I-Site XR3 三維激光掃描儀在某礦山采空區(qū)測量中的應用

周先，周建華

(青海鴻豐偉業(yè)礦產(chǎn)投資有限公司， 青海 海西州 817000)

1 礦山概況

某矽卡巖型低品位鐵多金屬礦，經(jīng)多年小規(guī)模開采，在該礦山3200 m 中段4 線至10 線形成了大量采空區(qū)，開采過程中未及時對采空區(qū)進行實測成圖和治理[1]。近年來隨著鐵礦石價格上升，經(jīng)可行性研究分析，該礦具備了大規(guī)模開發(fā)的市場條件。為回采3200 m 中段采空區(qū)上部、3250 m 中段、?3300 中段和采空區(qū)上下盤礦石，制定合理的采礦設計方案，需要對采空區(qū)進行準確測量。使用傳統(tǒng)測量儀器實測需要測量人員深入采空區(qū)，由于采空區(qū)形成時間長，空區(qū)高度高，頂板暴露面積大，無法保障測量工作的安全。I-Site XR3 三維激光掃描儀是能夠快速準確感知的大范圍遠程測量系統(tǒng)，在地下采空區(qū)測量中利用手簿遠程操控對空區(qū)空間形態(tài)進行掃描，能夠準確獲取采空區(qū)空間幾何特征的點云數(shù)據(jù)。因此，采用I-site XR3 三維激光掃描儀對該礦山的采空區(qū)進行了測量，以保障后續(xù)生產(chǎn)的安全。

2 采空區(qū)實測

2.1 數(shù)據(jù)采集

某礦山3200 m 中段經(jīng)多年無序開采，形成大量采空區(qū)并遺留較多未回采的礦體，經(jīng)生產(chǎn)探礦探明3200 m 中段所遺留的殘礦體仍具有較高的回采價值；但遺留的采空區(qū)分布不規(guī)律、資料不齊全、長期無人維護，空區(qū)局部垮塌嚴重，頂板邊幫浮石多，若采用常規(guī)測量方法獲取采空區(qū)三維空間形態(tài)，測量難度較大，人員安全無法保障，獲取數(shù)據(jù)不全面。

為準確掌握采空區(qū)三維空間形態(tài)，在3200 m中段采空區(qū)附近巷道已有控制點利用三腳架架設I-Site XR3 三維激光掃描儀設置首站，在已知控制點架設三維激光掃描儀定位、定向，采用類似于全站儀后視測量的方式直接測量絕對坐標，保證架設點獲取掃描點云數(shù)據(jù)在平面上與已知控制點位置相對應。

通過手簿與三維激光掃描儀無線鏈接，建立采空區(qū)測量作業(yè)名稱，輸入測站點、后視點坐標和儀器高等，調(diào)整三維激光掃描儀使指向激光準確對準后視點設置方位角，應用數(shù)據(jù)采集及掃描檔位設置（即掃描時間，點間距和測量區(qū)域）功能實現(xiàn)在控制點基礎上對首站附近的空間進行掃描，獲取空間形態(tài)點云數(shù)據(jù)，在確保后續(xù)站點中采集的空間點云數(shù)據(jù)與前一站點具有30%重合度的情況下，可任意架站掃描獲取其他站點的空間物體點云數(shù)據(jù)信息，節(jié)約人員設置測站點、后視點、儀器量高的時間，提高測量效率。

在每站掃描獲取點云數(shù)據(jù)后，即時在手簿中查看每兩站的點云數(shù)據(jù)是否具有30%的重合度，避免前后兩個站點采集的空間點云數(shù)據(jù)重合度達不到30%的要求而返工。

2.2 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理時，將數(shù)據(jù)從手簿導出，通過I-Site Studio 后處理軟件“文件”中的“導入”功能，導入點云數(shù)據(jù)至軟件中。已知點架設首站獲取的點云文件可直接通過“按名稱匹配”來完成采空區(qū)所在絕對坐標系的準確匹配；而后續(xù)站點獲取的點云數(shù)據(jù)，則根據(jù)已知坐標的點云數(shù)據(jù)為基準，應用“全局匹配”功能實現(xiàn)在30%以上重合度的前后兩站點云數(shù)據(jù)拼接，使其擬合拼接成連續(xù)的、完整的空間點云數(shù)據(jù)[2?3]。

點云數(shù)據(jù)完整拼接后，數(shù)據(jù)中會存在大量的噪點數(shù)據(jù)，可應用“過濾器”功能一次性去除，并且將與空區(qū)連接的巷道點云數(shù)據(jù)剔除，最終形成采空區(qū)真實的空間形態(tài)的點云數(shù)據(jù)[4?5]。

拼接完整后的點云數(shù)據(jù)根據(jù)繪圖軟件可分類導出與之相兼容的數(shù)據(jù)文件，提高點云數(shù)據(jù)的通用性。

2.3 模型建立、體積計算及邊界生成

本次實測工作共獲取3200 m中段采空區(qū)31 567個有效點云數(shù)據(jù)（見圖1），通過I-Site Studio 后處理軟件模型建立功能進行點云數(shù)據(jù)空間點三角網(wǎng)連接，進而創(chuàng)建模型，應用軟件驗證分析是否存在無相交、開方邊等現(xiàn)象，最終形成真實反映采空區(qū)形態(tài)的三維立體模型（見圖2）[6?8]。經(jīng)軟件計算得出4～6 線采空區(qū)體積為5143.399 m3，6～8線采空區(qū)體積為50 213.600 m3，8～10 線采空區(qū)體積為20 394.354 m3。在采空區(qū)三維立體模型的基礎上可任意創(chuàng)建采空區(qū)各水平平面圖、剖面圖等圖形，能準確反映出采空區(qū)形態(tài)、位置關系等，能夠充分滿足采礦方案設計的需要。

圖1 某礦山3200 m 中段采空區(qū)點云數(shù)據(jù)

圖2 某礦山3200 m 中段采空區(qū)模型

2.3 測量數(shù)據(jù)應用

將I-Site XR3 三維激光掃描儀實測的空區(qū)模型嵌入三維數(shù)字礦山軟件生成的巷道和礦體模型后，通過任意切割剖面能準確反應出3200 m 中段開采現(xiàn)狀，如圖3、圖4 所示，能夠為相鄰中段采礦設計提供準確的空間數(shù)據(jù)信息，有利于制定出合理的采礦設計方案和安全措施，保障下一步采礦生產(chǎn)的安全。

圖3 3200 m 中段6 線剖面

圖4 3200 m 中段8 線剖面

3 結論

I-Site XR3 三維激光掃描儀在某鐵多金屬礦的應用，解決了該礦山多年來使用傳統(tǒng)測量儀器無法實測采空區(qū)的難題，完成了3200 m 中段4 線～10線走向長達400 m，采高8～42 m 的采空區(qū)實測工作，為下一步3200 m 中段殘礦體回采和3250 m、3300 m 中段礦體開采制定安全、合理的方案提供了準確的基礎數(shù)據(jù)。