吳飛 ，胡靜云

(1.江西省修水香爐山鎢業(yè)有限責(zé)任公司， 江西 九江市 423000；2.長沙礦山研究院有限責(zé)任公司， 湖南 長沙 410012；3.金屬礦山安全技術(shù)國家重點實驗室， 湖南 長沙 410012)

0 引言

很多礦山由于多年的開采，形成了規(guī)模不等的采空區(qū)，根據(jù)礦體賦存產(chǎn)狀與采用的采礦方法的不同，這些礦山的采空區(qū)的具體形態(tài)、是否連通、規(guī)模與復(fù)雜程度各不相同。對于井下單個獨立采空區(qū)，可以采用鉆孔式或固定式三維激光掃描儀測量其空區(qū)輪廓，但是對于連通的采空區(qū)與孤立分布的點柱，采用固定式三維激光掃描儀相當(dāng)不便，存在工作效率低、勞動強度大的問題。

移動式三維激光掃描（SLAM）技術(shù)是近年來快速發(fā)展的一項高科技測量技術(shù)，在城市地下管廊、室內(nèi)三維場景建模等領(lǐng)域應(yīng)用較多，但是在礦山井下采空區(qū)測量的應(yīng)用案例非常少見。陳萍[1]、曾俊飛[2]將 SLAM 算法與傳統(tǒng)的靜站式三維激光掃描技術(shù)結(jié)合，提出一套移動式三維激光掃描系統(tǒng)，通過 SLAM 算法為三維激光掃描儀提供移動掃描過程中的位置信息，進而得到三維激光點的實際坐標(biāo)，完成室內(nèi)三維數(shù)據(jù)采集。夏金周[3]參考地面靜站式三維激光掃描技術(shù)的作業(yè)流程，探索移動式三維激光掃描數(shù)據(jù)采集模式，設(shè)計了一種全站儀激光掃描儀兩用棱鏡標(biāo)靶組合裝置，用以減少數(shù)據(jù)采集誤差。本文提出的測繪系統(tǒng)在實際室內(nèi)環(huán)境中得到測試與驗證，室內(nèi)場景的長寬高誤差維持在 3 cm之內(nèi)，室內(nèi)平面的平整度和垂直度維持在8 mm之內(nèi)。張麗等[4]提出了一種基于新型移動式三維激光測量技術(shù)的隧道結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測方案，利用移動激光掃描獲取高密度點云數(shù)據(jù)，通過自動識別提取隧道頂部的環(huán)片拼接縫，以此為基礎(chǔ)結(jié)合點云數(shù)據(jù)提取各環(huán)片斷面信息，對環(huán)片結(jié)構(gòu)進行分析，最后利用綜合數(shù)據(jù)管理平臺對各類監(jiān)測成果進行管理分析，實現(xiàn)隧道結(jié)構(gòu)變化的科學(xué)管理。陸培慶等[5]針對現(xiàn)階段我國地鐵隧道變形監(jiān)測主要采用傳統(tǒng)的全站儀等設(shè)備進行人工測量，將移動式三維激光技術(shù)引入地鐵隧道變形監(jiān)測，采用推行式掃描方法快速獲取隧道完整結(jié)構(gòu)信息，利用自動化后處理軟件全面監(jiān)測隧道結(jié)構(gòu)變形信息，該方法在滿足監(jiān)測精度要求的情況下，可快速、全面、可靠地獲得地鐵隧道結(jié)構(gòu)的監(jiān)測結(jié)果。檀繼猛等[6]針對傳統(tǒng)地下管廊測量方法中存在的作業(yè)效率低、精度差等問題，試驗了一種基于移動手持掃描技術(shù)的地下管廊測量新方法，試驗結(jié)果表明，移動式三維激光掃描儀在地下管廊測量中可以明顯提高作業(yè)效率，且滿足測量精度要求，具有較好的應(yīng)用前景。

對礦山的采空區(qū)與礦柱，特別是形態(tài)復(fù)雜的空區(qū)與孤立分布的點柱，采用三維激光掃描技術(shù)進行精準(zhǔn)建模，是礦山高效安全開采的需要，也是礦山數(shù)字化自動化智能化發(fā)展的趨勢，開展這一方面的深入研究與應(yīng)用工作意義重大。

