曾 毅

（云南黃金礦業(yè)集團(tuán)股份有限公司，云南 昆明 650000）

由于當(dāng)前地下礦山采礦時(shí)常采用大直徑深孔側(cè)向爆破的方法，采場(chǎng)空區(qū)斷面大、危險(xiǎn)性高、能見(jiàn)度低等艱難特點(diǎn)，為強(qiáng)有力的助力生產(chǎn)，為礦山數(shù)字化建設(shè)奠定基礎(chǔ)，原有使用全站儀的測(cè)繪方法已經(jīng)不能完全滿(mǎn)足井下生產(chǎn)建設(shè)；本文中主要以GeoSLAM 中ZEBHorizon 型號(hào)為例作闡述，GeoSLAM 三維激光掃描儀是當(dāng)前測(cè)繪領(lǐng)域的新型科技產(chǎn)品，可以快速收集空間可見(jiàn)目標(biāo)表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)形成有真實(shí)空間位置的三維空間模型，主要用于公司采場(chǎng)空區(qū)及天井三維模型建立、采空區(qū)充填計(jì)劃及計(jì)量、爆破規(guī)劃設(shè)計(jì)、地質(zhì)剖面出圖、采場(chǎng)超欠挖計(jì)算、精礦量盤(pán)點(diǎn)、采場(chǎng)大跨度安全監(jiān)測(cè)等，對(duì)于解決當(dāng)前地下礦山測(cè)繪的相關(guān)技術(shù)難題實(shí)用性強(qiáng)，為生產(chǎn)創(chuàng)效增值提供保障，也是礦山技術(shù)創(chuàng)新的具體體現(xiàn)。

1 當(dāng)前地下礦山生產(chǎn)建設(shè)及測(cè)繪現(xiàn)狀分析

因國(guó)內(nèi)大多礦山當(dāng)前所采礦體規(guī)劃均在15m～50m 范圍內(nèi)，通常采用大直徑深孔側(cè)向爆破事后充填的采礦方法，采礦過(guò)程中需要時(shí)適調(diào)整爆破設(shè)計(jì)、采礦結(jié)束后會(huì)形成危險(xiǎn)性較大且無(wú)法到現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的大跨度采場(chǎng)空區(qū)、最終還要清楚空區(qū)進(jìn)行充填的基本情況 ，在生產(chǎn)過(guò)程中相關(guān)專(zhuān)業(yè)人員需要使用采場(chǎng)空區(qū)的空間數(shù)據(jù)信息來(lái)解決大跨度采礦的技術(shù)難題及安全問(wèn)題，而采用原有傳統(tǒng)全站儀測(cè)量的方法又無(wú)法實(shí)現(xiàn)；隨著所采礦體的深入和相鄰邊界的復(fù)雜程度加劇，為保證各礦區(qū)內(nèi)資源的合理開(kāi)發(fā)和利用，三維模型仍能夠明確各采場(chǎng)周?chē)木唧w情況，有效保障后期的生產(chǎn)規(guī)劃和有序開(kāi)采。

2 GeoSLAM-ZEBHorizon型掃描儀及相關(guān)原理的基本介紹

GeoSLAM 產(chǎn)自于英國(guó)，現(xiàn)在是3D 地理空間技術(shù)解決方案的市場(chǎng)領(lǐng)導(dǎo)者，能夠快速、精準(zhǔn)的為使用者提供可靠的掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)，主要適用于無(wú)GPS 信號(hào)覆蓋且難以進(jìn)入的狹小空間（如：礦井、洞穴、管道、建筑物、森林）或無(wú)法安全到作業(yè)面的特殊環(huán)境；SLAM（Simultaneous Localization and Mapping）是指同步定位和地圖構(gòu)建技術(shù), GeoSLAM-ZEBHorizon 利用慣導(dǎo)技術(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)定位實(shí)行可移動(dòng)三維激光掃描，基于多線(xiàn)激光探頭測(cè)距為100m，測(cè)量范圍為：270°×360°。

3 用于地下相關(guān)礦山GeoSLAM三維激光掃描儀具備的參數(shù)優(yōu)勢(shì)

井下情況：采場(chǎng)厚度大多為15m～50m，數(shù)據(jù)精度要求≤30mm，采場(chǎng)點(diǎn)多面廣，作業(yè)危險(xiǎn)度高，采場(chǎng)形狀不規(guī)則。

