三维激光扫描技术在矿山巷道断面测量中的应用

2024-06-08毕波，孟涛

大众标准化 2024年9期

毕波，孟涛

（济南市莱芜矿业有限公司，山东济南 271199）

矿山开采过程中存在大量不安全因素，为了保障矿产生产工作的安全进行，这就需要对矿山巷道断面进行准确测量和分析。传统的测量方法往往受到局限，不仅需要大量人力、时间和资源，而且在复杂环境下存在一定的风险。然而，随着科技不断进步，三维激光扫描技术已经成为矿山巷道断面测量的革命性工具，为矿山开采提供了数据支持。

1 三维激光扫描技术概述

1.1 激光扫描装置的工作原理

激光扫描装置的工作原理基于激光雷达技术，是一种非常先进且精确的测量方法。在矿山巷道断面测量中，激光扫描装置通常包括激光发射器和接收器。首先，激光发射器会发射激光束，这束激光以极高的速度通过巷道内部移动。当激光束遇到巷道内的物体表面时，它会被反射回来并被接收器捕捉。接收器测量激光束返回的时间和角度信息，通过这些数据可以计算出激光束从发射到返回所经过的距离。由于激光光速非常快，所以可以精确测量物体与激光扫描装置之间的距离。激光扫描装置通常会连续发射激光束，通过不断改变激光束的方向，以覆盖整个巷道断面。每个激光束的距离数据都被记录下来，最终构建成一个巷道内部的三维点云模型。这个点云模型包含了巷道内各个物体表面的坐标信息，从而实现了对巷道断面的高精度测量。

1.2 数据采集与处理方法

三维激光扫描技术的数据采集与处理方法是实现高精度巷道断面测量的关键步骤。

首先，数据采集过程中，激光扫描仪会以一定的扫描频率和角度范围对巷道进行扫描。每次扫描都会生成一个扫描层的点云数据，多次扫描可以堆叠在一起，覆盖整个巷道断面。这些点云数据包括了每个点的坐标信息以及反射强度，即表面的亮度，用于表征不同物体的反射特性。其次，数据处理过程涉及点云数据的配准、滤波和合并。配准是将多个扫描层的数据对齐，确保它们在相同坐标系下，构建连续的三维模型。滤波操作用于去除噪音和不需要的数据点，例如由于光线散射或多次反射而导致的点云数据。点云数据合并将多个扫描层的数据合并成一个整体点云模型，这个模型代表了完整的巷道断面。接下来的处理步骤包括特征提取、模型拟合和数据分析。特征提取阶段可以识别和提取出巷道中的物体，如壁岩、设备、管道，以及它们的空间位置和尺寸信息。模型拟合可以将简单的几何形状（如平面、圆柱体等）拟合到点云数据中，进一步精确地描述巷道的结构。数据分析可以根据需要计算巷道的各种属性，如尺寸、体积、倾斜度等，为后续工程规划和维护提供有价值的信息。

1.3 三维激光扫描技术在矿山巷道测量中的优势

三维激光扫描技术在矿山巷道测量中的优势显著，主要体现在高精度和高密度的数据采集、快速测量速度和安全性，以及数据可视化和分析便利性方面。

首先，高精度和高密度的数据采集是三维激光扫描技术的显著优势之一。激光扫描仪能够以毫米级的精度捕捉巷道内部的地形和物体表面特征，提供了极其精确的测量结果。此外，它能够以非常高的密度采集数据点，即使是小尺寸或复杂形状的物体也能被细致地记录下来。这种高精度和高密度的数据对于矿山工程规划、地质勘察和巷道维护至关重要，确保了准确的几何信息和可靠的地质数据。其次，快速测量速度和安全性也是三维激光扫描技术的优势之一。激光扫描仪能够以非常高的扫描速度进行工作，迅速获取大量数据点，因此可以在较短时间内完成巷道断面测量。而且，由于激光扫描是一种非接触式的测量方法，不需要人员进入巷道环境中，提高了测量的安全性。这对于那些存在安全风险的矿山巷道来说尤为重要，可以降低事故发生的风险并提高工作效率。最后，三维激光扫描技术提供了数据可视化和分析的便利性。采集的点云数据可以轻松导入计算机软件中，生成三维模型，并进行可视化呈现。这使得矿山工程师和地质学家能够直观地了解巷道的实际情况，进行数据分析和模拟。此外，现代软件工具允许用户从点云数据中提取特征、进行模型拟合和计算各种属性，为后续巷道设计、维护和决策提供了重要支持。

