三維激光掃描儀井下安全監測技術

張 達，王利崗

(北京礦冶研究總院，北京 100070)

引言

留礦法、空場法等礦山資源開采方法的使用使我國的許多礦山形成大量的采空區，如甘肅廠壩鉛鋅礦、廣東大寶山礦、廣西大廠鉛鋅礦、黑龍江西林鉛鋅礦、銅陵獅子山銅礦等。而且，長期以來許多民營礦山私挖亂采形成的大量空區群形態不一、錯綜復雜。另外，由于許多私營礦山的開采沒有經過正規設計或設計資料不全、遺失等，無法確定這些采空區的位置和具體邊界。受地壓及爆破震動等影響，這些未經處理的采空區會導致礦山開采狀態惡化，引起礦柱嚴重變形，相鄰采場及巷道維護難度加大，發生大面積冒落及地表塌陷等，這些已經成為目前影響礦山生產安全的重要危害源之一[1]。因此，科學地探明井下采空區的條件狀態和空間形狀，為空區安全治理和資源回采提供準確的設計依據，已成為保障礦區人民生命財產安全和礦山企業安全生產的迫切需要[2]。

目前，對于采空區的探測，通常是首先查閱采礦設計等相關資料并進行現場實地調查，然后利用現有的各種物探方法進行探測，最后以鉆孔探測的方法進行驗證。這些方法不僅成本高，而且只能得到鉆孔處的點數據。近年來新興的地球物理探測方法顯示出較強的地質信息揭示能力，主要有探地雷達法[3]、高密度電法[3-4]和三維激光掃描法[5]等，其中三維激光掃描法具有探測精度高、探測速度快、對周邊環境影響小等一系列優點，具有廣闊的應用空間。運用三維激光掃描這一新技術，可以精密測量空區的空間性狀和形態，通過實時數據分析，可以對井下空區變形等進行監測，為低成本、快速、準確安全地監測地下空區提供了可能。

1 空區三維激光掃描儀原理

三維激光掃描儀是一種集成多種高新技術的新型三維坐標測量儀器，采用非接觸式高速激光測量方式，以點云形式獲取被測對象表面的陣列式幾何圖形的三維數據，其工作原理如圖1所示。

圖1 三維激光掃描儀的測量原理

其核心技術為激光雷達技術(Laser Detect and Ranger，Ladar)，這是一種先進的主動傳感方法，它采用激光作為傳感的載體，通過發射受控制的激光來照射被測目標，然后接收被測目標的后向散射，根據激光的往返時間或者相位差來精確測定距離信息，即：

其中：s為待測距離，c為光速，t為激光的往返時間，而Φ為相位差。

采用相位差法能夠達到高的測量精度，但需要好的反射光才能夠測量，一般需要專用的合作目標(如激光跟蹤儀采用專用靶球)，在空區監測應用中難以使用。

目前三維激光掃描儀主要采用TOF脈沖測距法(Time of Flight)，即計算激光的往返時間，這是一種高速激光測時測距技術。采用脈沖測距法的三維激光點坐標計算方法如下：

圖2 采用脈沖測距法的三維點坐標

其中，s為三維激光掃描儀通過脈沖測距法得到的距離測量值，α和θ分別為由角度編碼器控制并同步測量的每個激光脈沖的軸向掃描角度測量值和徑向掃描角度測量值。三維激光掃描測量一般使用掃描儀內部的坐標系統，為三維立體坐標系，默認儀器中心位置坐標為(0，0，0)。

三維激光掃描測量儀在開始工作之前，會依據補償器自動設定初始位置，在已知儀器中心點坐標(x0、y0、z0)和儀器初始化方位θ(儀器初始化后初始方位與用戶坐標系中北方位夾角)的情況下，通過平移、旋轉，把觀測點的坐標數據換算至用戶坐標系統：

(Xn、Yn、Zn)為用戶坐標系中各測點的坐標。

每次觀測得到的空區大量觀測點的坐標數據以及對應每個測點的激光反射率數據稱之為點云數據。利用網格技術將點云坐標連接成曲面，就形成了觀測空區的三維圖像。當進行多期觀測時，就可以通過對多期圖像的變化分析求得空區的變形，當相鄰兩期觀測的空區圖像發生局部或大范圍變化時，可以推斷期間發生了巖壁垮落。

