應(yīng)用CMS實(shí)現(xiàn)采空區(qū)的精密探測和三維建模

王麗君，馮興隆，荀雪梅

(1.玉溪礦業(yè)有限公司，云南 玉溪 653100)

(2.云南迪慶有色金屬有限責(zé)任公司，云南迪慶 674400)

在地下礦山的生產(chǎn)過程中，形成了大量的采空區(qū)并且沒有進(jìn)行處理，現(xiàn)在進(jìn)行處理時(shí)由于設(shè)計(jì)資料不全、丟失等原因造成無法確定其空間位置、形態(tài)和邊界。這些地下空區(qū)，給礦山生產(chǎn)和工程建設(shè)帶來了極大的安全隱患［1］。因此探明采空區(qū)的空間位置、形態(tài)和邊界，已成為礦山開采的迫切需要，采空區(qū)探測與定位具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 采空區(qū)探測研究現(xiàn)狀

采空區(qū)探測最早來源于各種以軍事和地質(zhì)找礦為目的的物理探測方法［2-3］。在物理探測方法中，美國在電法、電磁法、微重力法及地震勘探技術(shù)方面取得了全面的發(fā)展，俄羅斯主要采用直流電法及瞬變電磁法對采空區(qū)進(jìn)行探測，同時(shí)井間電磁波透視、聲波透視及射氣測量技術(shù)在俄羅斯也取得了較快發(fā)展［4-7］。20世紀(jì)70年代，西方國家在礦山采空區(qū)探測中成功地應(yīng)用了微重力法［2］。

探地雷達(dá)根據(jù)巖層與空區(qū)的界面兩側(cè)電性差進(jìn)行空區(qū)探測，有著良好的應(yīng)用效果，但探測深度有限［8］。地震法探測的深度較大，對于潛伏較深、不適合探地雷達(dá)工作的采空區(qū)，常常采用地震法進(jìn)行探測［9］。電阻率法探測地下空區(qū)由來已久，早在20世紀(jì)七、八十年代，就開始用二維地電阻率技術(shù)探測地下巷道、采空區(qū)［10］。

近年來，頻發(fā)的采空區(qū)安全事故使得對采空區(qū)探測的研究大大加強(qiáng)，各類物探技術(shù)和尖端技術(shù)都應(yīng)用到采空區(qū)的探測中來。程久龍等利用探地雷達(dá)法進(jìn)行了空區(qū)的探測［11］;王俊茹等采用瞬變電磁法進(jìn)行了空區(qū)探測［12］;由于對采空區(qū)形態(tài)的準(zhǔn)確把握的要求，近年來一些科研工作者采用三維激光探測方法進(jìn)行采空區(qū)的掃描探測，如馬玉濤等應(yīng)用激光掃描儀對安慶銅礦的空區(qū)進(jìn)行了探測［13］，任洪文等應(yīng)用三維激光掃描儀對焦家金礦的空區(qū)進(jìn)行了探測［14］，取得了很好的效果。

2 CMS工作原理

2.1 CMS 簡介

三維激光空區(qū)探測系(Cavity Monitoring System，CMS)是基于激光掃描原理開發(fā)的專門用于井下采場和空區(qū)測量的系統(tǒng)。該系統(tǒng)20世紀(jì)90年代初由加拿大Noranda技術(shù)中心和OPtech系統(tǒng)公司共同研制成功，在礦業(yè)發(fā)達(dá)國家已成為地下采場和空區(qū)測量的主要手段，尤其是對危險(xiǎn)和人員無法進(jìn)入的空區(qū)探測中［1］。

CMS空區(qū)監(jiān)測系統(tǒng)包括激光掃描頭、電源和數(shù)據(jù)收發(fā)器、手持式控制器(PDA)、支撐桿、其他配件及數(shù)據(jù)處理軟件。數(shù)據(jù)處理軟件包括 CMSPosProeess和 QVOL，見圖1。