2 矿山巷道断面测量需求分析

2.1 巷道断面测量的重要性

首先，确保矿山运营安全。通过准确测量巷道断面，矿山运营商可以更好地了解地下矿区的地质构造和地下空间的分布，有助于识别潜在的危险和风险因素，如岩石稳定性和地下水渗透问题。这有助于制定更科学合理的矿山设计和采矿计划，以降低事故和灾害的发生概率。其次，巷道断面测量对于优化矿山运营和资源利用至关重要，准确的测量数据可用于确定矿石储量、资源分布和采矿最佳方式的确定。这有助于提高矿石开采的效率，减少资源浪费，降低生产成本，从而增加矿山的盈利能力。同时，它还为矿山管理者提供了决策支持依据，以优化矿山布局、道路建设和设备配置，进一步提高生产效率。

2.2 传统测量方法的局限性

首先，传统的手工测量方法需要人工参与，耗时耗力，且容易受到人为误差影响。测量员需要进入巷道进行测量，面对巷道内可能存在的各种危险情况，如岩石坍塌、有毒气体和狭小的工作空间等，存在一定的安全风险。此外，由于测量员需要面对复杂的地形和地质条件，传统测量方法的精度也常常难以满足高要求。其次，传统测量方法数据采集速度相对较慢，无法及时获取大量数据。这意味着在矿山运营过程中，巷道断面的测量结果可能会滞后，导致决策制定和问题识别延迟。同时，传统测量方法的数据处理也需要较长时间，无法实现即时分析和反馈。另外，传统方法往往无法满足矿山巷道复杂形状的测量需求。巷道可能具有复杂的几何形状，如曲线、斜坡和不规则截面，传统测量工具在应对这些情况时效率低下，难以提供准确的数据。

3 三维激光扫描技术在矿山巷道断面测量中的具体应用

3.1 巷道几何特征测量

首先，三维激光扫描技术通过激光束的发射和接收，能够高度精确地测量巷道的宽度、高度和形状。激光束在扫描过程中持续发射，然后通过测量光束的反射时间，系统可以计算出从扫描仪到目标表面的距离。通过在不同的位置和角度进行多次扫描，系统可以获得大量数据点，这些点构成了巷道断面的三维模型。这个模型提供了高精度的宽度和高度信息，甚至可以区分不同位置的宽度和高度差异。其次，三维激光扫描技术的独特之处在于其能够捕捉隧道弯曲部分和非常规形状。传统的测量方法可能会受到巷道弯曲、不规则曲线或异形断面的限制，导致测量结果不准确。然而，激光扫描技术不受这些限制，因为它可以在整个巷道中均匀地捕捉数据点，不受曲线或异形形状的干扰。这意味着无论巷道是直线还是弯曲，无论其形状多么复杂，激光扫描技术都能够提供准确的几何特征测量。

3.2 岩壁表面质量评估

岩壁表面质量评估能够帮助矿山工程师和地质学家更全面地了解岩壁的状态，以评估安全风险并进行岩壁稳定性分析。

首先，三维激光扫描技术能够高精度地检测岩壁上的各种缺陷，包括裂缝、裂隙、凹凸、裂纹和其他表面不规则性。激光扫描设备以极高的速度捕捉数百万个数据点，这些点可以用来构建出岩壁的三维模型。通过分析这些模型，可以精确测量岩壁表面的凹凸和裂缝的尺寸、形状和分布。这对于识别潜在的岩壁稳定性问题至关重要，因为它们可能导致岩石块体的脱落或坍塌，对矿工和设备造成危险。其次，三维激光扫描技术的应用范围不仅局限于岩壁表面检测，还包括了与地质建模的结合。通过将激光扫描数据与地质信息整合，工程师和地质学家可以更好地理解岩层的分布、性质和稳定性。这有助于预测潜在的岩壁稳定性问题，提前采取措施来降低风险。此外，这些数据还可用于优化巷道设计，确保在开采过程中最大程度地减少岩壁崩塌和落石事件发生。

