基于激光掃描技術(shù)的銅尾礦庫三維建模及綜合應(yīng)用分析

胡書林 聶 珮

(浙江有色勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司, 浙江 紹興 312000)

0 引言

隨著礦山工業(yè)的不斷發(fā)展,尾礦庫的數(shù)量正在逐漸增加。尾礦庫潰壩具有突發(fā)性和潛在性,一旦發(fā)生,將對下游居民生命財(cái)產(chǎn)安全將造成巨大損失。因此,加強(qiáng)對尾礦庫的安全監(jiān)測,構(gòu)建能夠真實(shí)反映尾礦庫地形起伏條件的三維模型,可以為科學(xué)評價(jià)尾礦庫潰壩風(fēng)險(xiǎn)提供科學(xué)的指導(dǎo)[1-4]。

傳統(tǒng)測量尾礦庫的方法不僅費(fèi)事費(fèi)力,而且很多只能獲得尾礦庫局部地區(qū)的地形數(shù)據(jù),很難真實(shí)完整地反映尾礦庫的真實(shí)情況,也不能為后續(xù)數(shù)值模擬分析提供貼近實(shí)際情況的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。三維激光掃描技術(shù)是繼全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System，GPS)空間定位技術(shù)之后發(fā)展起來的又一測繪新技術(shù),通過連續(xù)獲取點(diǎn)運(yùn)數(shù)據(jù)能夠快速完成觀測目標(biāo)的三維建模,逐漸在工程領(lǐng)域得到普及應(yīng)用[5-7]。近年來,已有一些學(xué)者針對三維激光掃描技術(shù)在尾礦庫安全監(jiān)測中的應(yīng)用進(jìn)行了探討研究,比如馬松等[8]對尾礦庫潰決影響范圍分析的三維激光掃描與顆粒流技術(shù)進(jìn)行探討分析,王志軍等[9]對低空無人機(jī)攝影測量技術(shù)與三維激光掃描技術(shù)在尾礦庫三維現(xiàn)狀分析中的應(yīng)用進(jìn)行了研究,李建等[10]探討分析了三維激光掃描技術(shù)在礦山尾礦庫區(qū)監(jiān)測中的應(yīng)用效果,可為更好地掌握尾礦庫在安全狀態(tài)和企業(yè)生產(chǎn)管理提供參考。

本文基于三維激光掃描技術(shù),對安徽某銅尾礦庫進(jìn)行了三維建模分析,同時(shí)基于三維建模分析成果,進(jìn)行了尾礦庫潰壩風(fēng)險(xiǎn)的綜合評估,相關(guān)研究成果可為激光掃描技術(shù)在尾礦庫三維建模中的進(jìn)一步應(yīng)用提供參考。

1 研究區(qū)概況

安徽省礦業(yè)資源豐富,擁有大大小小尾礦庫數(shù)百座,本文研究對象為銅尾礦庫,位于銅陵市境內(nèi),屬四等尾礦庫規(guī)模,一期工程壩體已建設(shè)到標(biāo)高72.6 m,壩高32.6 m,庫容405萬m3,續(xù)建工程庫容為459萬m3,尾礦庫最高使用標(biāo)高限制在81.0 m。由于尾礦庫位于市郊區(qū),下游居住著數(shù)十萬人口,因此,加強(qiáng)尾礦庫的安全監(jiān)測具有十分重要的意義。

2 建模過程分析

2.1 三維激光掃描系統(tǒng)選取

三維激光掃描系統(tǒng)按照搭載方式的不同可分為:星載激光掃描儀、機(jī)載激光掃描儀、地面三維激光掃描系統(tǒng)和手持型激光掃描系統(tǒng),本文選擇地面三維激光掃描系統(tǒng)對研究區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和建模分析。地面三維激光掃描的工作原理是利用地面三維激光掃描儀內(nèi)部的激光發(fā)射器發(fā)射激光信號,當(dāng)激光碰到目標(biāo)物表面發(fā)射回來后由激光接收器對回波信息進(jìn)行接收,并可以實(shí)現(xiàn)水平和垂直方向的自由轉(zhuǎn)換,實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)物體的全方位掃描,測量原理示意見圖1。

圖1 地面三維激光掃描原理示意圖

選用RIEGL VZ-2000型激光掃描系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,該掃描儀屬基于飛行時(shí)間差的脈沖式激光掃描儀,掃描范圍2.5～2 050 m,100 m外距離精度為5 mm,激光發(fā)射頻率為400 000點(diǎn)/s,水平掃描角度為360°,垂直掃描角度為100°,內(nèi)置羅盤精度5°,傾斜補(bǔ)償精度10°。

