基于三維激光掃描技術的高速公路下伏采空區(qū)探測研究

中圖分類號：TD326 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2025）18-0080-04

Abstract： There is an iron mine goaf below the K7+715-K7+747 section of the Benhuan Expressway. The distribution of thegoaf isdetectedusingthree-dimensional（3D）laserscaning.Thethree-dimensionallaserscanningofthetargetgoafis dividedintotwostages：thefirststageisscanedusingahandheld3Dlaserscanner，andthesecondstageisscanedusinga drilingtype3Dlaserscaner.ThroughtheuseofLASresultsdatanoiseremovalandredundantdataeliminationwerecaried outinthegoafareainthelaterstage.Modelingandencapsulationwerecariedouttogeneratecross-sectionaldiagrams， providingreliableguarantees foron-siteconstructionsafety.Theresearchresultshavecasereferenceandguidancesignificance forsimilar engineering problems.

Keywords： goaf; highway engineering; three-dimensional （3D） laser scanning; construction; detection

礦山資源開采后遺留下采空區(qū)，采空區(qū)的形成容易引發(fā)地表呈現(xiàn)連續(xù)性或非連續(xù)性的沉降變形，存在地表塌陷和頂板冒落的隱患，給采空區(qū)上方的施工人員與設備帶來極大的安全隱患[1-2]。因此，采取有效的探測方法，準確探明采空區(qū)的形態(tài)規(guī)模、埋藏深度等特征，是公路下伏采空區(qū)施工亟需解決的首要問題。近年來，國內外研究人員對采空區(qū)探測技術進行了大量的研究，陳強強等基于地球物理勘查技術，對濟源克井一煤礦采空區(qū)進行探測，采用EH-4連續(xù)電導率剖面法，得到了物探推測采空塌陷區(qū)分布圖；束勇4利用廣域電磁法，探測安慶銅礦三號礦體采空區(qū)，實現(xiàn)了對采空區(qū)的精確定位，并獲得了該區(qū)域的地質特性;Chuantao Yu 等采用瞬變電磁法成功探明了 300m 深富水采空區(qū)的形態(tài)規(guī)模，并通過鉆探對探測結果進行了驗證；李英賓等以伊犁盆地南緣采空區(qū)為研究對象，結合現(xiàn)場的氣候水文條件，分析磁法與音頻大地電磁測量的優(yōu)勢，綜合2種物探方法探索伊犁盆地

南緣采空區(qū)的分布范圍

近年來，地下采空區(qū)探測方法已有數(shù)十種，主要包括電阻異常測量法、物探、磁法、鉆探和地震波法等，然而上述方法僅能對采空區(qū)進行粗略探測，無法準確揭示其內部具體特征。三維激光掃描技術可以快速地獲得采空區(qū)的三維點云數(shù)據(jù)，通過掃描探測出的點云構建出采空區(qū)的“外衣”來最大限度地還原其完整形態(tài)并進行三維重建，進而展示出金屬礦山采空區(qū)的真實整體結構形態(tài)特征。基于此，本文以本桓高速公路段下伏鐵礦采空區(qū)為研究對象，采用三維激光掃描技術，根據(jù)采空區(qū)位置的不同以及內部圍巖不同的復雜程度，分別使用手持式與鉆孔式激光發(fā)射裝置，對該采空區(qū)進行了精準探測，探測成果可作為對鉆探的驗證，并為后期采空區(qū)處治以及路基施工做鋪墊。

1 工程概況

本桓高速公路項目位于本溪市明山區(qū)境內，公路主線挖方段內存在一處鐵礦采空區(qū)，如圖1所示，根據(jù)前期勘察結果，該路段的主要地層為第四系（ ?Q₄^dl+pl） （碎石，太古界（Arcg）變粒巖、磁鐵角閃片巖及石英砂巖，該采空區(qū)已停采6年，所處山體主要巖性為變粒巖，為較堅硬巖，圍巖級別為V類。采用三維激光掃描的方式，和洞內外施工地形聯(lián)測，匯集采空區(qū)激光點云數(shù)據(jù)、控制點聯(lián)測，并生成點云數(shù)據(jù)模型。確定采空區(qū)形態(tài)、洞頂距離設計路面高度以及整體高速公路施工通過該采空區(qū)的具體方位相對信息。

（a） 創(chuàng)建初始點云并提取\"Surfels”

2掃描儀原理及工作介紹

2.1手持式三維激光掃描儀

手持式移動三維激光掃描儀選用GeoSLAMZEBHorizon，采用目前最輕便的SLAM掃描系統(tǒng)，如圖2所示。

SLAM（Simultaneous localization and mapping），意為“實時定位與地圖構建”。SLAM可以理解為：掃描儀在未知環(huán)境中從一個未知位置開始移動，在移動過程中依據(jù)位置預估與地圖信息實現(xiàn)自我定位，同時在自身定位的基礎上構建增量式地圖，以達成掃描儀的自主定位和導航，如圖3、圖4所示。

