三維激光掃描技術(shù)在礦山巷道斷面測量中的應(yīng)用

畢 波，孟 濤

（濟南市萊蕪礦業(yè)有限公司，山東 濟南 271199）

礦山開采過程中存在大量不安全因素，為了保障礦產(chǎn)生產(chǎn)工作的安全進行，這就需要對礦山巷道斷面進行準(zhǔn)確測量和分析。傳統(tǒng)的測量方法往往受到局限，不僅需要大量人力、時間和資源，而且在復(fù)雜環(huán)境下存在一定的風(fēng)險。然而，隨著科技不斷進步，三維激光掃描技術(shù)已經(jīng)成為礦山巷道斷面測量的革命性工具，為礦山開采提供了數(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)，是一種非常先進且精確的測量方法。在礦山巷道斷面測量中，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)射器會發(fā)射激光束，這束激光以極高的速度通過巷道內(nèi)部移動。當(dāng)激光束遇到巷道內(nèi)的物體表面時，它會被反射回來并被接收器捕捉。接收器測量激光束返回的時間和角度信息，通過這些數(shù)據(jù)可以計算出激光束從發(fā)射到返回所經(jīng)過的距離。由于激光光速非?？欤钥梢跃_測量物體與激光掃描裝置之間的距離。激光掃描裝置通常會連續(xù)發(fā)射激光束，通過不斷改變激光束的方向，以覆蓋整個巷道斷面。每個激光束的距離數(shù)據(jù)都被記錄下來，最終構(gòu)建成一個巷道內(nèi)部的三維點云模型。這個點云模型包含了巷道內(nèi)各個物體表面的坐標(biāo)信息，從而實現(xiàn)了對巷道斷面的高精度測量。

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現(xiàn)高精度巷道斷面測量的關(guān)鍵步驟。

首先，數(shù)據(jù)采集過程中，激光掃描儀會以一定的掃描頻率和角度范圍對巷道進行掃描。每次掃描都會生成一個掃描層的點云數(shù)據(jù)，多次掃描可以堆疊在一起，覆蓋整個巷道斷面。這些點云數(shù)據(jù)包括了每個點的坐標(biāo)信息以及反射強度，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)處理過程涉及點云數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)、濾波和合并。配準(zhǔn)是將多個掃描層的數(shù)據(jù)對齊，確保它們在相同坐標(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，例如由于光線散射或多次反射而導(dǎo)致的點云數(shù)據(jù)。點云數(shù)據(jù)合并將多個掃描層的數(shù)據(jù)合并成一個整體點云模型，這個模型代表了完整的巷道斷面。接下來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。模型擬合可以將簡單的幾何形狀（如平面、圓柱體等）擬合到點云數(shù)據(jù)中，進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)劃和維護提供有價值的信息。

1.3 三維激光掃描技術(shù)在礦山巷道測量中的優(yōu)勢

三維激光掃描技術(shù)在礦山巷道測量中的優(yōu)勢顯著，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)勢之一。激光掃描儀能夠以毫米級的精度捕捉巷道內(nèi)部的地形和物體表面特征，提供了極其精確的測量結(jié)果。此外，它能夠以非常高的密度采集數(shù)據(jù)點，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。這種高精度和高密度的數(shù)據(jù)對于礦山工程規(guī)劃、地質(zhì)勘察和巷道維護至關(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，快速測量速度和安全性也是三維激光掃描技術(shù)的優(yōu)勢之一。激光掃描儀能夠以非常高的掃描速度進行工作，迅速獲取大量數(shù)據(jù)點，因此可以在較短時間內(nèi)完成巷道斷面測量。而且，由于激光掃描是一種非接觸式的測量方法，不需要人員進入巷道環(huán)境中，提高了測量的安全性。這對于那些存在安全風(fēng)險的礦山巷道來說尤為重要，可以降低事故發(fā)生的風(fēng)險并提高工作效率。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。采集的點云數(shù)據(jù)可以輕松導(dǎo)入計算機軟件中，生成三維模型，并進行可視化呈現(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際情況，進行數(shù)據(jù)分析和模擬。此外，現(xiàn)代軟件工具允許用戶從點云數(shù)據(jù)中提取特征、進行模型擬合和計算各種屬性，為后續(xù)巷道設(shè)計、維護和決策提供了重要支持。