圖1 CMS系統(tǒng)基本硬件

2.2 CMS工作原理

CMS系統(tǒng)采用的是基于激光測距技術(shù)的一種探測方法。CMS激光測距儀采用的激光二極管幾乎可以實(shí)現(xiàn)對任何材料物體的非接觸測距，可以在黑暗或光照強(qiáng)的環(huán)境下使用而不需采用其他反射體或反射鏡。掃描頭發(fā)射的細(xì)小激光束不會產(chǎn)生錯(cuò)誤的回波并可對遠(yuǎn)距離的小物體進(jìn)行測距。激光束從粗糙的物體表面反射回來仍可被接收單元接收并實(shí)現(xiàn)距離測量［1］。

激光掃描頭伸入空區(qū)后通過伺服驅(qū)動馬達(dá)系統(tǒng)和同步反射鏡快速而有序地旋轉(zhuǎn)，將激光脈沖發(fā)射體發(fā)出的窄束激光脈沖依次掃過被測區(qū)域，測量每個(gè)激光脈沖從發(fā)出經(jīng)被測物表面再返回儀器所用的時(shí)間(相位差)來計(jì)算距離，同時(shí)掃描控制模塊和測量每個(gè)脈沖激光的角度，最后計(jì)算出激光點(diǎn)在被測物體上的三維坐標(biāo)［15］。原理如圖2、圖3所示。

圖2 CMS系統(tǒng)基本工作原理示意圖

圖3 掃描點(diǎn)三維坐標(biāo)計(jì)算方法示意圖

激光掃描三維探測一般使用儀器自定義的坐標(biāo)系統(tǒng)，X軸在橫向掃描面內(nèi)，Y軸在橫向掃描面內(nèi)與X軸垂直，Z軸與橫向掃描面垂直，由此可得到三維激光腳點(diǎn)坐標(biāo)的計(jì)算公式。

式中:S為測距觀測值;α為橫向掃描角度觀測值;θ為縱向掃描角度觀測值

CMS三維激光掃描對確定目標(biāo)的整體或局部進(jìn)行完整的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)探測，在三維空間內(nèi)進(jìn)行從上到下，從左到右的全自動高精度步進(jìn)掃描，可以真實(shí)地反映出目標(biāo)的整體結(jié)構(gòu)及形態(tài)特性。通過掃描得到的點(diǎn)云編織出的線框逼近目標(biāo)的完整原形及矢量化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，可進(jìn)行空區(qū)的三維重建，建立的空區(qū)三維模型可以反映出空區(qū)的長度、體積、面積、結(jié)構(gòu)位移等特性。

3 CMS使用方法

(1)選擇儀器架設(shè)位置。根據(jù)采空區(qū)探測現(xiàn)場具體情況，考慮安全、設(shè)備架設(shè)和坐標(biāo)點(diǎn)測量等因素后，選擇理想的設(shè)備架設(shè)地點(diǎn)進(jìn)行 CMS設(shè)備的安裝。

(2)確定CMS掃描頭伸入空區(qū)的合適位置，固定探頭。將探測掃描頭伸入到待測空區(qū)內(nèi)，選擇深入的位置能夠避免巖石對激光的遮擋，而且還能使激光能夠最大限度地到達(dá)空區(qū)的所有位置。

(3)采用手持式控制器設(shè)定探測抬升角度等參數(shù)。全部參數(shù)設(shè)定完畢后，CMS自動進(jìn)行激光測量作業(yè)。

(4))為了將探測數(shù)據(jù)納入礦區(qū)坐標(biāo)體系，需要在對空區(qū)進(jìn)行探測的同時(shí)，以附近的測點(diǎn)為基點(diǎn)，來測定CMS掃描頭支架上兩個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)。

(5)掃描數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)保存。手持式控制器上可以實(shí)時(shí)提供CMS掃描頭當(dāng)前狀態(tài)的信息、已用時(shí)間、估計(jì)完成時(shí)間，并顯示掃描的過程。在查看探測的文件數(shù)據(jù)已經(jīng)從電源傳輸?shù)絇DA中后，作業(yè)完畢，掃描頭恢復(fù)原位，回收儀器。

