林寶琪

（安徽理工大學(xué)空間信息與測繪工程學(xué)院，安徽 淮南 232001）

地下礦山在煤炭開采過后會形成許多形態(tài)各異且規(guī)模不等的采空區(qū)，采空區(qū)的存在會對礦井安全生產(chǎn)造成隱患，同時嚴(yán)重影響礦井后續(xù)的發(fā)展規(guī)劃。隨著對礦井生產(chǎn)要求的不斷提高，傳統(tǒng)的井下測量技術(shù)已經(jīng)難以滿足當(dāng)前對采空區(qū)管理和隱患治理的需要[1-2]。同時定位與建圖（Simultaneous Localization and Mapping，SLAM） 三維激光掃描技術(shù)能夠?qū)Φ叵虏煽諈^(qū)進(jìn)行精確掃描，準(zhǔn)確獲取采空區(qū)的空間位置、形態(tài)、體積以及形變等三維立體數(shù)據(jù)，所獲取的數(shù)據(jù)能夠作為地下采空區(qū)健康安全生產(chǎn)、管理規(guī)劃以及提出的治理方案科學(xué)合理性的依據(jù)[3]。

1 傳統(tǒng)的井下測量技術(shù)

傳統(tǒng)的井下測量大多采用經(jīng)緯儀測角、鋼尺量邊以及水準(zhǔn)儀測高的方式來獲取采空區(qū)的地理數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)的井下測量不僅要求測量人員要具有過硬的測量技術(shù)，而且要通過靈活變換測量方式來應(yīng)對井下復(fù)雜多變的測量環(huán)境，并確保最終測量結(jié)果符合井下測量規(guī)范要求，還要細(xì)心耐心不怕麻煩，實時關(guān)注井下環(huán)境的微小變化[4]。表1、表2、表3 為傳統(tǒng)的井下測量的技術(shù)要求，包括觀測限差和精度要求等。

表1 經(jīng)緯儀導(dǎo)線水平角觀測限差 （″）

表2 垂直角觀測精度要求 （每1 km水準(zhǔn)測量）

表3 水準(zhǔn)測量精度要求

由于井下測量不同于地面測量，井下導(dǎo)線是隨井下巷道的掘進(jìn)而逐步敷設(shè)的，因此隨著采掘工作的進(jìn)行，測量對象的空間位置將不斷發(fā)生變化，并且井下巷道的方位難以根據(jù)其他物體判斷，在不同開采水平的測點間也不相互通視，這使得傳統(tǒng)的井下測量受限于采空區(qū)的復(fù)雜形態(tài)以及測量環(huán)境，將導(dǎo)致采空區(qū)測量工作量大，所得數(shù)據(jù)精度低，難以獲取真實的采空區(qū)空間信息[5]。

2 SLAM三維激光掃描技術(shù)

SLAM三維激光掃描技術(shù)主要依靠SLAM算法，因此所使用的SLAM算法的好壞決定了最終解算出的SLAM三維激光掃描系統(tǒng)在空間中的移動軌跡的精準(zhǔn)度，而解算出的移動軌跡的精準(zhǔn)度又決定了所獲取的空間場景三維立體數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度。當(dāng)進(jìn)行掃描作業(yè)時，三維激光掃描儀根據(jù)測量人員預(yù)先設(shè)定的線路對掃描目標(biāo)發(fā)射激光束，以進(jìn)行全方位、無死角的掃描，再根據(jù)三維激光掃描儀所獲取的三維立體數(shù)據(jù)在時間軸上共同的特征點以及慣性測量單元（Inertial Measurement Unit，IMU） 所獲取的系統(tǒng)姿態(tài)數(shù)據(jù)，計算出掃描儀與掃描目標(biāo)之間的距離以及目標(biāo)點位于空間中的位置，最終逆向構(gòu)建出連續(xù)的空間場景模型[6-7]。

3 SLAM三維激光掃描技術(shù)的優(yōu)勢

與傳統(tǒng)的井下測量技術(shù)相比，SLAM三維激光掃描技術(shù)具有以下優(yōu)勢[8]。

1） 使用SLAM三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行測量時，無需架設(shè)反射棱鏡，并且不需要對掃描目標(biāo)的表面進(jìn)行任何處理，就可以直接獲取掃描目標(biāo)的精確的三維立體數(shù)據(jù)，這種非接觸式的測量方式可避免測量人員長時間停留或靠近危險區(qū)域，作業(yè)安全。

2） 相比于傳統(tǒng)的井下測量技術(shù)，SLAM三維激光掃描技術(shù)的采樣點速率高，可在1 s內(nèi)采集到數(shù)千點甚至數(shù)十萬點的數(shù)據(jù)。

