三維激光掃描技術(shù)在溜井測(cè)量中的應(yīng)用

趙昕，李薇，邰賀，高爽

(沈陽(yáng)市勘察測(cè)繪研究院有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110004)

1 引 言

隨著科技的進(jìn)步，測(cè)繪行業(yè)不斷涌現(xiàn)出新技術(shù)，三維激光掃描技術(shù)就是其中一種，該技術(shù)是繼GPS技術(shù)之后的又一次技術(shù)革新。三維激光掃描技術(shù)運(yùn)用了非接觸式、高精度地對(duì)被測(cè)物體進(jìn)行快速掃描測(cè)量，獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)的“實(shí)景復(fù)制技術(shù)”[1]。

礦山主溜井在長(zhǎng)期的使用過(guò)程中，不斷受到礦石的沖擊作用以及自然的侵蝕作用，必然會(huì)在一些地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域發(fā)生破損垮塌，一個(gè)位置的垮塌，很有可能造成整體的“多米諾骨牌效應(yīng)”，使整個(gè)溜井發(fā)生大面積的垮塌，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)影響到整個(gè)礦山的生產(chǎn)。某礦2號(hào)溜井是地下采礦廠礦石溜井，2015年建成投入使用，累計(jì)放礦量約300萬(wàn)噸。溜井使用過(guò)程中，根據(jù)溜井儲(chǔ)礦量，礦石塊度等情況判斷，2號(hào)溜井自2017年6月開始，發(fā)生過(guò)幾次不同程度的垮冒現(xiàn)象，但未影響其正常使用，也未發(fā)現(xiàn)其對(duì)周邊工程造成任何影響。為了準(zhǔn)確掌握2號(hào)溜井井筒斷面形狀，評(píng)估井筒垮塌程度及安全狀況。本文采用三維激光掃描系統(tǒng)對(duì)2號(hào)溜井進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，為2號(hào)溜井的使用管理、運(yùn)行維護(hù)、安全評(píng)估、分析治理等提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和科學(xué)依據(jù)。

2 三維數(shù)據(jù)采集

2.1 儀器介紹

本次溜井測(cè)量設(shè)備采用英國(guó)MDL公司先進(jìn)的空腔自動(dòng)掃描激光系統(tǒng)。C-ALS是一款微型的耐用三維激光掃描系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)空穴和空腔的安全、快速、精確地掃描測(cè)量。

C-ALS儀器激光探頭直徑僅為50 mm，使得它可以輕易沿鉆孔到達(dá)難以接近的地下空腔內(nèi)。C-ALS采用馬達(dá)驅(qū)動(dòng)雙軸掃描探頭，可以有效地保證儀器進(jìn)行360°旋轉(zhuǎn)掃描，最大掃描距離達(dá) 150 m，使得掃描能均勻覆蓋整個(gè)空間，示意圖如圖1所示。C-ALS探頭整合了傾斜、轉(zhuǎn)動(dòng)、陀螺儀等傳感器，這些傳感器保證了激光掃描點(diǎn)云定向和定位的準(zhǔn)確性[2，3]。使用C-ALS三維激光掃描系統(tǒng)進(jìn)行360°旋轉(zhuǎn)掃描時(shí)，可通過(guò)設(shè)置較低的增量數(shù)值，獲得密集、高精度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

圖1 C-ALS三維激光掃描系統(tǒng)原理示意圖

2.2 掃描實(shí)施

由于2號(hào)溜井縱跨0 m、-50 m、-100 m和 -150 m四個(gè)中段，高程超過(guò) 130 m，綜合考慮測(cè)量人員、測(cè)量設(shè)備的安全以及能取得良好的掃描效果，掃描工作分兩段進(jìn)行。第一段掃描從 0 m中段的溜井頂部，將C-ALS三維激光掃描系統(tǒng)的激光探頭通過(guò)溜井施工時(shí)的天井鉆機(jī)導(dǎo)向孔往下緩慢放至溜井中進(jìn)行掃描。

完成前段掃描后，將設(shè)備放置在-100 m中段2號(hào)溜井斜溜槽口，掃描前在溜井格篩上安裝工作平臺(tái)，往斜溜槽內(nèi)安裝導(dǎo)向管，導(dǎo)向管為井下充填使用的高分子管，通過(guò)導(dǎo)向管下放掃描探頭進(jìn)行了掃描測(cè)量。