1 礦山空區(qū)概況

香爐山鎢礦礦體埋深40～300 m，礦體賦存于山坡中上部，礦體似層狀，緩傾斜，礦體厚 2.6～45.6 m，礦體形態(tài)較簡單、礦巖界限清晰。直接頂板為灰?guī)r，局部有炭質(zhì)泥巖，礦體為角巖，底板為花崗巖，礦巖均堅硬致密完整。礦床水文地質(zhì)條件簡單，開采工程技術(shù)條件非常好[7]。礦山一直沿用淺孔留礦全面法進行開采，鑿巖、爆破、鏟裝、運輸與行人均在空區(qū)頂板下進行，年生產(chǎn)規(guī)模40萬t～60萬t，留設(shè)的孤立點柱直徑為5.5～8 m，頂板跨度為10～35 m，采空區(qū)高度為10～46 m。截止到2017年底，共采出礦石約1100萬t，歷年來形成的采空區(qū)總體積約為368萬m3，采空區(qū)的總暴露面積約33萬m2，單個最大暴露面積約300 m2，礦柱總數(shù)量約450個。形成的特大復(fù)雜采空區(qū)內(nèi)礦柱形態(tài)復(fù)雜、高度高、空區(qū)連通、跨度大，且部分空區(qū)上下重疊[8]。井下典型采空區(qū)見圖1。

圖1 井下典型空區(qū)

礦山需要進行空區(qū)與點柱形態(tài)精準(zhǔn)掃描的原因與目的有以下幾點。

（1）受歷史不規(guī)范開采的影響，留設(shè)的點柱形狀極不規(guī)則，既不是方形也不是圓形，沿點柱縱向不同高度的截面形狀變化非常大，點柱的寬度或直徑變化大，點柱各截面的形心軸線不是垂直的，傾角在60°～90°之間，總的來說所留設(shè)的點柱形態(tài)異常不規(guī)則。

（2）單個點柱的礦石價值大，按鎢金屬品位0.6%來計算，一個高為25 m、平均直徑為5 m的點柱，在鎢精礦（含W2O3為65%）9萬元/t的市場行情下，其價值為3000萬元左右。

（3）受歷史開采的限制，前期采用留不規(guī)則點柱的全面法開采，目前正在采用全尾砂膠結(jié)充填進行大規(guī)模的空區(qū)治理，400多個點柱逐漸被充填體所“淹沒”，今后大量的點柱殘采的開采技術(shù)條件會十分復(fù)雜。

（4）在充填體內(nèi)回采點柱時，必須有點柱與空區(qū)頂?shù)装寰珳?zhǔn)的輪廓坐標(biāo)，才能準(zhǔn)確地設(shè)計采準(zhǔn)巷道工程與炮孔，如果沒有準(zhǔn)確了解點柱的輪廓位置，布置炮孔時誤差幾十厘米也會造成損失與貧化的大量增加，采準(zhǔn)巷道工程布置的誤差在幾十厘米范圍內(nèi)也會相應(yīng)增加開采成本。

總的來說，對點柱輪廓與采空區(qū)頂?shù)装宓妮喞淖鴺?biāo)應(yīng)盡可能精準(zhǔn)測定，根據(jù)采礦的需要，依托礦山井下現(xiàn)有測量控制點，測量精度應(yīng)小于20 cm。

2 移動激光三維掃描（SLAM）技術(shù)[1-2]

由于傳統(tǒng)激光掃描技術(shù)的局限性，每次掃描時需要已知掃描設(shè)備的空間坐標(biāo)值，靈活性較差，礦山迫切需要可移動的三維激光掃描儀，提升設(shè)備的機動性，從而提高工作效率。在露天礦山，可以利用GPS、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)與GNSS慣導(dǎo)技術(shù)等進行實時定位，設(shè)備安裝在車輛與飛行器等各種載具上，動態(tài)獲取測量設(shè)備定位信息以達到移動測量的效果。在井下無法使用諸如GPS、北斗導(dǎo)航的動態(tài)定位技術(shù)，無法實時獲取測量設(shè)備在井下的空間位置信息，進而不能達到移動三維掃描的目的。這種困境直到一種新的空間定位算法 SLAM 技術(shù)的出現(xiàn)，才逐步得到改善。

SLAM技術(shù)最初由R.C.Smith和P.Cheeseman在1986年針對空間不確定性的估測研究而提出的，主要解決從未知環(huán)境的未知地點出發(fā)，在運動過程中通過重復(fù)觀測空間特征以定位自身位置和姿態(tài)，再根據(jù)自身位置增量式的構(gòu)建地圖，從而達到同時定位和地圖構(gòu)建的目的。

如圖2所示，SLAM移動掃描技術(shù)主要處理步驟有4步，分別為：

圖2 SLAM移動掃描技術(shù)原理與步驟

（1）用探頭對三維空間進行掃描，獲取點云數(shù)據(jù)；

（2）探頭移動后，復(fù)測之前的三維空間，并獲取位移后的點云數(shù)據(jù)；

（3）系統(tǒng)反算探頭運動軌跡，并根據(jù)軌跡信息還原移動的三維空間；

（4）通過空間信息反算匹配，獲取真實三維空間的三維點云數(shù)據(jù)。

SLAM 技術(shù)解決了移動過程中掃描儀空間位置、掃描儀運動軌跡、待測空間環(huán)境三者之間的同步定位問題，從而使井下快速移動測量成為可能。該技術(shù)無需GPS和GNSS等硬件模塊，使得基于SLAM技術(shù)的掃描儀體積小、重量輕，便于人工攜帶，大幅度降低了移動激光掃描儀的成本；避免了由于激光通視原因?qū)е碌倪h距離測量點云離散、空間遮擋等傳統(tǒng)測量的弊端，有效提升了復(fù)雜空間測量的效率與碎部輪廓的測量精度。

