三維掃描技術在溜井治理中的研究應用

呂英磊

（青島金星礦業(yè)股份有限公司，山東 平度 266748）

1 溜井井壁坍塌損壞工程分析

礦石溜井、廢石溜井、成品倉在使用過程中，由于長期受到礦石或廢石沖擊，再加上地質構造因素，溜井井壁有較大程度的坍塌損壞，嚴重影響到提升系統(tǒng)的正常運行，造成礦區(qū)生產能力急劇下降，為阻止損壞情況進一步發(fā)展及盡快恢復生產能力，整個溜破系統(tǒng)急需治理，治理前提條件就是獲取溜井坍塌損壞的實際空間信息，以便采取合理的治理措施和方案。

2 主要實施方案

為了精確獲取礦石主溜井的三維空間信息，傳統(tǒng)的測量技術手段已無法采集礦石溜井和廢石溜井坍塌的現(xiàn)場實際數(shù)據(jù)，因此采用BLSS-PE礦用三維激光掃描儀采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，同時采用北京3Dmine軟件進行數(shù)據(jù)處理，以獲得溜井礦倉精準三維空間模型，為后續(xù)治理工作奠定堅實的技術基礎。

2.1 BLSS-PE礦用三維激光掃描儀實測方案

BLSS-PE礦用三維激光掃描儀基本作業(yè)方法：徑向測量范圍300°，軸向測量范圍360°，掃描儀后方存在47°盲區(qū)；配備4根延長桿，拼接延長桿可伸入空區(qū)6m進行掃描，；由于探入溜井內部，無法給予BLSS-PE礦用三維激光掃描儀定位、定向，掃描數(shù)據(jù)為相對坐標數(shù)據(jù)；最主要問題在于一站掃描井深范圍在20m～30m以內，而溜井深度大（2#溜井全長70m）遮擋較為嚴重，所以無法直接利用該掃描儀進行溜井掃描。

為此，我們自行設計加工了小型吊箱，通過配備絞車、卷筒、穩(wěn)繩、重錘（25kg/個）下放裝置、定位定向繩等提升設備進行數(shù)據(jù)采集。吊箱通過兩根穩(wěn)繩固定，懸掛在主鋼絲繩上；BLSS-PE礦用三維激光掃描儀通過自行改進固定件（如圖1）固定在吊箱下部，電源等輔助設備固定到吊箱內；在井口搭設平臺，預留吊箱下放口，兩根定位定向繩固定在吊箱上，確保掃描儀姿態(tài)穩(wěn)定，如圖2所示；通過絞車下放吊箱依標高分段掃描溜井形態(tài)，每一測站記錄掃描儀器相對標高，同時全站儀測量定位定向繩平面位置確定點位、方向。

圖1 BLSS-PE礦用三維激光掃描儀改進固定件

圖2 掃描數(shù)據(jù)采集準備

2.2 數(shù)據(jù)采集方案，多站拼接技術

以2號溜井為例：共計70m深，直徑約3m，井壁塌落嚴重，井壁巖幫不規(guī)則，多處遮擋，單站掃描無法獲取全部整體數(shù)據(jù)。BLSS-PE礦用三維激光掃描儀憑借多站拼接技術優(yōu)勢，對2#溜井分標高施測掃描，具體操作如下：

（1）在下放口固定皮尺于掃描設備“0”點處，皮尺方向沿鋼絲繩豎直向下；

（2）下放掃描設備一定高度，以便掃描井口數(shù)據(jù)，實現(xiàn)全站儀與掃描儀數(shù)據(jù)拼接擬合定位定向，記錄第一站皮尺相對標高1.95m，采集數(shù)據(jù)；

（3）在分別在距離井口下放水平14.30m，34.95m，41.1m，53.15m位置對溜井進行掃描（掃描標高位置根據(jù)實際需要，通過掃描數(shù)據(jù)實時調整測站次數(shù)、測站標高位置，以得到完整的溜井數(shù)據(jù)），通過多站拼接技術融合5站數(shù)據(jù)，得到整條溜井的相對掃描數(shù)據(jù)，如圖3所示。

圖3 2#溜井掃描點云多站拼接數(shù)據(jù)

2.3 數(shù)據(jù)絕對定位，圖形拼接擬合技術

雖采用兩根定位定向繩固定在吊箱上，全站儀測量定位定向繩平面位置確定點位、方向，確保掃描儀姿態(tài)穩(wěn)定。但由于鋼絲繩距太小，定位、定向誤差可能較大，因此配備全站儀對井口位置線性鋼軌、墻角等進行實地測量，得到實地坐標。掃描采集數(shù)據(jù)的同時，對井口進行數(shù)據(jù)重采集（確保重采集鋼軌數(shù)據(jù)），采用圖形拼接擬合技術，平差得到較高精度的點位和方向，確保工程質量精度。

3 數(shù)據(jù)處理與分析

3.1 數(shù)據(jù)處理

依據(jù)通過多站拼接技術以及圖形拼接擬合技術定標高、定位、定向處理后的整體“點云”數(shù)據(jù)，運用3Dmine數(shù)據(jù)軟件進行三維實時建模，得到2#溜井三維激光掃描實體模型，如下圖4所示。

圖4 2#溜井三維激光掃描實體模型

基于2#溜井三維激光掃描實體模型，并建模設計溜井井筒三維實體模型，同時絕對定位至平面圖。得到如圖5所示的2#溜井掃描與設計模型復合圖。

圖5 2#溜井掃描實體復合圖

3.2 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)數(shù)據(jù)模型，得到2#溜井坍塌報告如下：

（1）垮塌區(qū)域主要分布于井口下面10m～-50m之間。其中井口下面10m～30m垮落方向為南北方向，主要為卸礦沖擊造成，井口下面30m～-50m垮落方向為東西方向。

（2）根據(jù)實體模型與設計模型“布爾運算”得到垮落體的體積為619.313m3。

（3）為了更加清楚的展示整條溜井的垮落情況，以及溜井后期修復治理提供設計資料，分別沿最大垮落方向剖切縱剖面，如圖6所示。

圖6 最大垮落方向縱剖面圖

4 應用效果分析

（1）基于對2#礦石溜井掃描成果的借鑒，對溜破提升系統(tǒng)進行了全面、系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集，以建模分析治理，確保提升系統(tǒng)的正常運行。

（2）通過對提升系統(tǒng)的三維掃描建模，精準掌握了我礦溜井提升系統(tǒng)的坍塌破壞情況，及時制定了完善的修復措施，遏制了溜井系統(tǒng)坍塌情況的惡化，確保了提升系統(tǒng)的安全運行。

（3）精準的技術資料，確保了治理工程的施工質量延長了溜井系統(tǒng)的服務年限。

（4）三維實體模型與修復設計模型確定了工程修復立方量，精確地計算了工程投資。

（5）精準的技術措施保證治理工作完全按預定目標順利完成，保證了礦山正常生產全面恢復。