在-100 m～150 m中段掃描一共進(jìn)行了兩次。第一次在掃描過(guò)程中，由于溜井內(nèi)粉塵較大，造成掃描效果不理想。生產(chǎn)大爆破結(jié)束后，停止溜井放礦，使溜井內(nèi)粉塵降低，隨后從導(dǎo)向管中下放激光探頭進(jìn)行第二次掃描，通過(guò)對(duì)溜井 -100 m～ -150 m中段掃描，獲取了這段豐富點(diǎn)云數(shù)據(jù)。通過(guò)這兩階段的掃描工作獲取了這條溜井的完整點(diǎn)云數(shù)據(jù)。C-ALS三維激光掃描系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)掃描方式如圖2所示。

圖2 C-ALS三維激光掃描系統(tǒng)作業(yè)方式示意圖

3 數(shù)據(jù)處理

3.1 原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

對(duì)2號(hào)溜井進(jìn)行三維激光掃描測(cè)量后，需要對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。C-ALS三維激光掃描系統(tǒng)采集的原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)是通過(guò)Cavity Scan專業(yè)軟件進(jìn)行處理并生成點(diǎn)云圖[4，5]。生成的點(diǎn)云圖效果如圖3所示。厘米級(jí)的點(diǎn)密度呈現(xiàn)出溜井真實(shí)的地質(zhì)情況，這就為后期的分析、治理提供了精確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

圖3 2號(hào)溜井掃描后點(diǎn)云圖

3.2 溜井三維實(shí)體建模

由于Cavity Scan軟件是C-ALS三維掃描儀的專業(yè)配套軟件，但其通用性較差，不能隨意對(duì)三維模型進(jìn)行查看與操作，且沒(méi)有三維實(shí)體顯示，使得不能直觀地反映出2號(hào)溜井的空間信息。因此先通過(guò)Cavity Scan軟件對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)镾urpac軟件能夠支持的線文件，用生成的線文件，采用Surpac軟件進(jìn)行三維實(shí)體建模，最終得到三維實(shí)體模型[6，7]。通過(guò)Surpac軟件建立的三維實(shí)體模型，可以進(jìn)行直觀的空間關(guān)系顯示以及相應(yīng)的操作，為溜井現(xiàn)狀分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐，其轉(zhuǎn)換文件和三維實(shí)體模型如圖4、圖5所示。

圖4 原始點(diǎn)云文件轉(zhuǎn)換Surpac文件 圖5 2號(hào)溜井三維模型

4 成果分析

4.1 溜井與其他工程空間關(guān)系

因?yàn)榱锞钠茐臅?huì)威脅到周邊工程的安全狀態(tài)，通過(guò)對(duì)溜井與周邊工程關(guān)系的分析，評(píng)估溜井對(duì)周邊工程的危害程度，為人員作業(yè)安全和溜井的運(yùn)行狀況、治理提供依據(jù)，實(shí)測(cè)的2號(hào)溜井與1號(hào)溜井及各中段的空間關(guān)系如圖6所示。

圖6 2號(hào)溜井、1號(hào)溜井及各中段設(shè)計(jì)位置關(guān)系圖

從圖7所示的空間關(guān)系可以看出，2號(hào)溜井發(fā)生了垮塌現(xiàn)象。主要集中在 -100 m～-150 m段，垮塌尺寸較其他位置大，垮塌位置為斜溜槽對(duì)面。-100 m中段以上井筒相對(duì)較完整，局部垮塌位置在-43 m～-49 m標(biāo)高處。此次掃描測(cè)量未發(fā)現(xiàn)2號(hào)溜井與1號(hào)溜井存在相互貫通現(xiàn)象。

圖7 實(shí)測(cè)2號(hào)溜井與1號(hào)溜井及各中段位置關(guān)系圖

4.2 剖面圖輸出與分析

通過(guò)對(duì)2號(hào)溜井實(shí)測(cè)模型進(jìn)行縱向剖面輸出，以便更加直觀與準(zhǔn)確分析2號(hào)溜井的空間形態(tài)情況，以及垮塌范圍與周邊工程間關(guān)系。

2號(hào)溜井實(shí)測(cè)模型縱剖面輸出有：2號(hào)溜井五個(gè)方向的縱剖面如圖8所示，2號(hào)溜井與1#溜井中心線剖面與各個(gè)中段斜溜槽中心剖面如圖9所示。從五個(gè)方向的剖面圖可以得出，2號(hào)溜井各個(gè)中段位置發(fā)生的垮塌程度不一，實(shí)測(cè)模型距離1號(hào)井筒壁最小距離為 10.85 m。暫未對(duì)1號(hào)溜井造成安全影響。