3） SLAM三維激光掃描技術(shù)可通過三維激光掃描儀主動發(fā)射掃描激光，不受限于井下復(fù)雜的環(huán)境，通過探測自身發(fā)射的激光回波信號來計算出與掃描目標(biāo)之間的距離以及掃描目標(biāo)的空間數(shù)據(jù)。

4） 使用SLAM三維激光掃描技術(shù)快速獲取的采空區(qū)精度高、數(shù)據(jù)量巨大且數(shù)據(jù)更加完整，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理得到的采空區(qū)三維模型精度更高、更準(zhǔn)確，更接近于實際現(xiàn)場。

5） 操作簡單，可僅由一人完成全部的測量工作，節(jié)省大量的人力物力。

6） 可將采集的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到專用的數(shù)據(jù)處理軟件中進(jìn)行快速處理，無需長時間等待數(shù)據(jù)成圖。

7） 傳統(tǒng)的井下測量工作的高效進(jìn)行受限于井下沒有全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS） 覆蓋的環(huán)境條件，而SLAM三維激光掃描技術(shù)可以解決這個難題并進(jìn)行實時移動式的測量以采集采空區(qū)的數(shù)據(jù)。

4 SLAM三維激光掃描技術(shù)在采空區(qū)測量中的應(yīng)用

近年來，隨著采礦方法的變革以及更加高效的設(shè)備的運(yùn)用，為破解傳統(tǒng)的井下測量效率低、誤差大、難以準(zhǔn)確反映采空區(qū)真實形態(tài)的難題，越來越多的礦山企業(yè)開始尋找一種新的技術(shù)以實現(xiàn)井下測量方式的轉(zhuǎn)變。SLAM三維激光掃描技術(shù)可高效快速獲取滿足數(shù)字化礦山要求的高精度三維立體模型，這一特點使得該技術(shù)被逐步引進(jìn)到井下采空區(qū)的測量工作中[9]。

1） 采空區(qū)體積計算。使用礦山專用軟件處理SLAM三維激光掃描技術(shù)獲取的采空區(qū)數(shù)據(jù)，計算出采空區(qū)體積，并為生產(chǎn)驗收、礦井采礦量核定、超欠挖量計算、采空區(qū)回填等提供數(shù)據(jù)支持[10]。

2） 采空區(qū)安全監(jiān)測和評價?？赏ㄟ^對獲取的多期采空區(qū)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，進(jìn)一步分析采空區(qū)的形變，快速定位出采空區(qū)中危巖體的位置與體積；獲得的采空區(qū)數(shù)據(jù)可協(xié)助礦山安全、地質(zhì)、生產(chǎn)等部門做出合理的判斷，提出安全的決策，有效規(guī)避井下地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生[11]。

3） 采礦設(shè)計與維護(hù)。依靠SLAM三維激光掃描技術(shù)獲取的數(shù)據(jù)可建立起精確的采空區(qū)三維模型，并且將其應(yīng)用于采礦設(shè)計、回填、監(jiān)測、管理等礦山一體化工作，可有效避免使用傳統(tǒng)的井下測量方式所得數(shù)據(jù)生成的二維圖紙或模擬的采空區(qū)模型相比于真實采空區(qū)存在遺漏或描述有誤的地方所帶來的影響[12]。

4） 數(shù)字化礦山。傳統(tǒng)的井下測量數(shù)據(jù)多采用圖紙等實體介質(zhì)進(jìn)行存儲，經(jīng)過長時間的使用，造成圖紙變形等結(jié)果，使得數(shù)據(jù)偏離實際，且不便于修改和調(diào)用；SLAM三維激光掃描技術(shù)可獲取數(shù)字化數(shù)據(jù)，用于建設(shè)各地區(qū)的井下測量數(shù)據(jù)庫和礦山模型，為采礦安全生產(chǎn)提供資料，便于各部門調(diào)用決策，減少事故的發(fā)生，也可為科研人員的研究提供數(shù)據(jù)來源[13-14]。

5 結(jié)束語

精確地測量采空區(qū)形態(tài)與分析采空區(qū)殘留煤炭資源總量是發(fā)展礦井安全、高效、可持續(xù)生產(chǎn)的有力手段。使用單點式與抽檢式的傳統(tǒng)勘測手段進(jìn)行井下測量，很容易發(fā)生關(guān)鍵數(shù)據(jù)信息丟失的情況；而SLAM三維激光掃描技術(shù)能夠更完整、準(zhǔn)確地獲取采空區(qū)的空間位置、形態(tài)、體積以及形變等數(shù)據(jù)，為礦井的安全生產(chǎn)和礦山的發(fā)展規(guī)劃提供保障。綜上所述，SLAM三維激光掃描技術(shù)在地下礦山采空區(qū)測量中具有很好的應(yīng)用價值與推廣前景。