掃描儀參數(shù)情況：可掃描距離100m，掃描精度10mm～30mm,手持可移動(dòng)靈活作業(yè)，采集速度為30 萬(wàn)個(gè)點(diǎn)云每秒，作業(yè)時(shí)間短。

4 全站儀與GeoSLAM三維激光掃描儀作業(yè)情況對(duì)比

全站儀：作業(yè)人員（4～5 人），作業(yè)時(shí)間（1～3h/采空區(qū)），作業(yè)地點(diǎn)（空區(qū)現(xiàn)場(chǎng)危險(xiǎn)地帶），遮擋區(qū)域數(shù)據(jù)（無(wú)法采集），計(jì)算方量精度（數(shù)據(jù)稀、精度低），成圖情況（抽象二維平面圖）。

激光掃描儀：作業(yè)人員（1～2 人），作業(yè)時(shí)間（3～8min /采空區(qū)），作業(yè)地點(diǎn)（空區(qū)頂、底部較安全區(qū)域），遮擋區(qū)域數(shù)據(jù)（可伸桿完成采集），計(jì)算方量精度（數(shù)據(jù)密、精度高），成圖情況（形象三維模型圖）。

5 外業(yè)作業(yè)的操作方法及注意事項(xiàng)

5.1 外業(yè)操作方法

5.1.1 操作人員及應(yīng)準(zhǔn)備的設(shè)備內(nèi)容

專(zhuān)業(yè)作業(yè)人員2 人、GeoSLAM 三維激光掃描儀一套、球形標(biāo)靶1 個(gè)、3 至10m 的可伸縮電纜桿一根、6″級(jí)及以上精度的全站儀1 臺(tái)、腳架1 個(gè)、三角支架1 個(gè)、棱鏡桿1 根、棱鏡1 個(gè)。

5.1.2 外業(yè)作業(yè)步驟

（1）架設(shè)整平全站儀，先將全站儀架設(shè)在一個(gè)已知控制點(diǎn)上，用另外一個(gè)已知控制點(diǎn)定向，再取水準(zhǔn)或量取儀器高得到視線(xiàn)高，觀(guān)測(cè)第三個(gè)臨時(shí)點(diǎn)的和第四個(gè)檢查點(diǎn)的角度、平距、高差，最后計(jì)算出這四個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)及高程備用。

（2）連接掃描設(shè)備，先將電纜一端端口與激光探頭連接，再將電纜另一端端口與主機(jī)SCANNER 標(biāo)識(shí)端口連接。

（3）開(kāi)機(jī)準(zhǔn)備掃描作業(yè)，將激光探頭靜置后打開(kāi)主機(jī)電源鍵，STATUS 指示燈顯示藍(lán)色閃爍20 次后STATUS 指示燈變?yōu)榧t色連續(xù)閃爍，待出現(xiàn)該界面時(shí)長(zhǎng)按主機(jī)上Fn 鍵待聽(tīng)到滴滴響兩聲后松開(kāi)，之后STATUS 指示燈顯示黃色同時(shí)激光探頭上跑馬燈也不斷閃爍10 次，最終激光探頭啟動(dòng)旋轉(zhuǎn)開(kāi)始正式進(jìn)入掃描模式。

（4）手持掃描儀進(jìn)入采場(chǎng)、新掘進(jìn)巷道或硐室現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)，從起點(diǎn)經(jīng)過(guò)需要掃描的區(qū)域采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)（在掃描過(guò)程中經(jīng)過(guò)立好球形標(biāo)靶的位置并掃描出球形標(biāo)靶輪廓點(diǎn)云）。

（5）掃描結(jié)束存儲(chǔ)數(shù)據(jù)并關(guān)機(jī)，待掃描結(jié)束后再長(zhǎng)按Fn 鍵聽(tīng)到滴滴響兩聲時(shí)把手松開(kāi)，此時(shí)DATA 指示燈亮并顯示綠色不斷閃爍，閃爍結(jié)束代表該段數(shù)據(jù)已經(jīng)存儲(chǔ)好，最后長(zhǎng)按電源鍵至STATUS 和DATA 指示燈同時(shí)出現(xiàn)紅色互閃時(shí)松開(kāi)直至全部指示燈熄滅后關(guān)機(jī)完成。

5.2 外業(yè)操作注意事項(xiàng)

（1）確保主機(jī)電源電量在30%以上，每段作業(yè)時(shí)間盡量控制在30 分鐘以?xún)?nèi)。

（2）在條件允許的情況下能走閉合路線(xiàn)盡量走掃描結(jié)束回到原點(diǎn)的閉合回路，球形標(biāo)靶所立的校準(zhǔn)點(diǎn)盡量形成三角形覆蓋整個(gè)掃描區(qū)域且有一定高程差值。