3 現(xiàn)場應(yīng)用及其三維精準(zhǔn)建模結(jié)果

本次應(yīng)用選擇在香爐山鎢礦14#～16#勘探線之間的老W6與老W8采場，這一片采場歷史上采用留不規(guī)則的孤立點柱的全面采礦法進行開采，鑿巖、爆破、鏟裝、運輸與行人均在空區(qū)頂板下進行，由于多個采礦權(quán)人在這一區(qū)域內(nèi)無規(guī)劃地回采，形成了三層采空區(qū)，采空區(qū)之間相互連通，是礦山空區(qū)形態(tài)最為復(fù)雜、最具有代表性的區(qū)域。

進行空區(qū)與礦柱三維激光掃描精準(zhǔn)測量建模的區(qū)域長約200 m、寬約250 m，空區(qū)高度10～30 m。所采用的移動手持式三維激光掃描儀及其技術(shù)指標(biāo)參數(shù)見表1。

表1 移動手持式三維激光掃描儀技術(shù)參數(shù)

確定現(xiàn)場掃描區(qū)域后，按如下步驟實施掃描測量工作。

（1）確定掃描行走路線。對掃描區(qū)域進行現(xiàn)場踏勘，從整體上了解空區(qū)的特征、采空區(qū)的分布與點柱的分布，合理規(guī)劃掃描行走路線，在行走路線最短的條件下，能夠掃描到所有的空區(qū)與點柱。

（2）選擇測量控制點。為了將測量結(jié)果在礦山坐標(biāo)參考系下進行顯示表達，需要確定兩個測量控制點，根據(jù)SLAM技術(shù)的特點，對測量控制點在掃描區(qū)域內(nèi)的布局、測量控制點之間的距離沒有特別嚴(yán)格的要求，但應(yīng)盡量均勻落在整個掃描區(qū)域內(nèi)。測量控制點確定后，在測量控制點位置上放置專用的圓形靶球。在掃描測量空區(qū)前，先掃描圓形靶球，作為測量起算點與控制點。

（3）單次測量行走路線直線長度不要大于100 m。為了控制測量誤差的累積與傳播，單次行走路線的直線長度不要超過100 m，通過專業(yè)軟件解算與拼接多次掃描結(jié)果，可以形成整個空區(qū)的掃描結(jié)果。

對本次掃描區(qū)域共進行了4個單次掃描，采用專業(yè)軟件進行處理后，得到的采空區(qū)與點柱的三維建模結(jié)果分別見圖3～圖5。圖3是多層采空區(qū)的三維立體圖，掃描結(jié)果顯示了2層采空區(qū)，最下一層采空區(qū)已經(jīng)被膠結(jié)充填。圖4是截取第二層空區(qū)后得到的平面圖，圖中陰影部分為不規(guī)則點柱。圖5是沿任一方向截取的橫剖面圖。

圖3 連通疊層復(fù)雜空區(qū)三維立體圖

圖4 第二層空區(qū)平剖面

圖5 A-A剖面

本次掃描區(qū)域的面積約3萬m2，空區(qū)總體積約35萬m3，不規(guī)則點柱26個，井下作業(yè)總時間約為4 h，工作人員的工作強度低，掃描效率高，工作效率是靜站式三維激光掃描儀的20倍以上。

掃描測量結(jié)果的測量精度在5～10 cm之間，遠小于工程所需的精度20 cm，顯示出了SLAM技術(shù)在井下不規(guī)則連通復(fù)雜空區(qū)掃描中的巨大優(yōu)勢。

4 結(jié)論

（1）針對井下連通復(fù)雜不規(guī)則采空區(qū)，應(yīng)用SLAM技術(shù)獲得了空區(qū)與點柱的輪廓與位置信息，可滿足采準(zhǔn)切割工程與炮孔布置的精度需求，SLAM技術(shù)的測量精度能達到5～10 cm。

（2）本次掃描區(qū)域的面積約3萬m2，空區(qū)總體積約35萬m3，不規(guī)則點柱26個，井下作業(yè)總時間約為4 h，工作人員的勞動強度低，掃描效率高，工作效率是靜站式三維激光掃描儀的20倍以上。

（3）SLAM 技術(shù)能為數(shù)字化礦山的建設(shè)起到十分重要作用，可為礦山礦柱資源的安全高效利用提供必需的基礎(chǔ)資料。