余樂文，張 達，張元生，王利崗

（1.北京礦冶研究總院，北京100160；2.金屬礦山智能開采技術(shù)北京市重點實驗室，北京102628）

采空區(qū)三維激光掃描智能化監(jiān)測技術(shù)研究與應(yīng)用

余樂文1，2，張 達1，2，張元生1，2，王利崗1，2

（1.北京礦冶研究總院，北京100160；2.金屬礦山智能開采技術(shù)北京市重點實驗室，北京102628）

研制出基于三維激光掃描技術(shù)的采空區(qū)智能化監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)空區(qū)無人自動化監(jiān)測。系統(tǒng)通過導(dǎo)軌自動伸入空區(qū)測量，將采集的點云數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛婵刂浦行模ㄟ^軟件處理獲得空區(qū)三維形態(tài)，將多期測量數(shù)據(jù)進行對比，分析空區(qū)相對變形狀況。試驗表明，系統(tǒng)可準確判斷空區(qū)變形位置和體積，為采空區(qū)智能化監(jiān)測提供技術(shù)支撐。

采空區(qū)；智能化；激光掃描；監(jiān)測

在經(jīng)濟和社會快速發(fā)展的推動下，我國已成為礦產(chǎn)資源消費大國，礦產(chǎn)資源消耗量激增。隨著地下礦山開采深度的不斷增加，開采礦產(chǎn)資源形成的地下采空區(qū)安全隱患日益嚴重，容易出現(xiàn)采場及巷道的大面積冒頂、片幫和嚴重的閉合變形，進而發(fā)生垮塌事故，造成礦山重大經(jīng)濟損失甚至人員傷亡。因此，科學(xué)地揭示井下采空區(qū)的三維形態(tài)、實現(xiàn)智能化監(jiān)測對礦山的生產(chǎn)和安全有著非常重要的作用［1-4］。

在傳統(tǒng)的采空區(qū)變形監(jiān)測方法中，主要采用頂板沉降儀、收斂計、伸長儀以及水準儀、經(jīng)緯儀等測量學(xué)儀器，但是傳統(tǒng)方法存在監(jiān)測點少、安裝難度大、勞動強度大、效率低、精度低等問題［5-7］。針對上述問題，開發(fā)出一套采空區(qū)三維激光掃描智能化監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)對采空區(qū)整體監(jiān)測，具有非接觸、高精度、高效率等優(yōu)點。

1 工作原理

采空區(qū)三維激光掃描智能化監(jiān)測系統(tǒng)通過多期在固定測量點掃描采空區(qū)三維形態(tài)，根據(jù)掃描結(jié)果分析空區(qū)是否發(fā)生冒頂、片幫等巖壁垮落，并能精確測定巖壁垮落的發(fā)生部位和垮落體積［8-9］。

系統(tǒng)通過激光發(fā)射到接收之間的時間差來計算距離，同時內(nèi)置精密編碼器同步測量每個激光脈沖橫向掃描角度觀測值和縱向掃描角度觀測值，由此可計算任意點的三維坐標［10-12］。

2 監(jiān)測系統(tǒng)簡介

采空區(qū)三維激光掃描智能化監(jiān)測系統(tǒng)由三維激光掃描主機、伸縮機構(gòu)、控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)和地面數(shù)據(jù)分析工作站組成，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)示意圖Fig.1 System diagram

2.1 三維激光掃描主機開發(fā)

掃描主機是變形監(jiān)測系統(tǒng)的核心部件，主要由激光測距傳感器、徑向軸向驅(qū)動系統(tǒng)、傾角傳感器等部分組成，通過徑向軸向電機360度掃描，獲取采空區(qū)整體三維形態(tài)，進而來對空區(qū)的變形量進行分析計算。

2.2 可自動控制的伸縮機構(gòu)

