三维激光扫描技术在溜井测量中的应用

赵昕，李薇，邰贺，高爽

(沈阳市勘察测绘研究院有限公司，辽宁 沈阳 110004)

1 引 言

随着科技的进步，测绘行业不断涌现出新技术，三维激光扫描技术就是其中一种，该技术是继GPS技术之后的又一次技术革新。三维激光扫描技术运用了非接触式、高精度地对被测物体进行快速扫描测量，获取点云数据的“实景复制技术”[1]。

矿山主溜井在长期的使用过程中，不断受到矿石的冲击作用以及自然的侵蚀作用，必然会在一些地质构造区域发生破损垮塌，一个位置的垮塌，很有可能造成整体的“多米诺骨牌效应”，使整个溜井发生大面积的垮塌，严重时可能会影响到整个矿山的生产。某矿2号溜井是地下采矿厂矿石溜井，2015年建成投入使用，累计放矿量约300万吨。溜井使用过程中，根据溜井储矿量，矿石块度等情况判断，2号溜井自2017年6月开始，发生过几次不同程度的垮冒现象，但未影响其正常使用，也未发现其对周边工程造成任何影响。为了准确掌握2号溜井井筒断面形状，评估井筒垮塌程度及安全状况。本文采用三维激光扫描系统对2号溜井进行现场测量，为2号溜井的使用管理、运行维护、安全评估、分析治理等提供基础数据和科学依据。

2 三维数据采集

2.1 仪器介绍

本次溜井测量设备采用英国MDL公司先进的空腔自动扫描激光系统。C-ALS是一款微型的耐用三维激光扫描系统，可以实现空穴和空腔的安全、快速、精确地扫描测量。

C-ALS仪器激光探头直径仅为50 mm，使得它可以轻易沿钻孔到达难以接近的地下空腔内。C-ALS采用马达驱动双轴扫描探头，可以有效地保证仪器进行360°旋转扫描，最大扫描距离达 150 m，使得扫描能均匀覆盖整个空间，示意图如图1所示。C-ALS探头整合了倾斜、转动、陀螺仪等传感器，这些传感器保证了激光扫描点云定向和定位的准确性[2，3]。使用C-ALS三维激光扫描系统进行360°旋转扫描时，可通过设置较低的增量数值，获得密集、高精度的点云数据。

图1 C-ALS三维激光扫描系统原理示意图

2.2 扫描实施

由于2号溜井纵跨0 m、-50 m、-100 m和 -150 m四个中段，高程超过 130 m，综合考虑测量人员、测量设备的安全以及能取得良好的扫描效果，扫描工作分两段进行。第一段扫描从 0 m中段的溜井顶部，将C-ALS三维激光扫描系统的激光探头通过溜井施工时的天井钻机导向孔往下缓慢放至溜井中进行扫描。

完成前段扫描后，将设备放置在-100 m中段2号溜井斜溜槽口，扫描前在溜井格筛上安装工作平台，往斜溜槽内安装导向管，导向管为井下充填使用的高分子管，通过导向管下放扫描探头进行了扫描测量。

在-100 m～150 m中段扫描一共进行了两次。第一次在扫描过程中，由于溜井内粉尘较大，造成扫描效果不理想。生产大爆破结束后，停止溜井放矿，使溜井内粉尘降低，随后从导向管中下放激光探头进行第二次扫描，通过对溜井 -100 m～ -150 m中段扫描，获取了这段丰富点云数据。通过这两阶段的扫描工作获取了这条溜井的完整点云数据。C-ALS三维激光扫描系统现场扫描方式如图2所示。

图2 C-ALS三维激光扫描系统作业方式示意图

3 数据处理

3.1 原始点云数据处理

对2号溜井进行三维激光扫描测量后，需要对原始数据进行处理。C-ALS三维激光扫描系统采集的原始点云数据是通过Cavity Scan专业软件进行处理并生成点云图[4，5]。生成的点云图效果如图3所示。厘米级的点密度呈现出溜井真实的地质情况，这就为后期的分析、治理提供了精确的基础数据。

图3 2号溜井扫描后点云图

3.2 溜井三维实体建模

由于Cavity Scan软件是C-ALS三维扫描仪的专业配套软件，但其通用性较差，不能随意对三维模型进行查看与操作，且没有三维实体显示，使得不能直观地反映出2号溜井的空间信息。因此先通过Cavity Scan软件对点云数据进行数据处理，将点云数据转变为Surpac软件能够支持的线文件，用生成的线文件，采用Surpac软件进行三维实体建模，最终得到三维实体模型[6，7]。通过Surpac软件建立的三维实体模型，可以进行直观的空间关系显示以及相应的操作，为溜井现状分析提供基础数据支撑，其转换文件和三维实体模型如图4、图5所示。