4 采空區(qū)三維建模

4.1 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

運(yùn)用CMS探測采空區(qū)獲得的原始數(shù)據(jù)為“.txt”格式文件，文件中紀(jì)錄了測量的2個(gè)角度和1個(gè)距離值。在對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行三維建模之前，必須對原始探測點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將“.txt”格式的原始數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)換成“DXF”格式的文件。應(yīng)用CMS自帶的處理軟件CMSPosProeess對原始探測數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，軟件操作窗口見圖4。

圖4 CMS數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化界面

通過導(dǎo)入測量的數(shù)據(jù)，輸入現(xiàn)場測量的CMS掃描頭支架上兩個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)參數(shù)，應(yīng)用此軟件把CMS測量的空區(qū)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成DXF格式。應(yīng)用轉(zhuǎn)化后的DXF格式數(shù)據(jù)導(dǎo)入DIMINE軟件中進(jìn)行三維建模工作。

4.2 點(diǎn)云預(yù)處理

CMS三維激光掃描儀所采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)具有數(shù)據(jù)量大、無規(guī)律等特點(diǎn)，并且采集過程中由于反射率不均或存在灰塵等原因，造成了許多噪聲點(diǎn)。有時(shí)掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)坐標(biāo)與實(shí)際工程中所需的坐標(biāo)之間存在差異，需要進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。因此，需要對測量得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理以期最大程度地還原采空區(qū)的真實(shí)面貌。

通過進(jìn)行點(diǎn)云預(yù)處理，對點(diǎn)云掃描數(shù)據(jù)達(dá)到一個(gè)初始處理的效果，降低數(shù)據(jù)的噪聲部分，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了由掃描儀坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為工程實(shí)際需要的坐標(biāo)系的效果，為后期建模所需數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、模型建立階段奠定了基礎(chǔ)［14］。

4.3 采空區(qū)三維模型構(gòu)建

通過CMSPosProeessCMS軟件把采空區(qū)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后生成的DXF文件是根據(jù)設(shè)定的探測抬升角度生成的一圈點(diǎn)，然后根據(jù)4個(gè)點(diǎn)生成一個(gè)四邊形面，根據(jù)這些面聯(lián)接成的體，最后把DXF文件的體導(dǎo)入DIMINE軟件中生成三維的采空區(qū)模型。由于在DIMINE軟件中的體由三角面片組成，所以在處理數(shù)據(jù)時(shí)，會使初期生成的采空區(qū)實(shí)體產(chǎn)生很多錯(cuò)誤，如交叉三角形和無效邊等。因此需要在DIMINE軟件中修改出現(xiàn)的錯(cuò)誤，然后建立采空區(qū)的準(zhǔn)確模型。采空區(qū)三維建模步驟如下:

(1)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和點(diǎn)云處理，然后把DXF文件直接導(dǎo)入DIMINE軟件進(jìn)行空區(qū)模型的三維構(gòu)建，見圖5。

圖5 預(yù)處理后的采空區(qū)模型

(2)人工處理特異部位和開口位置。在DIMINE軟件中先把導(dǎo)入的四邊形面合并成一個(gè)整體，然后提取實(shí)體的開口線;根據(jù)提取的開口線封閉成面，把面和實(shí)體合并，對合并后三維實(shí)體進(jìn)行三角化，使四邊線面轉(zhuǎn)換為DIMIEN實(shí)體文件的三角形面，最后檢驗(yàn)三維是否有錯(cuò)誤。

(3)通過對轉(zhuǎn)換為三角形面片實(shí)體的檢驗(yàn)，CMS掃描的采空區(qū)一般都會存在問題，比如交叉三角形和無效邊，根據(jù)檢驗(yàn)結(jié)果處理相應(yīng)問題后才能對空區(qū)分析和運(yùn)算，見圖6和圖7。

圖6 處理前的采空區(qū)模型

圖7 經(jīng)過處理的采空區(qū)模型

4.4 礦山采空區(qū)三維模型復(fù)合及其應(yīng)用

在DIMINE軟件中打開空區(qū)三維模型，將其與現(xiàn)有的礦山地表、開拓系統(tǒng)等三維模型復(fù)合，最終形成礦山詳細(xì)的采空區(qū)分布圖。見圖8。通過礦山采空區(qū)三維模型的構(gòu)建，可以直觀地顯示各中段空區(qū)的分布情況，也可以運(yùn)用DIMINE軟件中“實(shí)體切片”功能，得出每個(gè)采空區(qū)的暴露面積，分析采空區(qū)是否安全，見圖9。