（3）井下環(huán)境復(fù)雜多變，運(yùn)動(dòng)目標(biāo)較多，應(yīng)盡可能在環(huán)境較為靜止時(shí)作業(yè)，盡量避開(kāi)作業(yè)面粉塵較大或水霧較大的時(shí)段，減少掃描數(shù)據(jù)中雜散點(diǎn)云的產(chǎn)生或避免數(shù)據(jù)不可用。

（4）掃描進(jìn)入采空區(qū)或者巷道硐室狹窄的區(qū)域時(shí)可采取正向進(jìn)入，返回時(shí)側(cè)身退著往后退出的方法。

（5）當(dāng)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)線(xiàn)路復(fù)雜時(shí)遇到轉(zhuǎn)彎時(shí)盡可能緩慢移動(dòng)掃描儀，并在特征部分增加必要的重疊點(diǎn)云，避免解算數(shù)據(jù)時(shí)出錯(cuò)。

（6）采場(chǎng)空區(qū)或溜井掃描時(shí)需連接可伸縮電纜桿，并確保人員和設(shè)備的安全。

6 內(nèi)業(yè)處理的操作方法及注意事項(xiàng)

6.1 內(nèi)業(yè)處理操作方法

6.1.1 所需配備人員及軟件內(nèi)容介紹

內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理專(zhuān)業(yè)人員1 人，GeoSLAM Hub 軟件、CloudCompare 軟 件、TrimbleRealWorks 軟 件、Geomagic Wrap 軟件、3DReshaper 軟件、3DMINE 軟件等；其中CloudCompare 軟件是將掃描格式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，GeoSLAM Hub 軟件主要對(duì)轉(zhuǎn)換好格式的掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，TrimbleRealWorks 軟件是將已解算好的正確數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接、處理、配準(zhǔn)到原坐標(biāo)系，Geomagic Wrap 軟件是把完全處理好的點(diǎn)云項(xiàng)目導(dǎo)入后生成所需三維模型再計(jì)算方量，3DReshaper 軟件可切割剖面線(xiàn)等，3DMINE 軟件主要用于生成平面圖等。

6.1.2 內(nèi)業(yè)處理操作步驟

（1）導(dǎo)出掃描數(shù)據(jù)：打開(kāi)掃描儀主機(jī)電源鍵，STATUS 指示燈顯示藍(lán)色閃爍20 次后STATUS 指示燈變?yōu)榧t色連續(xù)三下重復(fù)閃爍，待出現(xiàn)該界面后將U 盤(pán)插入主機(jī)USB 端口，此時(shí)DAT 指示燈綠色長(zhǎng)亮，當(dāng)綠色熄滅時(shí)代表數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束，最后按電源鍵關(guān)機(jī)取出數(shù)據(jù)U 盤(pán)。

（2）點(diǎn)云數(shù)據(jù)解算：打開(kāi)GeoSLAM Hub 軟件，將導(dǎo)出的geoslam 格式點(diǎn)云數(shù)據(jù)拖入窗口進(jìn)行處理，解算結(jié)束后找到已經(jīng)處理好的ply 格式點(diǎn)云數(shù)據(jù)復(fù)制至桌面。

（3）點(diǎn)云數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換：打開(kāi)CloudCompare 軟件，在窗口中打開(kāi)已處理好的ply 格式點(diǎn)云，選中點(diǎn)云數(shù)據(jù)，將所選點(diǎn)云數(shù)據(jù)另存為las 格式。

（4）點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理：計(jì)算出外業(yè)使用全站儀測(cè)的四個(gè)點(diǎn)位坐標(biāo)及高程，打開(kāi)TrimbleRealWorks 軟件，窗口中打開(kāi)las 格式的點(diǎn)云，在配準(zhǔn)模塊（地理坐標(biāo)轉(zhuǎn)換）下錄入三個(gè)轉(zhuǎn)換點(diǎn)的坐標(biāo)及高程進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成功后查詢(xún)核對(duì)第四個(gè)目標(biāo)檢查點(diǎn)的坐標(biāo)及高程是否與計(jì)算數(shù)據(jù)吻合且在誤差允許范圍內(nèi)，若無(wú)粗差且滿(mǎn)足使用精度則保存項(xiàng)目文件。