激光掃描數(shù)據(jù) 特征匹配一點云拼接 三維點云模型IMU位置數(shù)據(jù) SLAM算法

當前，車載平臺是地面移動測量系統(tǒng)的基礎，但兩者均離不開全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）及慣性制導技術的支持。然而，室內及地下空間因缺乏GNSS信號，導致傳統(tǒng)移動測量系統(tǒng)無法有效運作。SLAM技術能夠不依托GNSS信號對室內和室外的地面水平環(huán)境進行地圖構建和環(huán)境建模，對工作環(huán)境有極強的適應性，因此其在測繪領域中的應用對于解決傳統(tǒng)測繪中的定位及場景重建問題具有廣闊的前景，具體依次表現(xiàn)為： ① 外業(yè)數(shù)據(jù)采集速度極快，可快速獲得所需點云數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)精度高。 ② 內業(yè)點云數(shù)據(jù)預處理時間短，高度自動化，幾乎無需人工介入，能迅速獲取已配準的點云結果。 ③ 操作簡單方便，無需換站，可實現(xiàn)連續(xù)采集并保持數(shù)據(jù)連貫，支持室內外一體化掃描作業(yè)。 ④ SLAM技術賦能的移動測繪掃描儀在多樣環(huán)境中具備持久作業(yè)能力，故障頻率低。針對高精度需求的重點區(qū)域，該系統(tǒng)可與固定站式三維激光掃描裝置協(xié)同作業(yè)，既確保測量精度，又提升作業(yè)效率。 ⑤ 外業(yè)數(shù)據(jù)采集速度極快， 100Hz 線掃描速度，ZEBHorizon可在幾分鐘內快速獲取精細的三維空間點云數(shù)據(jù)。 ⑥ 慣導系統(tǒng)與SLAM算法相結合，無需GPS輔助，即可實現(xiàn)高精度點云的自動配準。

3.1.2 點云精度

2.2鉆孔式三維激光掃描儀

鉆孔式三維激光掃描儀探頭前端配置微型攝像機，可在下放過程中實時觀察鉆孔內部狀況。如孔壁是否變形從而影響繼續(xù)下放，孔內積水情況等。在探頭伸入采空區(qū)后，由攝像機反饋回來的圖像可以指示探頭伸入鉆孔的深度，為探頭掃描工作開始前選擇合適的位置。設備同時擁有以下諸多優(yōu)勢： ① 集成化程度高，電腦、電池、控制系統(tǒng)完全集成在一個控制箱內；掃描速度快，電池續(xù)航時間長； ② 靈活的使用方法，多種架設方式，體積小，運輸方便； ③ 系統(tǒng)配備電子羅盤、電動絞車，可實現(xiàn)自動提升、下放，降低現(xiàn)場施工人員勞動強度，提升測量作業(yè)效率?，F(xiàn)場施工如圖5所示。

點云精度絕對誤差小于 5cm ，精度良好，如圖6所示。

3三維激光掃描技術在本桓公路下伏采空區(qū)的實際應用

3.1.3 探測成果

探測成果所得采空區(qū)斷面圖如圖7所示。

3.1第一次掃描

第一次掃描建模采用手持式三維激光掃描儀，在確保安全的前提下，從洞口進入采空區(qū)大概 90m ，地面施工場地聯(lián)測約 2000m² 。

3.1.1 作業(yè)內容

基于SLAM激光掃描，采用GeoSLAMRTK、靈光SLAM類型儀器，平面坐標與高程系統(tǒng)為獨立坐

3.2 第二次掃描

針對第一次手持式掃描成果分析，在公路施工范圍內有部分采空區(qū)沒有完全探測出來，需要探測但人員無法進入，故采用鉆孔式三維激光掃描儀進行二次補測。

3.2.1 作業(yè)內容

利用鉆孔式三維激光掃描儀的方式，在預先提供的3個鉆孔，進行空區(qū)建模。采集采空區(qū)激光點云數(shù)據(jù)、控制點聯(lián)測，并生成點云數(shù)據(jù)模型。具體補測范圍如圖8所示。

3.2.2 探測成果

因掃描儀無法掃描巖體后物體，故掃描成果顯然分成2段。掃描成果如圖9、圖10所示。其中，圖10左下角部分為鉆孔式三維激光掃描儀掃描數(shù)據(jù)，其余部分為手持式SLAM掃描成果。

所示，后期施工可根據(jù)需要切出設計所需要的縱斷面圖、橫斷面圖和所需的剖面圖。

確定了采空區(qū)分布范圍與公路路線的相對位置，如圖12所示。進而明確了采空區(qū)處理范圍，為采空區(qū)的治理提供了翔實的依據(jù)。

4結論

通過2次的掃描、建模，生成了采空區(qū)三維立體形態(tài)圖，成功地探測出了采空區(qū)的形態(tài)、規(guī)模，如圖11

參考文獻：

[1]張必昌，高國剛，劉瑞斌，等.公路近區(qū)采空區(qū)地面塌陷風險性評價[J].公路，2019，64（12）：15-20.

[2] ZHANG F，LEHANE B.A numerical study to assist assess-mentof thestabilityofshallowcoal minegoafs[J].GeotechnicalandGeological Engineering，2019，37（4）：2837-2846.

[3]陳強強，雷薪雍，黃相巖，等.基于地球物理勘查技術的煤礦采空區(qū)探測研究[J].煤炭技術，2024，43（4）：95-101.

[4]束勇.廣域電磁法在安慶銅礦三號礦體采空區(qū)探測的運用[J]冶金與材料，2023，43（11）：130-132.

[5]YUC，LIUX，LIUJ，et al.Application oftransientelectromagnetic method for investigating the water-enrichedmined-out area[J].Applied Sciences，2018，8（10）：1800.

[6]李英賓，張偉，李江坤.綜合物探方法在伊犁盆地采空區(qū)探測中的應用[J].地質論評，2024，70（S1）：131-132.

[7]陳子淵.金屬礦復雜采空區(qū)探測及空間穩(wěn)定性分析[D].廣州：暨南大學，2021.

[8]郭凱.三維激光掃描技術在金屬礦山采空區(qū)測量中的應用分析[J].中國金屬通報，2023（11）：16-18.