圖8 礦山采空區(qū)分布圖

圖9 采空區(qū)暴露面積統(tǒng)計(jì)分布圖

5 結(jié)論

(1)本文介紹了采空區(qū)探測研究現(xiàn)狀、CMS基本原理和使用方法，總結(jié)了應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)對采空區(qū)進(jìn)行建模的方法。

(2)CMS空區(qū)監(jiān)測系統(tǒng)通過高速激光掃描測量的方法，大面積高分辨率地快速獲取被測對象表面的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，大大提高了采空區(qū)數(shù)據(jù)采集的安全性和效率，配合DIMINE、FLAC3D等三維數(shù)字軟件，可為空區(qū)安全評價(jià)、治理及資源回采設(shè)計(jì)提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)依據(jù)和保障。

［1］王立磊.湯丹銅礦采空區(qū)的精密探測及其穩(wěn)定性的分析研究［D］.長沙:中南大學(xué)，2009.

［2］吳建功，林清援，高 銳.地球物理方法及在地質(zhì)和找礦中的應(yīng)用［M］.北京:地質(zhì)出版社，1988.

［3］Baker R L，Cull J P.Acquisition and Signal Processing of Ground-Penetrating Radar for Shallow ExPloration and Open-Pit Mining［J］.Exploration Geophysics，1992，23(l-2):17-22.

［4］羅周全，劉曉明.采空區(qū)精密探測技術(shù)應(yīng)用研究［J］.礦業(yè)研究與開發(fā)，2006，11(增):87-90.

［5］Siggins A F.A Radar Investigation of Fracture in a granite outcrop［J］.Exploration Geophysies，1990，21(l-2):105-110.

［6］Tumer G.Data Processing Techniques for the Locationo f One Dimensional Objects Using Ground Probing Radar［J］.Exploration Geophysics，1989，20(3):379-382.

［7］趙國彥.金屬礦隱覆采空區(qū)探測及其穩(wěn)定性預(yù)測理論研究［D］.長沙:中南大學(xué)，2010.

［8］倪新輝.地震勘探在煤礦水文地質(zhì)勘探和水害防治中的應(yīng)用.世紀(jì)之交煤礦地質(zhì)學(xué)術(shù)論文集［C］.西安:中國煤炭學(xué)會煤田地質(zhì)專業(yè)委員會，中國地質(zhì)學(xué)會礦井地質(zhì)專業(yè)委員會，1999:362-363

［9］唐大榮.地面巖溶塌陷的高分辨地震勘查［J］.物探與化探，1994，18(1):35-39.

［10］閻述，陳明生，單青生，等.二維自動地電阻率技術(shù)探測門頭溝老窯［J］.煤炭地質(zhì)與勘探，1995，23(5):453-457.

［11］程久龍，潘冬明，李 偉，等.強(qiáng)電磁干擾區(qū)災(zāi)害性采空區(qū)探地雷達(dá)精細(xì)探測研究［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2010，35(2):227-231.

［12］王俊茹，張吉恒，許柏青.瞬變電磁法在高速公路采空區(qū)勘測中的應(yīng)用［J］.物探與化探，2007，31(4):358-364.

［13］馬玉濤，彭 威.采空區(qū)三維激光掃描系統(tǒng)C-ALS及其在安慶銅礦的應(yīng)用［J］.有色金屬(礦山部分)，2013，65(3):1-3，12.

［14］任洪文，劉兆富，韓智堯等.三維激光掃描技術(shù)在測繪采空區(qū)中的應(yīng)用［J］.黃金科學(xué)技術(shù)，2013，3(6):64-68.

［15］郭崇光，李敬宇，劉 君.氡氣測量在山西采空區(qū)探測中的應(yīng)用［J］.科技情報(bào)開發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2004，14(1):180-181.