郭 慶 張 瑋 李杰林 李 彧 張孝平 楊承業(yè) 李長(zhǎng)軍

（1.玉溪大紅山礦業(yè)有限公司；2.中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院；3.天河道云（北京）科技有限公司）

玉溪大紅山礦業(yè)有限公司大紅山鐵礦屬緩傾斜條帶狀厚大礦床，礦體埋藏較深并呈多層產(chǎn)出，且礦巖堅(jiān)硬、地溫高、采礦技術(shù)條件復(fù)雜、回采難度大。經(jīng)過多年的開采，大紅山鐵礦井下形成了大量的大型采空區(qū)，同時(shí)還遺留了大量的殘礦資源，為推進(jìn)大紅山鐵礦井下殘礦與低品位資源高效回收利用與采空區(qū)安全協(xié)同治理，亟需對(duì)井下采空區(qū)開展精準(zhǔn)探測(cè)［1］。

為精確掌握大紅山鐵礦采空區(qū)現(xiàn)狀，對(duì)大紅山鐵礦Ⅱ-1 頭部區(qū)域的系列采空區(qū)開展三維激光測(cè)量作業(yè)。目前，在II-1 頭部區(qū)域已探明采空區(qū)數(shù)量多達(dá)21 個(gè)，采空區(qū)累計(jì)體積高達(dá)73 萬(wàn)m3。但是，在Ⅱ-1 頭部主礦體開展的三維激光掃描測(cè)量作業(yè)中，主要采用架站式、手持式等傳統(tǒng)三維激光掃描方式對(duì)采空區(qū)進(jìn)行測(cè)量，在一定程度上受限于空區(qū)形態(tài)與賦存位置，致使部分空區(qū)無(wú)法得到全面的掃描結(jié)果，所收集的采空區(qū)點(diǎn)云數(shù)據(jù)存在部分失真現(xiàn)象。

近年來(lái)，無(wú)人機(jī)在探測(cè)領(lǐng)域中的運(yùn)用愈發(fā)廣泛［2-4］，通過引進(jìn)無(wú)人機(jī)三維激光掃描技術(shù)，對(duì)大紅山鐵礦井下II-1 頭部的部分采空區(qū)開展三維激光掃描的補(bǔ)測(cè)工作，并進(jìn)一步完善采空區(qū)三維激光掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，從而構(gòu)建出精確可靠的采空區(qū)實(shí)測(cè)模型。

1 無(wú)人機(jī)三維激光掃描系統(tǒng)組成

本研究所使用的無(wú)人機(jī)三維激光掃描系統(tǒng)由無(wú)人機(jī)平臺(tái)與機(jī)載便攜式三維激光掃描儀所組成，如圖1所示。

無(wú)人機(jī)平臺(tái)采用大疆經(jīng)緯M600無(wú)人機(jī)，M600無(wú)人機(jī)采用模塊化設(shè)計(jì)，裝配及使用快速便捷，且具備高效的動(dòng)力系統(tǒng)；M600集成全新專業(yè)級(jí)A3飛行控制系統(tǒng)，并采用正弦驅(qū)動(dòng)技術(shù)的智能電調(diào)，提供高效、可靠、精準(zhǔn)的飛行性能以及內(nèi)置飛行參數(shù)自適應(yīng)功能，能夠?qū)崿F(xiàn)不同負(fù)載下的參數(shù)免調(diào)，便捷易用；A3飛行控制系統(tǒng)具有優(yōu)秀的外置擴(kuò)展平臺(tái)，能很好地兼容外置三維激光掃描儀。

機(jī)載便攜式三維激光掃描儀采用翼目神HM100輕型三維激光掃描儀，該掃描儀所配置的激光雷達(dá)最大測(cè)距可達(dá)100 m，每秒可收集30 萬(wàn)個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，能夠快速獲取被掃描物體表面點(diǎn)云的位置、強(qiáng)度、環(huán)數(shù)等參數(shù)；通過機(jī)載三維激光掃描儀的高精度慣性制導(dǎo)系統(tǒng)可實(shí)時(shí)獲取無(wú)人機(jī)的飛行速度、飛行姿態(tài)以及飛行軌跡，同時(shí)結(jié)合設(shè)備自主避障功能［5］，實(shí)現(xiàn)井下無(wú)GPS信號(hào)條件的飛行測(cè)量。

通過無(wú)人機(jī)平臺(tái)與便攜式三維激光掃描儀的二者集成，構(gòu)成無(wú)人機(jī)三維激光掃描系統(tǒng)，無(wú)人機(jī)與機(jī)載三維掃描儀之間可自由拆卸、安裝，以方便井下工作時(shí)設(shè)備的攜帶與運(yùn)輸。

