間。運(yùn)用三維激光掃描這一新技術(shù)，可以精密測(cè)量空區(qū)的空間性狀和形態(tài)，通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析，可以對(duì)井下空區(qū)變形等進(jìn)行監(jiān)測(cè)，為低成本、快速、準(zhǔn)確安全地監(jiān)測(cè)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(cè)量?jī)x器，采用非接觸式高速激光測(cè)量方式，以點(diǎn)云形式獲取被測(cè)對(duì)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(cè)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(dòng)傳感方法，它采用激光作為傳感的載體，通過(guò)發(fā)射受控制的激光來(lái)照射被測(cè)目標(biāo)，然后接收被測(cè)目標(biāo)的后向散射，根據(jù)激光的往返時(shí)間或者相位差來(lái)精確測(cè)定距離信息，即：

其中：s為待測(cè)距離，c為光速，t為激光的往返時(shí)間，而Φ為相位差。

采用相位差法能夠達(dá)到高的測(cè)量精度，但需要好的反射光才能夠測(cè)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(cè)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(cè)距法(Time of Flight)，即計(jì)算激光的往返時(shí)間，這是一種高速激光測(cè)時(shí)測(cè)距技術(shù)。采用脈沖測(cè)距法的三維激光點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算方法如下：

圖2 采用脈沖測(cè)距法的三維點(diǎn)坐標(biāo)

其中，s為三維激光掃描儀通過(guò)脈沖測(cè)距法得到的距離測(cè)量值，α和θ分別為由角度編碼器控制并同步測(cè)量的每個(gè)激光脈沖的軸向掃描角度測(cè)量值和徑向掃描角度測(cè)量值。三維激光掃描測(cè)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(cè)量?jī)x在開始工作之前，會(huì)依據(jù)補(bǔ)償器自動(dòng)設(shè)定初始位置，在已知儀器中心點(diǎn)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(guò)平移、旋轉(zhuǎn)，把觀測(cè)點(diǎn)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(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)。

每次觀測(cè)得到的空區(qū)大量觀測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)以及對(duì)應(yīng)每個(gè)測(cè)點(diǎn)的激光反射率數(shù)據(jù)稱之為點(diǎn)云數(shù)據(jù)。利用網(wǎng)格技術(shù)將點(diǎn)云坐標(biāo)連接成曲面，就形成了觀測(cè)空區(qū)的三維圖像。當(dāng)進(jìn)行多期觀測(cè)時(shí)，就可以通過(guò)對(duì)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(cè)的空區(qū)圖像發(fā)生局部或大范圍變化時(shí)，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(diǎn)

2.1 CMS空區(qū)監(jiān)測(cè)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(cè)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(guó)家地下采場(chǎng)和空區(qū)監(jiān)測(cè)的重要手段，尤其是在人員無(wú)法進(jìn)入的危險(xiǎn)空區(qū)中，利用CMS可以進(jìn)行有效地測(cè)量和監(jiān)測(cè)。

CMS使用時(shí)，首先需將CMS放置在空區(qū)內(nèi)的某一固定位置，然后對(duì)空區(qū)進(jìn)行全方位掃描，采集空區(qū)邊界的三維點(diǎn)坐標(biāo)(X，Y，Z)并儲(chǔ)存于CMS的內(nèi)置存儲(chǔ)單元中。經(jīng)過(guò)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(chǎng)或空區(qū)的三維模型。CMS體型較小，可通過(guò)直徑20 cm 左右的鉆孔將激光頭伸入到危險(xiǎn)空區(qū)中進(jìn)行探測(cè)，而操作人員則可以通過(guò)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(cè)過(guò)程

使用CMS對(duì)空區(qū)進(jìn)行測(cè)試前一般需對(duì)空區(qū)周邊現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行安全檢查，尤其是操作人員需要進(jìn)入的場(chǎng)地，確保人員的安全。CMS儀器為模塊化組件，安裝相對(duì)比較簡(jiǎn)單。安裝時(shí)，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(duì)CMS采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，主要分3個(gè)步驟：

1)采用CMS激光掃描獲取空間點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過(guò)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(diǎn)云數(shù)據(jù)以無(wú)線方式發(fā)送至手持終端，然后再將手持終端上的點(diǎn)云數(shù)據(jù)下載到后期數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)中；

2)點(diǎn)云數(shù)據(jù)被保存成“txt”格式的文本文件，一個(gè)點(diǎn)數(shù)據(jù)包括一個(gè)距離值和兩個(gè)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(guò)CAD軟件或礦山專業(yè)軟件(如SURPAC、DATAMINE等)處理并使用；