2 礦山巷道斷面測量需求分析

2.1 巷道斷面測量的重要性

首先，確保礦山運營安全。通過準(zhǔn)確測量巷道斷面，礦山運營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，有助于識別潛在的危險和風(fēng)險因素，如巖石穩(wěn)定性和地下水滲透問題。這有助于制定更科學(xué)合理的礦山設(shè)計和采礦計劃，以降低事故和災(zāi)害的發(fā)生概率。其次，巷道斷面測量對于優(yōu)化礦山運營和資源利用至關(guān)重要，準(zhǔn)確的測量數(shù)據(jù)可用于確定礦石儲量、資源分布和采礦最佳方式的確定。這有助于提高礦石開采的效率，減少資源浪費，降低生產(chǎn)成本，從而增加礦山的盈利能力。同時，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，進一步提高生產(chǎn)效率。

2.2 傳統(tǒng)測量方法的局限性

首先，傳統(tǒng)的手工測量方法需要人工參與，耗時耗力，且容易受到人為誤差影響。測量員需要進入巷道進行測量，面對巷道內(nèi)可能存在的各種危險情況，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。此外，由于測量員需要面對復(fù)雜的地形和地質(zhì)條件，傳統(tǒng)測量方法的精度也常常難以滿足高要求。其次，傳統(tǒng)測量方法數(shù)據(jù)采集速度相對較慢，無法及時獲取大量數(shù)據(jù)。這意味著在礦山運營過程中，巷道斷面的測量結(jié)果可能會滯后，導(dǎo)致決策制定和問題識別延遲。同時，傳統(tǒng)測量方法的數(shù)據(jù)處理也需要較長時間，無法實現(xiàn)即時分析和反饋。另外，傳統(tǒng)方法往往無法滿足礦山巷道復(fù)雜形狀的測量需求。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)測量工具在應(yīng)對這些情況時效率低下，難以提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

3 三維激光掃描技術(shù)在礦山巷道斷面測量中的具體應(yīng)用

3.1 巷道幾何特征測量

首先，三維激光掃描技術(shù)通過激光束的發(fā)射和接收，能夠高度精確地測量巷道的寬度、高度和形狀。激光束在掃描過程中持續(xù)發(fā)射，然后通過測量光束的反射時間，系統(tǒng)可以計算出從掃描儀到目標(biāo)表面的距離。通過在不同的位置和角度進行多次掃描，系統(tǒng)可以獲得大量數(shù)據(jù)點，這些點構(gòu)成了巷道斷面的三維模型。這個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)的測量方法可能會受到巷道彎曲、不規(guī)則曲線或異形斷面的限制，導(dǎo)致測量結(jié)果不準(zhǔn)確。然而，激光掃描技術(shù)不受這些限制，因為它可以在整個巷道中均勻地捕捉數(shù)據(jù)點，不受曲線或異形形狀的干擾。這意味著無論巷道是直線還是彎曲，無論其形狀多么復(fù)雜，激光掃描技術(shù)都能夠提供準(zhǔn)確的幾何特征測量。

