畢 波，孟 濤

（濟(jì)南市萊蕪礦業(yè)有限公司，山東 濟(jì)南 271199）

礦山開(kāi)采過(guò)程中存在大量不安全因素，為了保障礦產(chǎn)生產(chǎn)工作的安全進(jìn)行，這就需要對(duì)礦山巷道斷面進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量和分析。傳統(tǒng)的測(cè)量方法往往受到局限，不僅需要大量人力、時(shí)間和資源，而且在復(fù)雜環(huán)境下存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。然而，隨著科技不斷進(jìn)步，三維激光掃描技術(shù)已經(jīng)成為礦山巷道斷面測(cè)量的革命性工具，為礦山開(kāi)采提供了數(shù)據(jù)支持。

1 三維激光掃描技術(shù)概述

1.1 激光掃描裝置的工作原理

激光掃描裝置的工作原理基于激光雷達(dá)技術(shù)，是一種非常先進(jìn)且精確的測(cè)量方法。在礦山巷道斷面測(cè)量中，激光掃描裝置通常包括激光發(fā)射器和接收器。首先，激光發(fā)射器會(huì)發(fā)射激光束，這束激光以極高的速度通過(guò)巷道內(nèi)部移動(dòng)。當(dāng)激光束遇到巷道內(nèi)的物體表面時(shí)，它會(huì)被反射回來(lái)并被接收器捕捉。接收器測(cè)量激光束返回的時(shí)間和角度信息，通過(guò)這些數(shù)據(jù)可以計(jì)算出激光束從發(fā)射到返回所經(jīng)過(guò)的距離。由于激光光速非?？欤钥梢跃_測(cè)量物體與激光掃描裝置之間的距離。激光掃描裝置通常會(huì)連續(xù)發(fā)射激光束，通過(guò)不斷改變激光束的方向，以覆蓋整個(gè)巷道斷面。每個(gè)激光束的距離數(shù)據(jù)都被記錄下來(lái)，最終構(gòu)建成一個(gè)巷道內(nèi)部的三維點(diǎn)云模型。這個(gè)點(diǎn)云模型包含了巷道內(nèi)各個(gè)物體表面的坐標(biāo)信息，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)巷道斷面的高精度測(cè)量。

1.2 數(shù)據(jù)采集與處理方法

三維激光掃描技術(shù)的數(shù)據(jù)采集與處理方法是實(shí)現(xiàn)高精度巷道斷面測(cè)量的關(guān)鍵步驟。

首先，數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，激光掃描儀會(huì)以一定的掃描頻率和角度范圍對(duì)巷道進(jìn)行掃描。每次掃描都會(huì)生成一個(gè)掃描層的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，多次掃描可以堆疊在一起，覆蓋整個(gè)巷道斷面。這些點(diǎn)云數(shù)據(jù)包括了每個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)信息以及反射強(qiáng)度，即表面的亮度，用于表征不同物體的反射特性。其次，數(shù)據(jù)處理過(guò)程涉及點(diǎn)云數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)、濾波和合并。配準(zhǔn)是將多個(gè)掃描層的數(shù)據(jù)對(duì)齊，確保它們?cè)谙嗤鴺?biāo)系下，構(gòu)建連續(xù)的三維模型。濾波操作用于去除噪音和不需要的數(shù)據(jù)點(diǎn)，例如由于光線散射或多次反射而導(dǎo)致的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。點(diǎn)云數(shù)據(jù)合并將多個(gè)掃描層的數(shù)據(jù)合并成一個(gè)整體點(diǎn)云模型，這個(gè)模型代表了完整的巷道斷面。接下來(lái)的處理步驟包括特征提取、模型擬合和數(shù)據(jù)分析。特征提取階段可以識(shí)別和提取出巷道中的物體，如壁巖、設(shè)備、管道，以及它們的空間位置和尺寸信息。模型擬合可以將簡(jiǎn)單的幾何形狀（如平面、圓柱體等）擬合到點(diǎn)云數(shù)據(jù)中，進(jìn)一步精確地描述巷道的結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)分析可以根據(jù)需要計(jì)算巷道的各種屬性，如尺寸、體積、傾斜度等，為后續(xù)工程規(guī)劃和維護(hù)提供有價(jià)值的信息。

