采空區(qū)三維激光掃描智能化監(jiān)測(cè)技術(shù)研究與應(yīng)用

余樂文，張 達(dá)，張?jiān)?，王利?/p>

（1.北京礦冶研究總院，北京100160；2.金屬礦山智能開采技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102628）

采空區(qū)三維激光掃描智能化監(jiān)測(cè)技術(shù)研究與應(yīng)用

余樂文1，2，張 達(dá)1，2，張?jiān)?，2，王利崗1，2

（1.北京礦冶研究總院，北京100160；2.金屬礦山智能開采技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102628）

研制出基于三維激光掃描技術(shù)的采空區(qū)智能化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)空區(qū)無(wú)人自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)通過導(dǎo)軌自動(dòng)伸入空區(qū)測(cè)量，將采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛婵刂浦行模ㄟ^軟件處理獲得空區(qū)三維形態(tài)，將多期測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，分析空區(qū)相對(duì)變形狀況。試驗(yàn)表明，系統(tǒng)可準(zhǔn)確判斷空區(qū)變形位置和體積，為采空區(qū)智能化監(jiān)測(cè)提供技術(shù)支撐。

采空區(qū)；智能化；激光掃描；監(jiān)測(cè)

在經(jīng)濟(jì)和社會(huì)快速發(fā)展的推動(dòng)下，我國(guó)已成為礦產(chǎn)資源消費(fèi)大國(guó)，礦產(chǎn)資源消耗量激增。隨著地下礦山開采深度的不斷增加，開采礦產(chǎn)資源形成的地下采空區(qū)安全隱患日益嚴(yán)重，容易出現(xiàn)采場(chǎng)及巷道的大面積冒頂、片幫和嚴(yán)重的閉合變形，進(jìn)而發(fā)生垮塌事故，造成礦山重大經(jīng)濟(jì)損失甚至人員傷亡。因此，科學(xué)地揭示井下采空區(qū)的三維形態(tài)、實(shí)現(xiàn)智能化監(jiān)測(cè)對(duì)礦山的生產(chǎn)和安全有著非常重要的作用［1-4］。

在傳統(tǒng)的采空區(qū)變形監(jiān)測(cè)方法中，主要采用頂板沉降儀、收斂計(jì)、伸長(zhǎng)儀以及水準(zhǔn)儀、經(jīng)緯儀等測(cè)量學(xué)儀器，但是傳統(tǒng)方法存在監(jiān)測(cè)點(diǎn)少、安裝難度大、勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低、精度低等問題［5-7］。針對(duì)上述問題，開發(fā)出一套采空區(qū)三維激光掃描智能化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)采空區(qū)整體監(jiān)測(cè)，具有非接觸、高精度、高效率等優(yōu)點(diǎn)。

1 工作原理

采空區(qū)三維激光掃描智能化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過多期在固定測(cè)量點(diǎn)掃描采空區(qū)三維形態(tài)，根據(jù)掃描結(jié)果分析空區(qū)是否發(fā)生冒頂、片幫等巖壁垮落，并能精確測(cè)定巖壁垮落的發(fā)生部位和垮落體積［8-9］。

系統(tǒng)通過激光發(fā)射到接收之間的時(shí)間差來計(jì)算距離，同時(shí)內(nèi)置精密編碼器同步測(cè)量每個(gè)激光脈沖橫向掃描角度觀測(cè)值和縱向掃描角度觀測(cè)值，由此可計(jì)算任意點(diǎn)的三維坐標(biāo)［10-12］。

2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

采空區(qū)三維激光掃描智能化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由三維激光掃描主機(jī)、伸縮機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)和地面數(shù)據(jù)分析工作站組成，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)示意圖Fig.1 System diagram

2.1 三維激光掃描主機(jī)開發(fā)

掃描主機(jī)是變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心部件，主要由激光測(cè)距傳感器、徑向軸向驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、傾角傳感器等部分組成，通過徑向軸向電機(jī)360度掃描，獲取采空區(qū)整體三維形態(tài)，進(jìn)而來對(duì)空區(qū)的變形量進(jìn)行分析計(jì)算。