為了實現(xiàn)采空區(qū)智能化監(jiān)測，開發(fā)出全自動多行程空區(qū)伸縮機械裝置。在三維激光掃描儀工作時，下級直線導(dǎo)軌伸縮機構(gòu)帶動掃描主機到空區(qū)邊緣，然后上級滾珠絲桿伸縮裝置伸入空區(qū)掃描；當測量完空區(qū)形狀后，掃描主機通過兩級伸縮機構(gòu)自動回到儲藏室中，防止空區(qū)內(nèi)落石損壞儀器，如圖2所示。

圖2 伸縮機構(gòu)Fig.2 Telescopic mechanism

2.3 遠距離智能化控制技術(shù)研究

采空區(qū)三維激光掃描智能化監(jiān)測系統(tǒng)通過搭建有線、無線相結(jié)合的井下綜合通訊系統(tǒng)，實現(xiàn)地面數(shù)據(jù)分析工作站對井下設(shè)備的智能化通信與控制，實現(xiàn)對井下空區(qū)變形監(jiān)測數(shù)據(jù)的高精度實時獲取。

采空區(qū)三維激光掃描智能化監(jiān)測系統(tǒng)遠程控制主要包括兩級伸縮機構(gòu)控制、三維激光主機掃描運動控制、儲藏室自動控制等。其中兩級伸縮機構(gòu)控制包含步進電機控制、接近開關(guān)位置控制；三維激光掃描儀掃描控制包含激光測距傳感器數(shù)據(jù)采集、徑向軸向電機控制、編碼器位置反饋、傾角傳感器位置反饋；儲藏室自動控制包含直流電機轉(zhuǎn)動、正反轉(zhuǎn)切換、接近開關(guān)位置控制、溫濕度傳感器環(huán)境參數(shù)控制等。

2.4 變形區(qū)域識別與計算

由于采空區(qū)數(shù)據(jù)的復(fù)雜性、不規(guī)則性且存在大量的盲區(qū)，因此提出一種基于八叉樹的不同時段點云形變分析算法，設(shè)置形變點特征，利用八叉樹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分別對不同時期的采空區(qū)點云數(shù)據(jù)根據(jù)形變點特征進行查找，最后放入形變點容器，由于采空區(qū)點云中存在大量有差異的點，并不是形變點，因此，需要用離散噪聲點濾波算法進行濾波處理，以保留真正的形變區(qū)域。

3 試驗研究

形變分析實驗主要是通過對比兩次掃描的點云數(shù)據(jù)，判斷是否發(fā)生變形。如果存在差異，軟件系統(tǒng)會自動識別形變位置并進行提取，還可以計算形變的體積，為空區(qū)的穩(wěn)定性評價提供一種直觀而有效的手段。

3.1 采空區(qū)點云數(shù)據(jù)采集

由于傳統(tǒng)標準步距掃描算法易造成距離監(jiān)測系統(tǒng)近的空區(qū)點云密集，距離監(jiān)測系統(tǒng)遠的空區(qū)點云稀疏，試驗過程中采用自主開發(fā)的自適應(yīng)掃描算法［13］，如圖3所示。

圖3 采空區(qū)點云數(shù)據(jù)Fig.3 The data of cavity

3.2 形變區(qū)域提取

由于試驗采空區(qū)穩(wěn)定，測試過程中未發(fā)生形變，為了驗證系統(tǒng)準確性，試驗過程中，在連接采空區(qū)的巷道附近人為構(gòu)造了一塊大小已知，并且位置容易判斷的類似長方體的廢石堆，參數(shù)為：長1.59m、寬0.95m，高0.28m。采用采空區(qū)智能化監(jiān)測系統(tǒng)對采空區(qū)及巷道進行掃描，與沒有構(gòu)造廢石堆進行對比，結(jié)果如圖4所示。

圖4 形變提取結(jié)果Fig.4 The results of deformation extraction

試驗提取的體積為0.42m3，與實際相符，試驗驗證了形變提取算法的準確性和有效性。

4 結(jié)論

研制出采空區(qū)三維激光掃描智能化監(jiān)測系統(tǒng)，打破了國外在三維激光掃描儀產(chǎn)品上的技術(shù)壟斷，實現(xiàn)了采空區(qū)遠程智能化監(jiān)測。試驗結(jié)果表明，系統(tǒng)可有效監(jiān)測采空區(qū)三維形態(tài)變化，提高了采空區(qū)監(jiān)測的技術(shù)水平，保障了企業(yè)生產(chǎn)安全，對礦山綜合開采與治理具有重要意義。

［1］許夢國，姚高輝.無底柱分段崩落發(fā)采場高應(yīng)力區(qū)巖爆監(jiān)測預(yù)報方法研究［J］.金屬礦山，2007（8）：386-389.