图4 原始点云文件转换Surpac文件 图5 2号溜井三维模型

4 成果分析

4.1 溜井与其他工程空间关系

因为溜井的破坏会威胁到周边工程的安全状态，通过对溜井与周边工程关系的分析，评估溜井对周边工程的危害程度，为人员作业安全和溜井的运行状况、治理提供依据，实测的2号溜井与1号溜井及各中段的空间关系如图6所示。

图6 2号溜井、1号溜井及各中段设计位置关系图

从图7所示的空间关系可以看出，2号溜井发生了垮塌现象。主要集中在 -100 m～-150 m段，垮塌尺寸较其他位置大，垮塌位置为斜溜槽对面。-100 m中段以上井筒相对较完整，局部垮塌位置在-43 m～-49 m标高处。此次扫描测量未发现2号溜井与1号溜井存在相互贯通现象。

图7 实测2号溜井与1号溜井及各中段位置关系图

4.2 剖面图输出与分析

通过对2号溜井实测模型进行纵向剖面输出，以便更加直观与准确分析2号溜井的空间形态情况，以及垮塌范围与周边工程间关系。

2号溜井实测模型纵剖面输出有：2号溜井五个方向的纵剖面如图8所示，2号溜井与1#溜井中心线剖面与各个中段斜溜槽中心剖面如图9所示。从五个方向的剖面图可以得出，2号溜井各个中段位置发生的垮塌程度不一，实测模型距离1号井筒壁最小距离为 10.85 m。暂未对1号溜井造成安全影响。

图8 2号溜井实测模型各方向纵剖面图

图9 2号溜井实测模型与设计1号溜井纵剖面图

4.3 平面图输出与分析

通过对2号溜井实测模型进行横向剖面输出，典型横剖面如图10所示。从溜井纵横剖面图可以看出 -100 m中段以上部分整体较完好，垮塌范围距离设计井筒壁平均距离约 1 m左右。-100 m～-150 m中段为2号溜井主要垮塌段，通过对设计井筒和实测井筒进行水平剖面计算，可以得出最大垮塌尺寸 4.2 m，等效直径 8.8 m。

图10 2号溜井实测与设计横向断面图

4.4 数据分析

采用C-ALS三维激光扫描系统对2号溜井进行扫描测量，并建立2号溜井实测与设计模型。通过对输出纵、横剖面图，井筒参数计算等数据分析，并对这些数据汇总得表1、表2，图11、图12：

2号溜井实测模型20 m间隔实测体积和垮塌体积统计 表1

图11 2号溜井实测模型每20 m段高设计、实测、垮塌体积对比图

2号溜井实测模型各中段参数统计 表2

图12 2号溜井实测模型各中段间实测体积和垮塌体积对比图

(1)2号溜井在不同中段的井壁都存在垮塌现象，总垮塌量为 2 155 m3，0 m～-50 m段平均垮塌面积 15.25 m2，实测此段垮塌尺寸为 0.86 m，垮塌量占总量的35.2%。在 -43 m～-49 m处垮塌，最大垮塌部位为 -47 m处，垮塌尺寸为 3.61 m，断面面积为 72.57 m2。此段区域垮塌范围不大，并且筒壁基本较完整，因此可以判断该段井筒稳定较好，暂不会对周边工程造成安全影响。

(2)-50 m～-100 m段平均垮塌面积 8.34 m2，实测此段垮塌尺寸为 0.15 m，垮塌量占总量19.4%。该段井壁完整性最好，主要是处于中部，矿山下落过程中对井壁的撞击较小。

(3)-100 m～-150 m段垮塌现象最严重，平均垮塌面积 28.79 m2，实测此段垮塌尺寸为 2.48 m，垮塌量占总量45.4%。主要垮塌部位出现在 -110 m～-130 m，最大垮塌部位为 -126 m处，垮塌尺寸为 4.24 m，断面面积为 60.26 m2。在底部斜溜槽正对面为垮塌核心区，但对周边工程安全造成影响。

(4)此外，2号溜井垮塌处与1号溜井(未启用)最近距离大概 10 m，符合设计的安全距离，暂不会对自身及周边工程造成安全影响。

5 结 论

本文通过C-ALS三维激光扫描系统对某矿2号溜井进行了全方位扫描，获取了准确的点云数据。通过对点云数据解算、处理与建模分析，得到了溜井的实际空间形态，详细分析了2号溜井不同断面处的垮塌量，通过垮塌量计算可以得到2号溜井的实际外形以及需要修复的体积，为溜井安全治理和维修设计提供可靠的数据依据，保证作业工人和设备的安全，三维激光扫描技术成为溜井测量监测的一种科学可行的解决方案。