2.2 可自動(dòng)控制的伸縮機(jī)構(gòu)

為了實(shí)現(xiàn)采空區(qū)智能化監(jiān)測(cè)，開發(fā)出全自動(dòng)多行程空區(qū)伸縮機(jī)械裝置。在三維激光掃描儀工作時(shí)，下級(jí)直線導(dǎo)軌伸縮機(jī)構(gòu)帶動(dòng)掃描主機(jī)到空區(qū)邊緣，然后上級(jí)滾珠絲桿伸縮裝置伸入空區(qū)掃描；當(dāng)測(cè)量完空區(qū)形狀后，掃描主機(jī)通過兩級(jí)伸縮機(jī)構(gòu)自動(dòng)回到儲(chǔ)藏室中，防止空區(qū)內(nèi)落石損壞儀器，如圖2所示。

圖2 伸縮機(jī)構(gòu)Fig.2 Telescopic mechanism

2.3 遠(yuǎn)距離智能化控制技術(shù)研究

采空區(qū)三維激光掃描智能化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過搭建有線、無(wú)線相結(jié)合的井下綜合通訊系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)地面數(shù)據(jù)分析工作站對(duì)井下設(shè)備的智能化通信與控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)井下空區(qū)變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的高精度實(shí)時(shí)獲取。

采空區(qū)三維激光掃描智能化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制主要包括兩級(jí)伸縮機(jī)構(gòu)控制、三維激光主機(jī)掃描運(yùn)動(dòng)控制、儲(chǔ)藏室自動(dòng)控制等。其中兩級(jí)伸縮機(jī)構(gòu)控制包含步進(jìn)電機(jī)控制、接近開關(guān)位置控制；三維激光掃描儀掃描控制包含激光測(cè)距傳感器數(shù)據(jù)采集、徑向軸向電機(jī)控制、編碼器位置反饋、傾角傳感器位置反饋；儲(chǔ)藏室自動(dòng)控制包含直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)、正反轉(zhuǎn)切換、接近開關(guān)位置控制、溫濕度傳感器環(huán)境參數(shù)控制等。

2.4 變形區(qū)域識(shí)別與計(jì)算

由于采空區(qū)數(shù)據(jù)的復(fù)雜性、不規(guī)則性且存在大量的盲區(qū)，因此提出一種基于八叉樹的不同時(shí)段點(diǎn)云形變分析算法，設(shè)置形變點(diǎn)特征，利用八叉樹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分別對(duì)不同時(shí)期的采空區(qū)點(diǎn)云數(shù)據(jù)根據(jù)形變點(diǎn)特征進(jìn)行查找，最后放入形變點(diǎn)容器，由于采空區(qū)點(diǎn)云中存在大量有差異的點(diǎn)，并不是形變點(diǎn)，因此，需要用離散噪聲點(diǎn)濾波算法進(jìn)行濾波處理，以保留真正的形變區(qū)域。

3 試驗(yàn)研究

形變分析實(shí)驗(yàn)主要是通過對(duì)比兩次掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，判斷是否發(fā)生變形。如果存在差異，軟件系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)識(shí)別形變位置并進(jìn)行提取，還可以計(jì)算形變的體積，為空區(qū)的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)提供一種直觀而有效的手段。

3.1 采空區(qū)點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集

由于傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)步距掃描算法易造成距離監(jiān)測(cè)系統(tǒng)近的空區(qū)點(diǎn)云密集，距離監(jiān)測(cè)系統(tǒng)遠(yuǎn)的空區(qū)點(diǎn)云稀疏，試驗(yàn)過程中采用自主開發(fā)的自適應(yīng)掃描算法［13］，如圖3所示。