2 工程應(yīng)用

2.1 無(wú)人機(jī)三維激光掃描作業(yè)研究對(duì)象

以大紅山鐵礦Ⅱ-1 礦體頭部的775-1 采空區(qū)為研究對(duì)象，開展無(wú)人機(jī)三維激光掃描技術(shù)在采空區(qū)探測(cè)的工程應(yīng)用研究。775-1采空區(qū)主要賦存于Ⅱ-1 礦體頭部的775 m 中段，775-1 采空區(qū)體積高達(dá)44萬(wàn)m3，空區(qū)形態(tài)復(fù)雜，且采空區(qū)部分區(qū)域已經(jīng)塌陷，導(dǎo)致相連巷道大部分區(qū)域被落石封堵，前期采用傳統(tǒng)三維激光掃描方式所獲取的775-1 采空區(qū)數(shù)據(jù)如圖2所示。

受采空區(qū)形貌影響以及探測(cè)條件的限制，傳統(tǒng)三維激光掃描方式無(wú)法對(duì)775-1 采空區(qū)開展全面測(cè)量，導(dǎo)致空區(qū)西北角與空區(qū)底部區(qū)域的點(diǎn)云數(shù)據(jù)較為稀疏；此外，由于空區(qū)頂板部分塌陷，使得775-1采空區(qū)上部分聯(lián)通巷道被落石封堵，無(wú)法開展具體的三維激光掃描工作，使得空區(qū)頂部區(qū)域點(diǎn)云數(shù)據(jù)存在缺失。

上述點(diǎn)云數(shù)據(jù)的失真將影響后續(xù)空區(qū)實(shí)測(cè)模型構(gòu)建的可靠性，因此采用無(wú)人機(jī)三維激光掃描技術(shù)對(duì)775-1采空區(qū)進(jìn)行測(cè)量。無(wú)人機(jī)在775-1采空區(qū)1#探測(cè)作業(yè)點(diǎn)與2#探測(cè)作業(yè)點(diǎn)進(jìn)行采空區(qū)探測(cè)作業(yè)，如圖3所示。

2.2 無(wú)人機(jī)三維激光掃描作業(yè)流程

無(wú)人機(jī)三維激光掃描作業(yè)流程如圖4所示，通過在1#探測(cè)作業(yè)點(diǎn)與2#探測(cè)作業(yè)點(diǎn)開展無(wú)人機(jī)三維激光掃描作業(yè)，將所獲取的775-1采空區(qū)點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入配套的Pointstudio8.0軟件中，在軟件中開展點(diǎn)云的處理工作［6］，最后構(gòu)建出775-1 采空區(qū)的實(shí)測(cè)點(diǎn)云模型與實(shí)體模型。

2.3 無(wú)人機(jī)三維激光掃描模型構(gòu)建

經(jīng)過無(wú)人機(jī)三維激光掃描的775-1 采空區(qū)點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖5所示。可以看出，無(wú)人機(jī)三維激光掃描技術(shù)彌補(bǔ)了775-1 空區(qū)西北角與空區(qū)底部不完整的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，所獲取的空區(qū)點(diǎn)云數(shù)據(jù)量更豐富、數(shù)據(jù)表征更全面，且利用無(wú)人機(jī)靈活測(cè)量的優(yōu)勢(shì)，對(duì)無(wú)法開展傳統(tǒng)三維激光掃描的區(qū)域進(jìn)行測(cè)量，填補(bǔ)了采空區(qū)頂部點(diǎn)云數(shù)據(jù)的空缺，從而更好地展現(xiàn)775-1采空區(qū)的真實(shí)形貌。最后，根據(jù)無(wú)人機(jī)構(gòu)建出775-1采空區(qū)的實(shí)體模型，如圖6所示。

3 結(jié)論

精確探測(cè)采空區(qū)形貌是開展采空區(qū)治理的重要前提，無(wú)人機(jī)三維激光掃描技術(shù)能很好地掃描采空區(qū)“死角”，結(jié)合其他掃描設(shè)備能全面、精確地展現(xiàn)采空區(qū)真實(shí)形態(tài)；采用無(wú)人機(jī)三維激光掃描技術(shù)，操作人員無(wú)需接近采空區(qū)，能高效、安全地開展采空區(qū)作業(yè)。綜上所述，無(wú)人機(jī)三維激光掃描技術(shù)在地下礦山采空區(qū)探測(cè)中具有很好的應(yīng)用與推廣價(jià)值。