［2］尹盼，陽春華.基于ZigBee技術(shù)的礦山監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)［J］.工業(yè)控制計算機，2009（2）：49-50.

［3］朱權(quán)潔，歐陽治華，龔劍.基于GDAS技術(shù)的采空區(qū)穩(wěn)定性無線實時監(jiān)測及安全預(yù)警研究［J］.礦業(yè)研究與開發(fā)，2010，30（6）：83-85.

［4］尹彥波.采空區(qū)穩(wěn)定性監(jiān)測預(yù)警新技術(shù)研究與應(yīng)用［J］.采礦技術(shù)，2008，8（9）：33-37.

［5］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.

［6］張 達，王利崗.三維激光掃描儀井下安全監(jiān)測技術(shù)［J］.有色金屬（礦山部分），2011，63（4）：1-4.

［7］王利崗，張 達，楊小聰.井下空區(qū)安全監(jiān)測三維激光掃描儀高精度運動控制技術(shù)［J］.有色金屬（礦山部分），2012，64（2）：1-4.

［8］陳凱，楊小聰，張達.采空區(qū)三維激光掃描變形監(jiān)測試驗研究［J］.有色金屬（礦山部分），2012，64（5）：1-5.

［9］陳凱，楊小聰，張 達.采空區(qū)三維激光掃描變形監(jiān)測系統(tǒng)［J］.礦冶，2012，21（1）：60-62.

［10］余樂文，張達，余斌，等.礦用三維激光掃描測量系統(tǒng)的研制［J］.金屬礦山，2012（10）：101-103，107.

［11］余樂文，張 達，朱瑞軍，等.基于三維激光掃描技術(shù)的料位檢測試驗研究［J］.有色金屬（礦山部分），2014，66（5）：88-90.

［12］楊斐文，陸得盛，張 達，等.基于礦用三維激光掃描系統(tǒng)的CAN總線傳輸協(xié)議研究［J］.有色金屬（礦山部分），2013，65（5）：5-7.

［13］張達，余樂文，余斌，等.一種自適應(yīng)分辨率的三維激光掃描測量方法［J］.礦冶，2013，22（4）：1-4.

Application and study on intelligent monitoring technology for cavity based on 3Dlaser scanner

YU Lewen1，2，ZHANG Da1，2，ZHANG Yuansheng1，2，WANG Ligang1，2
（1.Beijing General Research Institute of Mining ＆Metallurgy，Beijing 100160，China；2.Beijing Key Laboratory of Nonferrous Intelligent Mining Technology，Beijing 102628，China）

The intelligent monitoring system for cavity based on 3Dlaser scanner is put forward，which is unmanned and automatic.The system can automatically mobile into the cavity measuring by rail，and transmitting the data to the control center.The 3Dshape of cavity is obtained by software processing，analysis the relative deformation of cavity by multi-phase measured data comparison.Tests show that the system can accurately determine the location and size of the deformation，and provide technical support for intelligent monitoring of cavity.

cavity；laser scanning；intelligent；monitoring

TD76

Α

1671-4172（2015）03-0001-03

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃項目（2011AA060405）；國家國際科技合作專項項目（2011DFA71990）；“十二五”國家科技支撐計劃項目（2012BAB01B04；2012BAK09B03）

余樂文（1984-），男，工程師，碩士，機械設(shè)計及理論專業(yè)，主要從事礦山智能儀器儀表開發(fā)工作。

10.3969/j.issn.1671-4172.2015.03.001