1.3 三維激光掃描技術(shù)在礦山巷道測(cè)量中的優(yōu)勢(shì)

三維激光掃描技術(shù)在礦山巷道測(cè)量中的優(yōu)勢(shì)顯著，主要體現(xiàn)在高精度和高密度的數(shù)據(jù)采集、快速測(cè)量速度和安全性，以及數(shù)據(jù)可視化和分析便利性方面。

首先，高精度和高密度的數(shù)據(jù)采集是三維激光掃描技術(shù)的顯著優(yōu)勢(shì)之一。激光掃描儀能夠以毫米級(jí)的精度捕捉巷道內(nèi)部的地形和物體表面特征，提供了極其精確的測(cè)量結(jié)果。此外，它能夠以非常高的密度采集數(shù)據(jù)點(diǎn)，即使是小尺寸或復(fù)雜形狀的物體也能被細(xì)致地記錄下來(lái)。這種高精度和高密度的數(shù)據(jù)對(duì)于礦山工程規(guī)劃、地質(zhì)勘察和巷道維護(hù)至關(guān)重要，確保了準(zhǔn)確的幾何信息和可靠的地質(zhì)數(shù)據(jù)。其次，快速測(cè)量速度和安全性也是三維激光掃描技術(shù)的優(yōu)勢(shì)之一。激光掃描儀能夠以非常高的掃描速度進(jìn)行工作，迅速獲取大量數(shù)據(jù)點(diǎn)，因此可以在較短時(shí)間內(nèi)完成巷道斷面測(cè)量。而且，由于激光掃描是一種非接觸式的測(cè)量方法，不需要人員進(jìn)入巷道環(huán)境中，提高了測(cè)量的安全性。這對(duì)于那些存在安全風(fēng)險(xiǎn)的礦山巷道來(lái)說(shuō)尤為重要，可以降低事故發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)并提高工作效率。最后，三維激光掃描技術(shù)提供了數(shù)據(jù)可視化和分析的便利性。采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以輕松導(dǎo)入計(jì)算機(jī)軟件中，生成三維模型，并進(jìn)行可視化呈現(xiàn)。這使得礦山工程師和地質(zhì)學(xué)家能夠直觀地了解巷道的實(shí)際情況，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和模擬。此外，現(xiàn)代軟件工具允許用戶從點(diǎn)云數(shù)據(jù)中提取特征、進(jìn)行模型擬合和計(jì)算各種屬性，為后續(xù)巷道設(shè)計(jì)、維護(hù)和決策提供了重要支持。

2 礦山巷道斷面測(cè)量需求分析

2.1 巷道斷面測(cè)量的重要性

首先，確保礦山運(yùn)營(yíng)安全。通過(guò)準(zhǔn)確測(cè)量巷道斷面，礦山運(yùn)營(yíng)商可以更好地了解地下礦區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造和地下空間的分布，有助于識(shí)別潛在的危險(xiǎn)和風(fēng)險(xiǎn)因素，如巖石穩(wěn)定性和地下水滲透問(wèn)題。這有助于制定更科學(xué)合理的礦山設(shè)計(jì)和采礦計(jì)劃，以降低事故和災(zāi)害的發(fā)生概率。其次，巷道斷面測(cè)量對(duì)于優(yōu)化礦山運(yùn)營(yíng)和資源利用至關(guān)重要，準(zhǔn)確的測(cè)量數(shù)據(jù)可用于確定礦石儲(chǔ)量、資源分布和采礦最佳方式的確定。這有助于提高礦石開(kāi)采的效率，減少資源浪費(fèi)，降低生產(chǎn)成本，從而增加礦山的盈利能力。同時(shí)，它還為礦山管理者提供了決策支持依據(jù)，以優(yōu)化礦山布局、道路建設(shè)和設(shè)備配置，進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率。