圖3 采空區(qū)點(diǎn)云數(shù)據(jù)Fig.3 The data of cavity

3.2 形變區(qū)域提取

由于試驗(yàn)采空區(qū)穩(wěn)定，測(cè)試過程中未發(fā)生形變，為了驗(yàn)證系統(tǒng)準(zhǔn)確性，試驗(yàn)過程中，在連接采空區(qū)的巷道附近人為構(gòu)造了一塊大小已知，并且位置容易判斷的類似長(zhǎng)方體的廢石堆，參數(shù)為：長(zhǎng)1.59m、寬0.95m，高0.28m。采用采空區(qū)智能化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)采空區(qū)及巷道進(jìn)行掃描，與沒有構(gòu)造廢石堆進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖4所示。

圖4 形變提取結(jié)果Fig.4 The results of deformation extraction

試驗(yàn)提取的體積為0.42m3，與實(shí)際相符，試驗(yàn)驗(yàn)證了形變提取算法的準(zhǔn)確性和有效性。

4 結(jié)論

研制出采空區(qū)三維激光掃描智能化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，打破了國(guó)外在三維激光掃描儀產(chǎn)品上的技術(shù)壟斷，實(shí)現(xiàn)了采空區(qū)遠(yuǎn)程智能化監(jiān)測(cè)。試驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)可有效監(jiān)測(cè)采空區(qū)三維形態(tài)變化，提高了采空區(qū)監(jiān)測(cè)的技術(shù)水平，保障了企業(yè)生產(chǎn)安全，對(duì)礦山綜合開采與治理具有重要意義。

［1］許夢(mèng)國(guó)，姚高輝.無(wú)底柱分段崩落發(fā)采場(chǎng)高應(yīng)力區(qū)巖爆監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)方法研究［J］.金屬礦山，2007（8）：386-389.

［2］尹盼，陽(yáng)春華.基于ZigBee技術(shù)的礦山監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)［J］.工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2009（2）：49-50.

［3］朱權(quán)潔，歐陽(yáng)治華，龔劍.基于GDAS技術(shù)的采空區(qū)穩(wěn)定性無(wú)線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及安全預(yù)警研究［J］.礦業(yè)研究與開發(fā)，2010，30（6）：83-85.

［4］尹彥波.采空區(qū)穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)預(yù)警新技術(shù)研究與應(yīng)用［J］.采礦技術(shù)，2008，8（9）：33-37.

［5］李夕兵，李地元，趙國(guó)彥，等.金屬礦地下采空區(qū)探測(cè)、處理與安全評(píng)判［J］.采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2006，23（1）：24-29.

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［8］陳凱，楊小聰，張達(dá).采空區(qū)三維激光掃描變形監(jiān)測(cè)試驗(yàn)研究［J］.有色金屬（礦山部分），2012，64（5）：1-5.

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Application and study on intelligent monitoring technology for cavity based on 3Dlaser scanner

YU Lewen1，2，ZHANG Da1，2，ZHANG Yuansheng1，2，WANG Ligang1，2
（1.Beijing General Research Institute of Mining ＆Metallurgy，Beijing 100160，China；2.Beijing Key Laboratory of Nonferrous Intelligent Mining Technology，Beijing 102628，China）

The intelligent monitoring system for cavity based on 3Dlaser scanner is put forward，which is unmanned and automatic.The system can automatically mobile into the cavity measuring by rail，and transmitting the data to the control center.The 3Dshape of cavity is obtained by software processing，analysis the relative deformation of cavity by multi-phase measured data comparison.Tests show that the system can accurately determine the location and size of the deformation，and provide technical support for intelligent monitoring of cavity.

cavity；laser scanning；intelligent；monitoring

TD76

Α

1671-4172（2015）03-0001-03

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（2011AA060405）；國(guó)家國(guó)際科技合作專項(xiàng)項(xiàng)目（2011DFA71990）；“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2012BAB01B04；2012BAK09B03）

余樂文（1984-），男，工程師，碩士，機(jī)械設(shè)計(jì)及理論專業(yè)，主要從事礦山智能儀器儀表開發(fā)工作。

10.3969/j.issn.1671-4172.2015.03.001