（5）點(diǎn)云數(shù)據(jù)的編輯及輸出：在分析建模模塊下，使用套索和裁剪盒工具，分割或刪除不需要的點(diǎn)云，將最終有用點(diǎn)云根據(jù)所需密度在編輯菜單的取樣模塊下抽稀處理，再次保存點(diǎn)云項(xiàng)目，最后選中所需點(diǎn)云數(shù)據(jù)，輸出dxf 格式的文件。

（6）建模、計(jì)算和成圖：打開(kāi)Geomagic Wrap 軟件，在窗口中打開(kāi)從TrimbleRealWorks 中輸出的dxf 格式文件，在點(diǎn)菜單的封裝模塊下進(jìn)行封裝，封裝后選中模型文件在多邊形菜單下刪除釘狀物、填充單個(gè)孔或全部填充，最終得到可用的三維模型；分析菜單下具備計(jì)算模型空間體積，量取任意兩點(diǎn)間距離，查詢(xún)表面點(diǎn)坐標(biāo)并導(dǎo)出DAT 數(shù)據(jù)等功能，巷道硐室采切工程量或采場(chǎng)空區(qū)進(jìn)度充填方量計(jì)算時(shí)使用裁剪工具用平面裁剪（定義XY、XZ、YZ 平面），輸入對(duì)應(yīng)的裁剪位置度（高程H、北坐標(biāo)X、東坐標(biāo)Y），把裁剪口子用平面填充得到所需計(jì)量的空間模型查詢(xún)模型計(jì)算的方量；當(dāng)需要繪制巷道、采場(chǎng)硐室平面圖時(shí)可在3DMINE 軟件中操作完成，若需要剖面圖時(shí)可在3DReshaper 軟件中操作完成。

6.2 內(nèi)業(yè)處理注意事項(xiàng)

（1）掃描數(shù)據(jù)需結(jié)合實(shí)際情況在各個(gè)視圖狀態(tài)下仔細(xì)審閱，若出現(xiàn)分層、交錯(cuò)、斷開(kāi)或飛出等錯(cuò)誤現(xiàn)象，需重新調(diào)整解算參數(shù)解算或重新進(jìn)行外業(yè)掃描作業(yè)。

（2）巷道中的無(wú)關(guān)人員、設(shè)備、粉塵、水霧等雜點(diǎn)要在第一時(shí)間內(nèi)分割出去。

（3）若兩段或多段數(shù)據(jù)需要拼接時(shí)，在配準(zhǔn)工具欄單點(diǎn)配準(zhǔn)模塊下使用明顯的特征點(diǎn)易于識(shí)別，且盡可能保證重疊率較高。

（4）TrimbleRealWorks 軟件中對(duì)所選點(diǎn)云輸出時(shí)，輸出格式應(yīng)選擇“點(diǎn)云和結(jié)合體”項(xiàng)。

（5）模型封裝前需在Geomagic Wrap 軟件點(diǎn)菜單選擇非連接項(xiàng)和體外孤點(diǎn)，并將識(shí)別出的點(diǎn)云刪除。

7 GeoSLAM三維激光掃描儀掃描測(cè)量在地下礦山生產(chǎn)中的應(yīng)用主要推廣內(nèi)容

7.1 采場(chǎng)空區(qū)及井下巷道掃描測(cè)量

該項(xiàng)目可在短時(shí)間內(nèi)對(duì)井下巷道或采場(chǎng)空區(qū)進(jìn)行掃描，掃描成果可建立成井下開(kāi)拓巷道、運(yùn)輸巷道等或采空區(qū)三維模型圖（見(jiàn)圖1），且三維模型圖處于真實(shí)坐標(biāo)系統(tǒng)下，還可以轉(zhuǎn)化成為二維平面圖，具有靈活性強(qiáng)、實(shí)用性高的優(yōu)勢(shì)，是當(dāng)前新型測(cè)繪技術(shù)的一種，經(jīng)過(guò)驗(yàn)證圖件精度在30mm 以?xún)?nèi)，完全滿(mǎn)足當(dāng)前采礦技術(shù)規(guī)范，對(duì)采礦爆破設(shè)計(jì)、空區(qū)充填計(jì)劃和完成量計(jì)算、井下風(fēng)水電系統(tǒng)布置、地質(zhì)剖面分析、安全監(jiān)測(cè)管理、下步采礦規(guī)劃等提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