2.2 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

外業(yè)數(shù)據(jù)采集流程可分為以下幾個(gè)步驟:接收任務(wù)、探勘掃描現(xiàn)場、編制掃描實(shí)施方案、儀器檢查、安置地面激光掃描儀、選擇掃描區(qū)域、設(shè)置掃描距離以及空間分表率等參數(shù)、完成測站點(diǎn)掃描工作、掃描數(shù)據(jù)檢查。

在外業(yè)數(shù)據(jù)采集過程中應(yīng)該著重注意以下幾點(diǎn):

(1)由于傾斜補(bǔ)償范圍為±10°,因此需要確保儀器整平,保證儀器傾斜角度處于補(bǔ)償范圍內(nèi)。

(2)掃描儀站點(diǎn)應(yīng)盡量布設(shè)在視野開闊地段。

(3)合理設(shè)置掃描儀分辨率,分辨率過高,數(shù)據(jù)量過大,影響工作效率;分辨率過低,數(shù)據(jù)過少,影響數(shù)據(jù)精度。

(4)相鄰兩站掃描區(qū)域應(yīng)保持20%～30%的重疊區(qū)以確保數(shù)據(jù)完整性和拼接精度。

(5)掃描過程中要盡量避免人、車輛等外界環(huán)境的干擾。

(6)測量結(jié)束后,應(yīng)及時(shí)對測量區(qū)域、儀器高度、掃描數(shù)據(jù)保存等進(jìn)行檢查,確保測量成果的精確性。

根據(jù)研究實(shí)際地形情況,進(jìn)行外業(yè)數(shù)據(jù)采集,數(shù)據(jù)采集得到的原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)見圖2。

圖2 原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)

2.3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理包含四個(gè)流程:點(diǎn)云數(shù)據(jù)去噪、點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接、點(diǎn)云數(shù)據(jù)濾波、點(diǎn)云數(shù)據(jù)壓縮。

(1)受掃描儀自身系統(tǒng)誤差以及環(huán)境等不確定因素的影響,所采集到的原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)存在誤差,因此需對原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪處理,采用基于偏差和反射率的綜合點(diǎn)云去噪方法對原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,一共去除了24 852 028個(gè)噪聲點(diǎn)。

(2)采用基于多站點(diǎn)配準(zhǔn)算法,將四個(gè)站點(diǎn)經(jīng)去噪后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接

(3)將拼接過后的點(diǎn)運(yùn)數(shù)據(jù)分為有序點(diǎn)云和散亂點(diǎn)云,采用RiSCAN PRO點(diǎn)云處理軟件的迭代內(nèi)插模型對云數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理,通過手動(dòng)刪除等方法將高于閾值范圍的非地形數(shù)據(jù)剔除干凈。

(4)雖然進(jìn)行了云數(shù)據(jù)濾波處理,使得點(diǎn)云數(shù)據(jù)量大大降低,但為了進(jìn)一步簡化計(jì)算量,提高工作效率,仍需要將多余的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮處理,本文采用隨機(jī)抽樣法與等間距采樣法相結(jié)合對尾礦庫地勢平坦地區(qū)進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)壓縮,采用八叉樹采樣法對尾礦庫地勢起伏較大的部位進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)壓縮。

點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理流程見圖3。

圖3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理流程及結(jié)果

2.4 成果輸出

尾礦庫成果輸出主要經(jīng)歷三個(gè)流程:

(1)利用處理好的點(diǎn)云數(shù)據(jù)生產(chǎn)規(guī)則三角網(wǎng)和規(guī)則格網(wǎng),構(gòu)建研究區(qū)尾礦庫的數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model，DEM),為尾礦庫地形要素的提取提供高精度、高效率、高清晰的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