2.2 傳統(tǒng)測(cè)量方法的局限性

首先，傳統(tǒng)的手工測(cè)量方法需要人工參與，耗時(shí)耗力，且容易受到人為誤差影響。測(cè)量員需要進(jìn)入巷道進(jìn)行測(cè)量，面對(duì)巷道內(nèi)可能存在的各種危險(xiǎn)情況，如巖石坍塌、有毒氣體和狹小的工作空間等，存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。此外，由于測(cè)量員需要面對(duì)復(fù)雜的地形和地質(zhì)條件，傳統(tǒng)測(cè)量方法的精度也常常難以滿足高要求。其次，傳統(tǒng)測(cè)量方法數(shù)據(jù)采集速度相對(duì)較慢，無(wú)法及時(shí)獲取大量數(shù)據(jù)。這意味著在礦山運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，巷道斷面的測(cè)量結(jié)果可能會(huì)滯后，導(dǎo)致決策制定和問(wèn)題識(shí)別延遲。同時(shí)，傳統(tǒng)測(cè)量方法的數(shù)據(jù)處理也需要較長(zhǎng)時(shí)間，無(wú)法實(shí)現(xiàn)即時(shí)分析和反饋。另外，傳統(tǒng)方法往往無(wú)法滿足礦山巷道復(fù)雜形狀的測(cè)量需求。巷道可能具有復(fù)雜的幾何形狀，如曲線、斜坡和不規(guī)則截面，傳統(tǒng)測(cè)量工具在應(yīng)對(duì)這些情況時(shí)效率低下，難以提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

3 三維激光掃描技術(shù)在礦山巷道斷面測(cè)量中的具體應(yīng)用

3.1 巷道幾何特征測(cè)量

首先，三維激光掃描技術(shù)通過(guò)激光束的發(fā)射和接收，能夠高度精確地測(cè)量巷道的寬度、高度和形狀。激光束在掃描過(guò)程中持續(xù)發(fā)射，然后通過(guò)測(cè)量光束的反射時(shí)間，系統(tǒng)可以計(jì)算出從掃描儀到目標(biāo)表面的距離。通過(guò)在不同的位置和角度進(jìn)行多次掃描，系統(tǒng)可以獲得大量數(shù)據(jù)點(diǎn)，這些點(diǎn)構(gòu)成了巷道斷面的三維模型。這個(gè)模型提供了高精度的寬度和高度信息，甚至可以區(qū)分不同位置的寬度和高度差異。其次，三維激光掃描技術(shù)的獨(dú)特之處在于其能夠捕捉隧道彎曲部分和非常規(guī)形狀。傳統(tǒng)的測(cè)量方法可能會(huì)受到巷道彎曲、不規(guī)則曲線或異形斷面的限制，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確。然而，激光掃描技術(shù)不受這些限制，因?yàn)樗梢栽谡麄€(gè)巷道中均勻地捕捉數(shù)據(jù)點(diǎn)，不受曲線或異形形狀的干擾。這意味著無(wú)論巷道是直線還是彎曲，無(wú)論其形狀多么復(fù)雜，激光掃描技術(shù)都能夠提供準(zhǔn)確的幾何特征測(cè)量。

3.2 巖壁表面質(zhì)量評(píng)估

巖壁表面質(zhì)量評(píng)估能夠幫助礦山工程師和地質(zhì)學(xué)家更全面地了解巖壁的狀態(tài)，以評(píng)估安全風(fēng)險(xiǎn)并進(jìn)行巖壁穩(wěn)定性分析。

首先，三維激光掃描技術(shù)能夠高精度地檢測(cè)巖壁上的各種缺陷，包括裂縫、裂隙、凹凸、裂紋和其他表面不規(guī)則性。激光掃描設(shè)備以極高的速度捕捉數(shù)百萬(wàn)個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，這些點(diǎn)可以用來(lái)構(gòu)建出巖壁的三維模型。通過(guò)分析這些模型，可以精確測(cè)量巖壁表面的凹凸和裂縫的尺寸、形狀和分布。這對(duì)于識(shí)別潛在的巖壁穩(wěn)定性問(wèn)題至關(guān)重要，因?yàn)樗鼈兛赡軐?dǎo)致巖石塊體的脫落或坍塌，對(duì)礦工和設(shè)備造成危險(xiǎn)。其次，三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用范圍不僅局限于巖壁表面檢測(cè)，還包括了與地質(zhì)建模的結(jié)合。通過(guò)將激光掃描數(shù)據(jù)與地質(zhì)信息整合，工程師和地質(zhì)學(xué)家可以更好地理解巖層的分布、性質(zhì)和穩(wěn)定性。這有助于預(yù)測(cè)潛在的巖壁穩(wěn)定性問(wèn)題，提前采取措施來(lái)降低風(fēng)險(xiǎn)。此外，這些數(shù)據(jù)還可用于優(yōu)化巷道設(shè)計(jì)，確保在開(kāi)采過(guò)程中最大程度地減少巖壁崩塌和落石事件發(fā)生。