圖8 2號(hào)溜井實(shí)測(cè)模型各方向縱剖面圖

圖9 2號(hào)溜井實(shí)測(cè)模型與設(shè)計(jì)1號(hào)溜井縱剖面圖

4.3 平面圖輸出與分析

通過(guò)對(duì)2號(hào)溜井實(shí)測(cè)模型進(jìn)行橫向剖面輸出，典型橫剖面如圖10所示。從溜井縱橫剖面圖可以看出 -100 m中段以上部分整體較完好，垮塌范圍距離設(shè)計(jì)井筒壁平均距離約 1 m左右。-100 m～-150 m中段為2號(hào)溜井主要垮塌段，通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)井筒和實(shí)測(cè)井筒進(jìn)行水平剖面計(jì)算，可以得出最大垮塌尺寸 4.2 m，等效直徑 8.8 m。

圖10 2號(hào)溜井實(shí)測(cè)與設(shè)計(jì)橫向斷面圖

4.4 數(shù)據(jù)分析

采用C-ALS三維激光掃描系統(tǒng)對(duì)2號(hào)溜井進(jìn)行掃描測(cè)量，并建立2號(hào)溜井實(shí)測(cè)與設(shè)計(jì)模型。通過(guò)對(duì)輸出縱、橫剖面圖，井筒參數(shù)計(jì)算等數(shù)據(jù)分析，并對(duì)這些數(shù)據(jù)匯總得表1、表2，圖11、圖12：

2號(hào)溜井實(shí)測(cè)模型20 m間隔實(shí)測(cè)體積和垮塌體積統(tǒng)計(jì) 表1

圖11 2號(hào)溜井實(shí)測(cè)模型每20 m段高設(shè)計(jì)、實(shí)測(cè)、垮塌體積對(duì)比圖

2號(hào)溜井實(shí)測(cè)模型各中段參數(shù)統(tǒng)計(jì) 表2

圖12 2號(hào)溜井實(shí)測(cè)模型各中段間實(shí)測(cè)體積和垮塌體積對(duì)比圖

(1)2號(hào)溜井在不同中段的井壁都存在垮塌現(xiàn)象，總垮塌量為 2 155 m3，0 m～-50 m段平均垮塌面積 15.25 m2，實(shí)測(cè)此段垮塌尺寸為 0.86 m，垮塌量占總量的35.2%。在 -43 m～-49 m處垮塌，最大垮塌部位為 -47 m處，垮塌尺寸為 3.61 m，斷面面積為 72.57 m2。此段區(qū)域垮塌范圍不大，并且筒壁基本較完整，因此可以判斷該段井筒穩(wěn)定較好，暫不會(huì)對(duì)周邊工程造成安全影響。

(2)-50 m～-100 m段平均垮塌面積 8.34 m2，實(shí)測(cè)此段垮塌尺寸為 0.15 m，垮塌量占總量19.4%。該段井壁完整性最好，主要是處于中部，礦山下落過(guò)程中對(duì)井壁的撞擊較小。

(3)-100 m～-150 m段垮塌現(xiàn)象最嚴(yán)重，平均垮塌面積 28.79 m2，實(shí)測(cè)此段垮塌尺寸為 2.48 m，垮塌量占總量45.4%。主要垮塌部位出現(xiàn)在 -110 m～-130 m，最大垮塌部位為 -126 m處，垮塌尺寸為 4.24 m，斷面面積為 60.26 m2。在底部斜溜槽正對(duì)面為垮塌核心區(qū)，但對(duì)周邊工程安全造成影響。

(4)此外，2號(hào)溜井垮塌處與1號(hào)溜井(未啟用)最近距離大概 10 m，符合設(shè)計(jì)的安全距離，暫不會(huì)對(duì)自身及周邊工程造成安全影響。

5 結(jié) 論

本文通過(guò)C-ALS三維激光掃描系統(tǒng)對(duì)某礦2號(hào)溜井進(jìn)行了全方位掃描，獲取了準(zhǔn)確的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。通過(guò)對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)解算、處理與建模分析，得到了溜井的實(shí)際空間形態(tài)，詳細(xì)分析了2號(hào)溜井不同斷面處的垮塌量，通過(guò)垮塌量計(jì)算可以得到2號(hào)溜井的實(shí)際外形以及需要修復(fù)的體積，為溜井安全治理和維修設(shè)計(jì)提供可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)，保證作業(yè)工人和設(shè)備的安全，三維激光掃描技術(shù)成為溜井測(cè)量監(jiān)測(cè)的一種科學(xué)可行的解決方案。