三维激光扫描勘查方法在采空区勘查中的应用

薛建志 贾会会 多晓松 周文佳

（1、华北地质勘查局五一四地质大队（河北华勘资环勘测有限公司）,河北 承德 067000 2、河北省矿山地质灾害预警技术创新中心,河北 承德 067000）

承德市是河北省主要的矿业城市,伴随着经济发展,矿产资源开发形成了大量地下采空区,部分采空发生了地裂缝、地面沉降及地面塌陷等地质灾害。为了能够精准指导地下采空区治理,消除采空区地质灾害隐患,开展采空区勘查工作十分必要。

滦平县某铁矿采用三维激光扫描技术进行采空区勘查,为滦平县某铁矿采空区的治理提供技术支持,为同类采空区的勘查及稳定性评价工作提供技术参考。三维激光扫描工作是基于已经完成的钻孔,放入三维激光扫描探头,查清地下采空区的形态及空间分布情况。

本文通过三维激光扫描等手段,对采空区进行了验证,取得较好的成果,为采空区充填治理提供较为精准的数据,有效解决了地形、地貌及生产要素等因素的影响,为绿色矿业开发、建立科学完善的政策法规体系提供了新的理念[5-8]。

1 三维激光扫描技术原理概述

激光探测是基于激光测距技术的一种探测方法,激光测距,即利用光在待测距离上往返传播的时间换算出距离L,其方程为：

式中：c 为激光在大气中的传播速度,m/s；t 为激光在待测距离上的往返传播时间,s。

在三维激光扫描仪内,有一个激光脉冲发射体,两个反光镜快速而有序的旋转,将发射体发出的窄束激光脉冲依次扫过被测区域。测量每个激光脉冲从发出到被测物体表面再返回仪器所经过的时间来计算距离,同时编码器测量每个脉冲的角度,可以得到被测物体的三维真实坐标。三维激光扫描仪通过脉冲激光传播的时间得到仪器的扫描点的距离值S,精密时钟控制编码器同步测量每个激光脉冲横向扫描角度观测值φ 和纵向扫描角度观测值ω。前面三种数据用来计算扫描点的三维坐标值。激光扫描三维测量一般使用仪器内部坐标系统,X轴在横向扫描面内,Y 轴在横向扫描面内与X 轴垂直,Z轴与横向扫描面垂直（如图1）。由此可得三维激光脚点坐标的计算公式：

图1 3D 激光探测技术原理

钻孔式地下空间和采空区三维激光自动扫描系统能通过预先钻出的钻孔,将激光探头插入到采空区内部,从而快速、安全地勘查地下采空区的内部情况。仪器探头直径仅为50mm,使得它可沿钻孔深入到难以接近的空穴、地下空间以及空腔内。内置的钻探摄像头上装有红色LED 指示灯,便于清楚地看到钻孔内部以及测量过程中遇到的各种障碍物,同时还能辨识空穴的入口。一旦进入空穴,激光头便向外打开,开始扫描空穴的三维形态及其表面反射率。

C-ALS 的有线遥测系统可将测量数据传回地面的控制单元。配置笔记本电脑,就可方便的控制和获取数据。利用MDL 的控制软件,可在屏幕上显示出C-ALS 摄像机捕获的镜头,并实时获取激光扫描生成的三维空穴图像。

空区探测过程是通过,通过用GPS 确定钻孔坐标,然后用罗盘测量出钻孔的方位角。C-ALS 的完全定位只需一个孔口坐标作为定位的原点,有了原点坐标及方位角后C-ALS 即可完成其余的定位。

将C-ALS 的探头下放过程中,通过数电缆线的节点来确定钻孔深度,当探头到采空区内部后,通过摄像头视频监控到内部有足够空间后就可进行采空区的扫描了。

扫描可以有三种方式：a.水平单次切片扫描,b.水平方向扫描,c.垂直方向扫描（如图2）。本次试验首先进行了垂直方向扫描,然后,设定采用水平方向扫描,共进行了四次扫描。设置采空区扫描步长增量为1°,水平和垂直各扫描两次,设定完成后启动扫描,每次约60min 完成扫描工作。

图2 扫描方式

2 勘查结果

采集的原始数据为点云数据,三维激光扫描系统自带的软件,可以进行简单的可视化展示。10 号钻孔坐标为4539191.8,548439.8,425.3；探测时间为7 月17 日,探测结果如下：

a.基础点云数据。（图3）

图3 数据整体视图

b.空区初步实体模型。（图4）

图4 整体模型显示

c.空腔数据精确模型。（图5）

d.空腔数据切片分析。（图6、7）

图6 空区水平切片1（Z=410m）

e.空区基本信息。（表1）

表1 空区基础数据统计

3 结论

综合考虑勘查区地形地貌、矿区水文、工程地质的复杂性、矿区技术资料缺失、采矿技术方法多样性及周边电磁干扰等因素,探索性的选用了三维扫描勘查查技术,为采空区的精确勘查指定技术靶区[9]。

图7 空区水平切片5（Z=390m）

通过三维激光扫描技术对10 号钻孔所接触采空区进行了精确测量,10 号空区为20097.6m3。激光测量数据比钻探测量数据更加完善真实,其精度能到到cm 级别,更好地反应了采空区的三维形态、走向、面积、体积等真实附存信息,为后续的空区处理或处置提供可靠的基础数据,同时为采空区的后期充填治理提供准确充填位置与方量。

通过三维激光扫描的应用和探测,实现了采空区形态、规模、位置的精确探查,为矿区采空区充填治理提供了可靠的数据基础,在其他金属和非金属矿山采空区的勘查中同样具有很大技术优势和推广意义。