3.3 激光掃描與地質(zhì)建模的結(jié)合

首先，三維激光掃描技術(shù)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)提供了有關(guān)巷道周?chē)刭|(zhì)特征的高分辨率信息。這些數(shù)據(jù)包括巷道的巖層、巖性、構(gòu)造特征以及其他地質(zhì)參數(shù)。將這些數(shù)據(jù)與地質(zhì)信息集成可以幫助地質(zhì)學(xué)家更準(zhǔn)確地理解地下巖石的分布和性質(zhì)。通過(guò)在激光掃描數(shù)據(jù)上疊加地質(zhì)信息，可以生成更精確的地質(zhì)模型，這對(duì)于確定礦層的位置、形狀和質(zhì)量分布至關(guān)重要。其次，這種結(jié)合還為優(yōu)化巷道設(shè)計(jì)和資源管理提供了寶貴的支持。通過(guò)將激光掃描數(shù)據(jù)與地質(zhì)模型相結(jié)合，工程師可以更好地了解礦山地質(zhì)條件，以制定更安全和高效的巷道設(shè)計(jì)方案。例如，他們可以避免在不穩(wěn)定的地質(zhì)區(qū)域開(kāi)采，從而減少巖壁崩塌的風(fēng)險(xiǎn)。此外，激光掃描技術(shù)還能夠提供有關(guān)巷道斷面的精確信息，有助于優(yōu)化資源管理，確保有效地利用礦石資源。在資源管理方面，激光掃描還可以用于量化開(kāi)采的剩余礦石量。通過(guò)不斷監(jiān)測(cè)巷道的變化，可以及時(shí)調(diào)整開(kāi)采計(jì)劃，以確保最大限度地減少資源浪費(fèi)。這種信息的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性對(duì)于礦山運(yùn)營(yíng)的經(jīng)濟(jì)性和可持續(xù)性非常重要。

3.4 礦山生產(chǎn)計(jì)劃的改進(jìn)

通過(guò)三維激光掃描技術(shù)收集的詳細(xì)數(shù)據(jù)可以幫助礦山管理團(tuán)隊(duì)更精確地制定生產(chǎn)計(jì)劃，提高礦山的效率和生產(chǎn)能力。

首先，激光掃描技術(shù)能夠提供準(zhǔn)確的巷道斷面信息，包括寬度、高度和形狀等幾何特征。這些數(shù)據(jù)可以用于確定巷道內(nèi)各種設(shè)備和機(jī)械的適合性，以及通行的限制因素。例如，它可以幫助確定何時(shí)需要更大的礦車(chē)或設(shè)備，以及如何最大程度地利用巷道的容量，有助于優(yōu)化設(shè)備配置，避免不必要的停機(jī)時(shí)間，從而提高了生產(chǎn)效率。其次，激光掃描技術(shù)還能夠幫助監(jiān)測(cè)巷道內(nèi)的地質(zhì)條件和巖壁穩(wěn)定性。通過(guò)實(shí)時(shí)或定期掃描，礦山團(tuán)隊(duì)可以及時(shí)檢測(cè)到巖壁裂縫或其他地質(zhì)問(wèn)題的變化。這使他們能夠采取必要的措施，如加固巖壁或停止開(kāi)采，以避免潛在的安全風(fēng)險(xiǎn)，這種即時(shí)反饋對(duì)于生產(chǎn)計(jì)劃的靈活性和可靠性至關(guān)重要。