3.2 巖壁表面質(zhì)量評估

巖壁表面質(zhì)量評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)，以評估安全風(fēng)險并進行巖壁穩(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)百萬個數(shù)據(jù)點，這些點可以用來構(gòu)建出巖壁的三維模型。通過分析這些模型，可以精確測量巖壁表面的凹凸和裂縫的尺寸、形狀和分布。這對于識別潛在的巖壁穩(wěn)定性問題至關(guān)重要，因為它們可能導(dǎo)致巖石塊體的脫落或坍塌，對礦工和設(shè)備造成危險。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，還包括了與地質(zhì)建模的結(jié)合。通過將激光掃描數(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)測潛在的巖壁穩(wěn)定性問題，提前采取措施來降低風(fēng)險。此外，這些數(shù)據(jù)還可用于優(yōu)化巷道設(shè)計，確保在開采過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)巷道周圍地質(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)計和資源管理提供了寶貴的支持。通過將激光掃描數(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)計方案。例如，他們可以避免在不穩(wěn)定的地質(zhì)區(qū)域開采，從而減少巖壁崩塌的風(fēng)險。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采的剩余礦石量。通過不斷監(jiān)測巷道的變化，可以及時調(diào)整開采計劃，以確保最大限度地減少資源浪費。這種信息的準(zhǔn)確性和實時性對于礦山運營的經(jīng)濟性和可持續(xù)性非常重要。

3.4 礦山生產(chǎn)計劃的改進

通過三維激光掃描技術(shù)收集的詳細(xì)數(shù)據(jù)可以幫助礦山管理團隊更精確地制定生產(chǎn)計劃，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需要更大的礦車或設(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，避免不必要的停機時間，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)測巷道內(nèi)的地質(zhì)條件和巖壁穩(wěn)定性。通過實時或定期掃描，礦山團隊可以及時檢測到巖壁裂縫或其他地質(zhì)問題的變化。這使他們能夠采取必要的措施，如加固巖壁或停止開采，以避免潛在的安全風(fēng)險，這種即時反饋對于生產(chǎn)計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)用過程中的挑戰(zhàn)與對策

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影響激光掃描的數(shù)據(jù)質(zhì)量。在巷道內(nèi)，可能會有粉塵或碎石等物質(zhì)飄浮在空中，這些物質(zhì)可能會散射激光束，導(dǎo)致數(shù)據(jù)點的不準(zhǔn)確采集或遮擋部分物體表面，降低測量的精度。因此，需要采取措施來減少塵埃和碎石對激光掃描的干擾，例如定期清潔巷道內(nèi)部或使用特殊的濾波和數(shù)據(jù)校正方法來處理這些問題。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)對策略，以確保在復(fù)雜環(huán)境下仍能夠獲得可靠的測量結(jié)果。

4.2 數(shù)據(jù)處理和存儲

激光掃描儀在短時間內(nèi)生成大量數(shù)據(jù)，而且這些數(shù)據(jù)通常非常龐大，可能會對數(shù)據(jù)處理和存儲構(gòu)成一定挑戰(zhàn)。

首先，大規(guī)模點云數(shù)據(jù)需要高性能的計算設(shè)備來進行處理和分析。點云數(shù)據(jù)通常包含數(shù)百萬到數(shù)千萬個數(shù)據(jù)點，這些點的處理需要強大的計算能力和存儲資源。為了應(yīng)對這個挑戰(zhàn)，礦山巷道測量中通常需要配置高性能的計算機系統(tǒng)，包括多核CPU、大內(nèi)存和高速硬盤。此外，使用并行計算和分布式計算方法可以加速數(shù)據(jù)處理過程。其次，數(shù)據(jù)存儲也是一個重要問題，因為點云數(shù)據(jù)通常需要大量的存儲空間。存儲大規(guī)模的點云數(shù)據(jù)需要足夠的硬盤容量，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)附加存儲設(shè)備（NAS）或云存儲服務(wù)來存儲點云數(shù)據(jù)，還需要建立有效的數(shù)據(jù)管理和維護流程，以確保數(shù)據(jù)的安全性和可訪問性。最后，數(shù)據(jù)處理過程中還需要考慮數(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。選擇適用于點云數(shù)據(jù)處理的專業(yè)軟件工具和算法是至關(guān)重要的。

5 結(jié)語

綜上所述，通過將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于礦山巷道斷面測量工作中，能夠為礦山開采工作的安全開展提供數(shù)據(jù)支持。但是在其應(yīng)用過程中存在一定的挑戰(zhàn)，這就需要采取針對性策略，克服這些挑戰(zhàn)，繼續(xù)推動激光掃描技術(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。