2 井下空區三維激光掃描儀及其特點

2.1 CMS空區監測系統

2.1.1 系統介紹和組成

20世紀90年代初,空區監測系統CMS(Cavity Monitoring System)由加拿大Noranda 技術中心和Optech公司共同研發，目前已經在全球各大礦山廣泛應用，并且已成為礦業發達國家地下采場和空區監測的重要手段，尤其是在人員無法進入的危險空區中，利用CMS可以進行有效地測量和監測。

CMS使用時，首先需將CMS放置在空區內的某一固定位置，然后對空區進行全方位掃描，采集空區邊界的三維點坐標(X，Y，Z)并儲存于CMS的內置存儲單元中。經過數據轉換后，可將坐標數據導入礦山專業軟件(如SURPAC， DATAMINE，VULCAN等) 生成采場或空區的三維模型。CMS體型較小，可通過直徑20 cm 左右的鉆孔將激光頭伸入到危險空區中進行探測，而操作人員則可以通過手持終端設備在安全的位置進行遙控操作。

2.1.2 CMS 原理及監測過程

使用CMS對空區進行測試前一般需對空區周邊現場進行安全檢查，尤其是操作人員需要進入的場地，確保人員的安全。CMS儀器為模塊化組件，安裝相對比較簡單。安裝時，首先將激光掃描頭固定在碳纖維材質的支架上，然后將它穩固安裝在空區的某一位置，該位置應盡量能掃描到空區的所有角落 (如圖3所示)。

圖3 CMS的操作方式

掃描結束后，需要對CMS采集到的數據進行處理，主要分3個步驟：

1)采用CMS激光掃描獲取空間點云數據，通過數據傳輸線從控制箱接收掃描到的數據，控制箱將點云數據以無線方式發送至手持終端，然后再將手持終端上的點云數據下載到后期數據處理計算機中；

2)點云數據被保存成“txt”格式的文本文件，一個點數據包括一個距離值和兩個角度值，采用系統自帶的軟件CMS PosProcess將文本文件轉換為通用格式文件，這樣就可以通過CAD軟件或礦山專業軟件(如SURPAC、DATAMINE等)處理并使用；

3)通過采用CMS專用的數據處理軟件QVOL處理經過轉換的點云數據，生成空區的三維圖形。通過3D網格獲得任何方向上的任意空區剖面，并自動計算空區體積和剖面面積。

2.2 C-ALS系統

2.2.1 系統介紹和組成

C-ALS(Cavity Auto Scanning Laser System)最早于1996年進入市場，是世界上第一款能通過地面上鉆孔對地下空區進行掃描的裝置，該儀器的性能已在很多條件惡劣的地下測量實踐中得到了驗證，并廣泛應用于全球各相關行業。空區激光自動掃描系統(C-ALS)包括硬件和軟件兩大部分。硬件部分包括探頭、鉆孔攝像頭、標準加長件、地面控制裝置、Boretrak探桿、絞架、通信電纜以及搬運箱等。其中Boretrak探桿是為了在磁性區域配置使用C-ALS而專門設計的，因為在磁性區域無法通過使用指南針來決定探頭朝向，在這種場合下，Boretrak探桿將為C-ALS提供最精確和穩定的定位方式[6]。C-ALS系統組件見圖4。

圖4 C-ALS系統組件

軟件部分主要是與C-ALS系統配套的遠程控制軟件C-ALS Control Software，其操作界面如圖5所示。

圖5 C-ALS控制軟件

2.2.2 C-ALS系統原理及監測過程

C-ALS系統的工作原理是根據激光的射出角度和探測距離值進行定位，激光從光源發射到某個目標表面并反射回來，用高頻數字電路測定其經歷的往返時間，并以此來計算光源和目標之間的距離，并通過角度編碼器等部件測定激光頭轉過的角度。空區激光自動掃描系統(C-ALS)依靠無線終端控制掃描頭采集數據，通過通信電纜傳輸到控制軟件中進行數據轉換和處理，生成空區的三維模型，也可以將數據導入SURPAC、VUL2CAN、DATAMINE等專業礦山數據處理軟件中，進行各種數值計算，并作為采礦設計和穩定性分析的依據，其工作流程見圖7。