(2)通過建立好的DEM模型,繪制研究區(qū)尾礦庫的等高線,等高線間距為1 m。

(3)在 RiSCAN PRO軟件中截取需要測算的范圍,然后構(gòu)建一個(gè)垂直于Z軸的平面,即可得到尾礦庫的三維模型和庫容量。

圖4 尾礦庫成果輸出流程及結(jié)果

尾礦庫成果輸出流程見圖4。

3 數(shù)值分析

3.1 尾礦庫體模型構(gòu)建

通過三維激光掃描獲得了尾礦庫的三維復(fù)雜地形點(diǎn)云數(shù)據(jù),然后通過點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理和成果輸出,得到了尾礦庫三維模型,將三維模型數(shù)據(jù)點(diǎn)信息通過編程,并生成與FLUENT相匹配的文件,將文件導(dǎo)入數(shù)值模擬軟件中,并考慮研究區(qū)范圍和計(jì)算機(jī)的運(yùn)行能力,選用5 m精度的格網(wǎng)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。導(dǎo)入坐標(biāo)點(diǎn)后,然后使用GAMBIT讀取數(shù)據(jù)文件,依次進(jìn)行線連接、面創(chuàng)建,最終生成尾礦庫的體模型(圖5)。

圖5 尾礦庫體模型

3.2 模擬過程

尾礦砂本構(gòu)模型選用賓漢模型,密度為1 800 kg/m3,屈服應(yīng)力為13.75 kPa,塑性黏度為500 Pa·s。

模型的基本假設(shè)為:

(1)尾礦庫砂漿為各向同性的連續(xù)體;

(2)尾礦庫發(fā)生瞬間坍塌,不考慮漸潰過程;

(3)不考慮砂漿體對下游的沖刷作用。

分別對尾礦庫潰壩后0 s、10 s、25 s和35 s后的砂漿演進(jìn)過程、砂漿運(yùn)動(dòng)速度以及砂漿壓力變化等進(jìn)行模擬分析。

3.3 結(jié)果分析

模擬分析得到的尾礦庫潰壩過后砂漿演進(jìn)過程見圖6。從圖6中可以看到:隨著潰壩時(shí)間的增加,尾礦庫砂漿的面積越來越大,從扇形涌浪逐漸向下游地勢較低地區(qū)擴(kuò)散,并在25 s時(shí)運(yùn)動(dòng)到溝口,最后形成一個(gè)中間厚兩邊薄的扇形堆積體;經(jīng)模擬分析,尾礦庫潰壩后,將淹沒農(nóng)田約8×104m2,溝口數(shù)十戶民房將受到直接威脅。

模擬分析得到的尾礦庫潰壩過后砂漿演進(jìn)過程如圖7所示。尾礦庫潰壩前,尾礦砂的速度為0。發(fā)生潰壩后，在重力作用下,尾礦砂向地勢低處不斷運(yùn)動(dòng),速度最大位置在龍頭位置。當(dāng)潰壩10 s后,最大速度達(dá)到21 m/s;之后由于能量損失,速度逐漸減小,當(dāng)潰壩35 s后,尾礦砂向四周擴(kuò)散。因此,在進(jìn)行尾礦庫災(zāi)害防治時(shí),應(yīng)該在尾礦庫下游出口處修建適量的谷坊,以增大砂漿運(yùn)動(dòng)的能量損失,同時(shí)改變砂漿的流動(dòng)方向,從而減小礦砂的流動(dòng)速度。

圖6 尾礦庫不同時(shí)刻砂漿流態(tài)變化圖

圖7 不同時(shí)刻砂漿運(yùn)動(dòng)速度變化圖

模擬分析得到的尾礦庫潰壩過后砂漿對地面的壓力變化見圖8。當(dāng)尾礦庫未發(fā)生潰壩時(shí),地面所受的壓力主要為堆積尾礦砂的重力;當(dāng)潰壩發(fā)生后,砂漿對地面的最大壓力逐漸由庫區(qū)向下游移動(dòng),此時(shí)地面所受壓力包括砂漿自重和砂漿運(yùn)動(dòng)的動(dòng)壓力;當(dāng)尾礦庫潰壩35 s后,地面所受的壓力值達(dá)到最大。

圖8 不同時(shí)刻砂漿對地面壓力變化圖

4 結(jié)束語

本文基于三維激光掃描技術(shù),從掃描系統(tǒng)選取、外業(yè)數(shù)據(jù)采集、點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理以及成果輸出四個(gè)方面對某銅尾礦庫的建模過程進(jìn)行了詳細(xì)分析,構(gòu)建起能夠真實(shí)反映尾礦庫地形起伏條件的三維模型,并通過編程將尾礦庫的三維模型轉(zhuǎn)換為與數(shù)值分析軟件相匹配的文件,對尾礦庫潰壩演化過程和風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評估。三維激光掃描技術(shù)可為數(shù)值分析提供比較貼近實(shí)際情況的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),可進(jìn)一步提升尾礦庫潰壩風(fēng)險(xiǎn)評估的準(zhǔn)確性。