3.3 激光扫描与地质建模的结合

首先，三维激光扫描技术产生的数据提供了有关巷道周围地质特征的高分辨率信息。这些数据包括巷道的岩层、岩性、构造特征以及其他地质参数。将这些数据与地质信息集成可以帮助地质学家更准确地理解地下岩石的分布和性质。通过在激光扫描数据上叠加地质信息，可以生成更精确的地质模型，这对于确定矿层的位置、形状和质量分布至关重要。其次，这种结合还为优化巷道设计和资源管理提供了宝贵的支持。通过将激光扫描数据与地质模型相结合，工程师可以更好地了解矿山地质条件，以制定更安全和高效的巷道设计方案。例如，他们可以避免在不稳定的地质区域开采，从而减少岩壁崩塌的风险。此外，激光扫描技术还能够提供有关巷道断面的精确信息，有助于优化资源管理，确保有效地利用矿石资源。在资源管理方面，激光扫描还可以用于量化开采的剩余矿石量。通过不断监测巷道的变化，可以及时调整开采计划，以确保最大限度地减少资源浪费。这种信息的准确性和实时性对于矿山运营的经济性和可持续性非常重要。

3.4 矿山生产计划的改进

通过三维激光扫描技术收集的详细数据可以帮助矿山管理团队更精确地制定生产计划，提高矿山的效率和生产能力。

首先，激光扫描技术能够提供准确的巷道断面信息，包括宽度、高度和形状等几何特征。这些数据可以用于确定巷道内各种设备和机械的适合性，以及通行的限制因素。例如，它可以帮助确定何时需要更大的矿车或设备，以及如何最大程度地利用巷道的容量，有助于优化设备配置，避免不必要的停机时间，从而提高了生产效率。其次，激光扫描技术还能够帮助监测巷道内的地质条件和岩壁稳定性。通过实时或定期扫描，矿山团队可以及时检测到岩壁裂缝或其他地质问题的变化。这使他们能够采取必要的措施，如加固岩壁或停止开采，以避免潜在的安全风险，这种即时反馈对于生产计划的灵活性和可靠性至关重要。

4 三维激光扫描技术应用过程中的挑战与对策

4.1 复杂环境下的应用限制

矿山巷道往往处于极端环境之中，包括高温、高湿度、尘埃、岩石碎片等复杂条件，这些因素可能影响激光扫描技术的性能和可靠性。

首先，高温和高湿度环境可能影响激光扫描仪的稳定性和寿命。激光扫描设备中的电子元件和光学部件对于极端温度和湿度可能不够耐受，导致设备性能下降或故障。因此，在这种环境下使用激光扫描技术需要特殊设计的设备，以确保其可靠性和持久性。其次，尘埃和岩石碎片可能会影响激光扫描的数据质量。在巷道内，可能会有粉尘或碎石等物质飘浮在空中，这些物质可能会散射激光束，导致数据点的不准确采集或遮挡部分物体表面，降低测量的精度。因此，需要采取措施来减少尘埃和碎石对激光扫描的干扰，例如定期清洁巷道内部或使用特殊的滤波和数据校正方法来处理这些问题。最后，复杂的巷道结构和地质条件可能使数据采集和处理更加复杂。例如，曲线或倾斜的巷道断面可能需要额外数据处理步骤来保持高精度。地质构造复杂或不规则的地方可能需要更多的点云数据以获取准确的地质信息。因此，需要在数据采集和处理中考虑这些复杂因素，并制定相应的应对策略，以确保在复杂环境下仍能够获得可靠的测量结果。

4.2 数据处理和存储

激光扫描仪在短时间内生成大量数据，而且这些数据通常非常庞大，可能会对数据处理和存储构成一定挑战。

首先，大规模点云数据需要高性能的计算设备来进行处理和分析。点云数据通常包含数百万到数千万个数据点，这些点的处理需要强大的计算能力和存储资源。为了应对这个挑战，矿山巷道测量中通常需要配置高性能的计算机系统，包括多核CPU、大内存和高速硬盘。此外，使用并行计算和分布式计算方法可以加速数据处理过程。其次，数据存储也是一个重要问题，因为点云数据通常需要大量的存储空间。存储大规模的点云数据需要足够的硬盘容量，而且数据备份和管理也需要考虑。一种解决方案是使用高容量的网络附加存储设备（NAS）或云存储服务来存储点云数据，还需要建立有效的数据管理和维护流程，以确保数据的安全性和可访问性。最后，数据处理过程中还需要考虑数据的清洗、滤波、配准和模型生成等多个步骤，这需要使用适当的数据处理软件和算法。选择适用于点云数据处理的专业软件工具和算法是至关重要的。