圖7 三維激光掃描順序

3 國內三維激光掃描技術的發展

目前國內在三維激光掃描測量技術尤其是硬件技術方面的研究還相對落后，但也有了一些初步成果[7]。早在20世紀90年代，中國科學院遙感應用研究所的李樹楷教授主持研究了國內第一臺機載線掃描原理樣機，目前正在進一步改進和完善。武漢大學李清泉教授在2000年主持開發研制了地面激光掃描系統，但沒有集成定向系統，目前主要用于堆積測量。目前，國內還沒有成熟的三維激光掃描硬件系統，而國外三維激光掃描測量系統的價格依然非常昂貴。

國內針對礦山應用的三維激光掃描技術發展起步較晚，目前還停留在以使用國外相應產品為主的應用層面上，具有自主知識產權的井下空區三維激光掃描儀更是難覓蹤跡。2008年，為了滿足國內礦山行業日益增強的對三維激光掃描技術的應用需求，北京礦冶研究總院申請并成功實施了國家863計劃重點項目《千米深井地壓與高溫災害監測技術與裝備》中的課題《深井空區大變形及巖壁垮落激光掃描智能化監測技術與裝備》，針對井下空區變形監控等礦山應用自主研發了具有我國自主知識產權的井下空區變形監測三維激光掃描儀，該項目緊密結合我國礦山企業對井下空區變形精確監測和安全狀態獲取這一重要需求，廣泛調研國內外三維激光掃描技術發展現狀，借鑒已有技術模式，創造性地提出了變步距自適應空間分辨率掃描、掃描立方插值，補洞及匹配等三維激光掃描的關鍵技術，相對于國外同類產品，該項目研發的井下空區三維激光掃描儀具有全自動操作、探測距離遠、探測精度高、探測模式豐富、產品成本低等特點。目前該項目已經完成了產品試制，井下空區現場測試也正在緊鑼密鼓地進行，已經取得了一定的成果，同時，產品也在進一步進行改進和產品化定型，該系統的成功研究將填補國內空白，必將極大促進國內井下空區監測技術的發展，同時也會提高國內有關三維激光掃描測量技術的研發水平，促進這一技術在其他相關領域的應用和發展。

4 三維激光掃描技術在井下安全監測中的發展趨勢和展望

三維激光掃描儀的井下空區變形測量和安全監測應用是三維激光掃描技術的一種特定行業應用，其發展應與礦山行業的特點緊密結合，小型化、便攜式、遠距離、高精度、堅固可靠等是該項技術在礦山井下安全監測應用中的發展趨勢。

三維激光掃描測量技術為礦山采空區信息的獲取等應用場合提供了精確可靠的可視化數據，將空區體積、空區實際邊界、貧化損失等空區重要參數用具體的指標做表征，并且可以對空區巖壁垮落量等做精確計算，改變了以往靠主觀經驗估算的狀況，是井下空區安全監測的新興技術和重要手段。隨著礦山信息化的快速發展，三維激光掃描儀作為三維激光掃描技術的載體，必將在礦山井下安全監測中發揮越來越重要的作用。

[1]李庶林. 論我國金屬礦山地質災害與防治對策[J]. 中國地質災害與防治學報, 2002, 13 (4) : 44-48.

[2]劉敦文,古德生,徐國元. 地下礦山采空區處理方法的評價與優選[J]. 中國礦業, 2004, 13 (8) : 52-55.

[3]黃仁東,徐國元,劉敦文. 金屬礦隱患空區探測技術綜合分析[J]. 礦業研究與開發, 2006, 26 (z2) : 82-86.

[4]李夕兵,李地元,趙國彥,等. 金屬礦地下采空區探測、處理與安全評判[J]. 采礦與安全工程學報, 2006, 23 (1) : 24-29.

[5]過 江,羅周全,鄧 建,等．三維動態空區監測系統CMS在礦山的應用[J]．地下空間與工程學報, 2005, 1(7):994-996．

[6]Measurement Devices Limited, C-ALS DRAFT MANUAL V4.0, 2005.

[7]過 江，古德生，羅周全. 金屬礦山采空區3D激光探測新技術[J]．礦冶工程,2006，26(5): 16-19.