4 三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中的挑戰(zhàn)與對(duì)策

4.1 復(fù)雜環(huán)境下的應(yīng)用限制

礦山巷道往往處于極端環(huán)境之中，包括高溫、高濕度、塵埃、巖石碎片等復(fù)雜條件，這些因素可能影響激光掃描技術(shù)的性能和可靠性。

首先，高溫和高濕度環(huán)境可能影響激光掃描儀的穩(wěn)定性和壽命。激光掃描設(shè)備中的電子元件和光學(xué)部件對(duì)于極端溫度和濕度可能不夠耐受，導(dǎo)致設(shè)備性能下降或故障。因此，在這種環(huán)境下使用激光掃描技術(shù)需要特殊設(shè)計(jì)的設(shè)備，以確保其可靠性和持久性。其次，塵埃和巖石碎片可能會(huì)影響激光掃描的數(shù)據(jù)質(zhì)量。在巷道內(nèi)，可能會(huì)有粉塵或碎石等物質(zhì)飄浮在空中，這些物質(zhì)可能會(huì)散射激光束，導(dǎo)致數(shù)據(jù)點(diǎn)的不準(zhǔn)確采集或遮擋部分物體表面，降低測(cè)量的精度。因此，需要采取措施來(lái)減少塵埃和碎石對(duì)激光掃描的干擾，例如定期清潔巷道內(nèi)部或使用特殊的濾波和數(shù)據(jù)校正方法來(lái)處理這些問(wèn)題。最后，復(fù)雜的巷道結(jié)構(gòu)和地質(zhì)條件可能使數(shù)據(jù)采集和處理更加復(fù)雜。例如，曲線或傾斜的巷道斷面可能需要額外數(shù)據(jù)處理步驟來(lái)保持高精度。地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜或不規(guī)則的地方可能需要更多的點(diǎn)云數(shù)據(jù)以獲取準(zhǔn)確的地質(zhì)信息。因此，需要在數(shù)據(jù)采集和處理中考慮這些復(fù)雜因素，并制定相應(yīng)的應(yīng)對(duì)策略，以確保在復(fù)雜環(huán)境下仍能夠獲得可靠的測(cè)量結(jié)果。

4.2 數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)

激光掃描儀在短時(shí)間內(nèi)生成大量數(shù)據(jù)，而且這些數(shù)據(jù)通常非常龐大，可能會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)構(gòu)成一定挑戰(zhàn)。

首先，大規(guī)模點(diǎn)云數(shù)據(jù)需要高性能的計(jì)算設(shè)備來(lái)進(jìn)行處理和分析。點(diǎn)云數(shù)據(jù)通常包含數(shù)百萬(wàn)到數(shù)千萬(wàn)個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，這些點(diǎn)的處理需要強(qiáng)大的計(jì)算能力和存儲(chǔ)資源。為了應(yīng)對(duì)這個(gè)挑戰(zhàn)，礦山巷道測(cè)量中通常需要配置高性能的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，包括多核CPU、大內(nèi)存和高速硬盤(pán)。此外，使用并行計(jì)算和分布式計(jì)算方法可以加速數(shù)據(jù)處理過(guò)程。其次，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)也是一個(gè)重要問(wèn)題，因?yàn)辄c(diǎn)云數(shù)據(jù)通常需要大量的存儲(chǔ)空間。存儲(chǔ)大規(guī)模的點(diǎn)云數(shù)據(jù)需要足夠的硬盤(pán)容量，而且數(shù)據(jù)備份和管理也需要考慮。一種解決方案是使用高容量的網(wǎng)絡(luò)附加存儲(chǔ)設(shè)備（NAS）或云存儲(chǔ)服務(wù)來(lái)存儲(chǔ)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，還需要建立有效的數(shù)據(jù)管理和維護(hù)流程，以確保數(shù)據(jù)的安全性和可訪問(wèn)性。最后，數(shù)據(jù)處理過(guò)程中還需要考慮數(shù)據(jù)的清洗、濾波、配準(zhǔn)和模型生成等多個(gè)步驟，這需要使用適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)處理軟件和算法。選擇適用于點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理的專(zhuān)業(yè)軟件工具和算法是至關(guān)重要的。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，通過(guò)將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于礦山巷道斷面測(cè)量工作中，能夠?yàn)榈V山開(kāi)采工作的安全開(kāi)展提供數(shù)據(jù)支持。但是在其應(yīng)用過(guò)程中存在一定的挑戰(zhàn)，這就需要采取針對(duì)性策略，克服這些挑戰(zhàn)，繼續(xù)推動(dòng)激光掃描技術(shù)在礦山工程中的廣泛應(yīng)用，為礦山行業(yè)的發(fā)展做出更大貢獻(xiàn)。