3)通過(guò)采用CMS專用的數(shù)據(jù)處理軟件QVOL處理經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，生成空區(qū)的三維圖形。通過(guò)3D網(wǎng)格獲得任何方向上的任意空區(qū)剖面，并自動(dòng)計(jì)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(chǎng)，是世界上第一款能通過(guò)地面上鉆孔對(duì)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(cè)量實(shí)踐中得到了驗(yàn)證，并廣泛應(yīng)用于全球各相關(guān)行業(yè)?？諈^(qū)激光自動(dòng)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(zhǎng)件、地面控制裝置、Boretrak探桿、絞架、通信電纜以及搬運(yùn)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(jì)的，因?yàn)樵诖判詤^(qū)域無(wú)法通過(guò)使用指南針來(lái)決定探頭朝向，在這種場(chǎng)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(cè)過(guò)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(cè)距離值進(jìn)行定位，激光從光源發(fā)射到某個(gè)目標(biāo)表面并反射回來(lái)，用高頻數(shù)字電路測(cè)定其經(jīng)歷的往返時(shí)間，并以此來(lái)計(jì)算光源和目標(biāo)之間的距離，并通過(guò)角度編碼器等部件測(cè)定激光頭轉(zhuǎn)過(guò)的角度?？諈^(qū)激光自動(dòng)掃描系統(tǒng)(C-ALS)依靠無(wú)線終端控制掃描頭采集數(shù)據(jù)，通過(guò)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(jì)算，并作為采礦設(shè)計(jì)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(guó)內(nèi)三維激光掃描技術(shù)的發(fā)展

目前國(guó)內(nèi)在三維激光掃描測(cè)量技術(shù)尤其是硬件技術(shù)方面的研究還相對(duì)落后，但也有了一些初步成果[7]。早在20世紀(jì)90年代，中國(guó)科學(xué)院遙感應(yīng)用研究所的李樹楷教授主持研究了國(guó)內(nèi)第一臺(tái)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(cè)量。目前，國(guó)內(nèi)還沒有成熟的三維激光掃描硬件系統(tǒng)，而國(guó)外三維激光掃描測(cè)量系統(tǒng)的價(jià)格依然非常昂貴。

國(guó)內(nèi)針對(duì)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(guó)外相應(yīng)產(chǎn)品為主的應(yīng)用層面上，具有自主知識(shí)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(guó)內(nèi)礦山行業(yè)日益增強(qiáng)的對(duì)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(qǐng)并成功實(shí)施了國(guó)家863計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目《千米深井地壓與高溫災(zāi)害監(jiān)測(cè)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(cè)技術(shù)與裝備》，針對(duì)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(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的井下空區(qū)變形監(jiān)測(cè)三維激光掃描儀，該項(xiàng)目緊密結(jié)合我國(guó)礦山企業(yè)對(duì)井下空區(qū)變形精確監(jiān)測(cè)和安全狀態(tài)獲取這一重要需求，廣泛調(diào)研國(guó)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(duì)于國(guó)外同類產(chǎn)品，該項(xiàng)目研發(fā)的井下空區(qū)三維激光掃描儀具有全自動(dòng)操作、探測(cè)距離遠(yuǎn)、探測(cè)精度高、探測(cè)模式豐富、產(chǎn)品成本低等特點(diǎn)。目前該項(xiàng)目已經(jīng)完成了產(chǎn)品試制，井下空區(qū)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)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(shí)，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(guó)內(nèi)空白，必將極大促進(jìn)國(guó)內(nèi)井下空區(qū)監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展，同時(shí)也會(huì)提高國(guó)內(nèi)有關(guān)三維激光掃描測(cè)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(cè)中的發(fā)展趨勢(shì)和展望

三維激光掃描儀的井下空區(qū)變形測(cè)量和安全監(jiān)測(cè)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(diǎn)緊密結(jié)合，小型化、便攜式、遠(yuǎn)距離、高精度、堅(jiān)固可靠等是該項(xiàng)技術(shù)在礦山井下安全監(jiān)測(cè)應(yīng)用中的發(fā)展趨勢(shì)。

三維激光掃描測(cè)量技術(shù)為礦山采空區(qū)信息的獲取等應(yīng)用場(chǎng)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(shí)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(duì)空區(qū)巖壁垮落量等做精確計(jì)算，改變了以往靠主觀經(jīng)驗(yàn)估算的狀況，是井下空區(qū)安全監(jiān)測(cè)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(cè)中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。

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

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

[3]黃仁東,徐國(guó)元,劉敦文. 金屬礦隱患空區(qū)探測(cè)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(guó)彥,等. 金屬礦地下采空區(qū)探測(cè)、處理與安全評(píng)判[J]. 采礦與安全工程學(xué)報(bào), 2006, 23 (1) : 24-29.

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

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

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