圖1 井下1#、5#、9#采場(chǎng)空區(qū)三維模型圖

7.2 天井掃描測(cè)量

井下經(jīng)常會(huì)有溜礦井、切割天井、通風(fēng)天井等各類(lèi)天井，因巖層斷面、深度等差異，大部分天井測(cè)量仍然是一大技術(shù)難題也是作業(yè)高風(fēng)險(xiǎn)管控點(diǎn)，而天井的建設(shè)參數(shù)又是管理過(guò)程中必須的內(nèi)容，可移動(dòng)三維激光掃描項(xiàng)目的出現(xiàn)很好的解決了這一難題，保證更安全、快捷、有效的得到天井點(diǎn)云數(shù)據(jù)從而生成三維模型，采礦專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員通過(guò)模型上的屬性信息很好的控制施工質(zhì)量、進(jìn)度及安全。

7.3 采場(chǎng)空區(qū)超欠采計(jì)算

采場(chǎng)空區(qū)是當(dāng)前地下礦山采礦的重大風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)之一，也是采礦管理中的主要工程內(nèi)容，為保障當(dāng)期采礦時(shí)安全可靠，我們常采用隔三采一的設(shè)計(jì)思路，同時(shí)還為了確保安全、降低貧化損失、為隔壁采場(chǎng)設(shè)計(jì)施工及采礦爆破提供有力數(shù)據(jù)支持，超欠采模型示意圖（見(jiàn)圖2）。

圖2 XX 采場(chǎng)空區(qū)掃描模型現(xiàn)狀超、欠采計(jì)算圖

7.4 采空區(qū)及其它大斷面硐室塌方安全監(jiān)測(cè)

井下各采區(qū)地段巖層狀況各不相同，為采掘地下礦體難免會(huì)施工一些大斷面的硐室或形成大斷面的采場(chǎng)空區(qū)，為滿(mǎn)足生產(chǎn)采礦，這些大空間會(huì)出現(xiàn)短時(shí)間內(nèi)裸露在空間范圍內(nèi)的較危險(xiǎn)情況，此時(shí)一些巖層較差的部位便會(huì)出現(xiàn)塌方現(xiàn)象，我們定期掃描空區(qū)的現(xiàn)狀可監(jiān)測(cè)到垮塌情況是否加劇，利于提前作出預(yù)防措施等。

8 GeoSLAM三維激光掃描測(cè)繪在地下礦山的優(yōu)勢(shì)及未來(lái)前景展望

GeoSLAM 三維激光掃描測(cè)量是新時(shí)代下的一項(xiàng)適用型科學(xué)測(cè)繪方法，它的適用為地下礦山領(lǐng)域生產(chǎn)建設(shè)提供強(qiáng)有力的技術(shù)保障，具備所需專(zhuān)業(yè)人員少、智能化程度高、外業(yè)作業(yè)簡(jiǎn)單便捷、作業(yè)時(shí)間短、安全風(fēng)險(xiǎn)低、測(cè)繪精度高、應(yīng)用類(lèi)型廣等優(yōu)勢(shì)；經(jīng)過(guò)科技的進(jìn)一步發(fā)展和礦山數(shù)字化的日趨需要，GeoSLAM 三維激光掃描測(cè)繪將運(yùn)用到地下礦山生產(chǎn)建設(shè)的更多領(lǐng)域中來(lái)，此后GeoSLAM 三維激光掃描測(cè)繪將承擔(dān)起更大的技術(shù)保障角色為礦業(yè)更科學(xué)的發(fā)展服務(wù)。

9 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)反復(fù)使用評(píng)估，GeoSLAM 三維激光掃描測(cè)繪在井下的應(yīng)用具有較高的技術(shù)價(jià)值，能夠高效的完成相應(yīng)礦山當(dāng)前的主要測(cè)繪技術(shù)難題為生產(chǎn)建設(shè)更全面的服務(wù)，大幅度提高工作效率，保障企業(yè)生產(chǎn)安全，現(xiàn)在地下礦山企業(yè)內(nèi)已有很大比例逐步推廣使用并實(shí)施成功，今后在實(shí)施過(guò)程中還將應(yīng)用此設(shè)備及方法解決更多的生產(chǎn)技術(shù)問(wèn)題，后續(xù)數(shù)字化礦山建設(shè)的進(jìn)程中，這一新技術(shù)將會(huì)不斷推廣到相關(guān)行業(yè)，為各行業(yè)生產(chǎn)性技術(shù)難題解鎖，為各企業(yè)創(chuàng)新發(fā)展保駕護(hù)航。