地面激光雷達在礦山斜坡移動變形測量中的應用研究

陳永健

（湖北煤炭地質物探測量隊，湖北 武漢 430200）

我國礦產資源開采向地下深部開采情況日益增加，對礦體移動變形問題雖然在國內外已有部分研究，本文充分考慮氣候條件對礦體斜坡變形的影響。研究礦區全年降雨量豐富，處于不穩定斜坡地帶的礦山，隨時都有坍塌、山體側移以及礦石掉落的危險。地面激光雷利用其發射出的激光束，探測目標的所在位置以及變化特征，是地理信息測繪技術中，不可缺少的系統之一。

隨著技術的變革與創新，目前設計的激光雷達，具有高分辨率、高隱蔽性、強抗干擾能力等特點[1]。針對礦山斜坡移動變形測量工作流程，將地面激光雷達應用到該工作中，通過獲取更為精準的變形信息，為保障礦山斜坡的穩定及安全，提供更可靠的技術支持。

1 激光雷達地面監測選點

測量礦山斜坡移動變形量，需要預先選定激光雷達的地面安裝位置。激光雷達又稱為LiDAR，可利用激光測距原理，確定礦山斜坡的空間位置。按照其工作內容，將LiDAR分為光學三角式、相位式以及脈沖式，此次研究以脈沖式LiDAR為研究對象。

脈沖式地面激光雷達，通常采用儀器自定義坐標系，該坐標系的X軸和Y軸在橫向掃描平面內互相垂直，而Z軸與橫向掃描平面垂直。利用該三維坐標系確定監測目標距離L，根據激光脈沖的垂直方向角θ、水平方向角β，結合目標的反射強度信息等多項測量信息，得到礦山斜坡的三維坐標信息，下列公式為激光雷達地面監測選點時，需要用到的礦山三維點計算公式：

根據上述公式，得到礦山的三維坐標點(x,y,z,q)，其中x、y分別表示水平橫坐標和水平縱坐標，z表示垂直坐標；q表示目標的反射強度。按照上述計算調整激光雷達對礦山斜坡的監測位置，最終得到的監測選點，如下圖1所示。

圖1 激光雷達地面監測選點示意圖

利用地面激光雷達，快速采集礦山一定監測范圍內高密度的點云數據，實現對礦山斜坡移動變形量的實時監測。需要注意的是布置的激光雷達地面監測選點，可能在施工時被破壞，該監測點位置并不是完全固定不可改變的，在實際應用過程中，可以根據施工任務及時調整監測選點[2]。

2 生成礦山三維模型

不考慮施工帶來的激光雷達地面監測選點變動問題，假設監測選點被最終確定，根據該測量位置監測礦山斜坡移動變形，利用激光雷達掃描整個監測區域，生成一個三維礦山模型。激光雷達在采集鉆孔數據時，根據實時監測信息繪制礦體剖面形態，確定礦體在空間上的大致賦存區域，展現其幾何形態和物理屬性特征，并通過局部放大和縮進，監測變形信息，從全局的角度，觀察礦山所處區域進入強降水季節后，斜坡的總體移動變形趨勢。

構建礦山三維模型，首先要建立鉆孔數據庫。建立鉆孔數據庫，須生成原始數據表，用來交換和調用原始數據。原始數據表由多項記錄組成，每一個記錄中，又包括多個信息段。原始數據是地質鉆孔的取樣分析成果，而建立鉆孔數據庫，需要依靠鉆孔定位表、鉆孔測斜表以及鉆孔化驗表。其中，鉆孔定位表用來描述鉆孔空間的位置信息；鉆孔測斜表用來描述鉆孔空間位置變化結果；鉆孔化驗表用來描述采樣信息及地質情況。將公司提供的鉆孔數據和資料，按要求編制，下表1、表2以及表3，為建立鉆孔數據庫的部分數據。

表1 鉆孔測斜結果

表2 鉆孔定位

表3 鉆孔化驗表

將上述所示三類數據表中的所有數據，導入到LiDAR監測系統中，得到鉆孔三維顯示標識，然后用不同的顏色，代表礦山礦石和圍巖的分級，利用礦體閉合輪廓線，生成礦山三維模型，該模型不僅僅能反映地面上的礦山斜坡的基本數據，還能反映礦山在地下的變化情況，實現對礦山斜坡移動變形量的可視化監測。

3 脈沖激光測量礦山斜坡移動變形量

利用地面激光雷達的脈沖激光，測量礦山斜坡移動變形量。已知工作環境、LiDAR系統參數的變化，都會影響脈沖激光測距結果，因此利用脈沖激光測距方程測量變形量時，需要滿足以下兩個條件：第一，脈沖激光發射準直光路照射礦山斜坡時，若光斑完全打在監測選點上，那么待測目標的面積，就會大于激光發射光束在待測目標上產生的光斑；若光斑部分打在監測選點上，那么形成的光斑小于目標的面積。因此根據該內容可以適當調整選點位置。第二，進行激光測量時，將它們近似看作漫反射，當入射角小于60°時，默認礦山為朗伯體，其遵循目標單位表面積，向指定方向立體角內，反射的輻射通量固定不變這一定律。確定上述兩個前提后，利用地面激光雷達發射激光光束至礦山監測選點，則其照度計算公式為：

公式中：P0表示發射激光束初始功率；γ1、γ2分別表示大氣透過率和LiDAR系統透過率；α表示激光光束相對于礦山平面的入射角；C表示激光光束照射到礦山表面后，形成的光斑面積。若礦山表面反射率為δ，則射后的回波光功率P1為：

激光雷達通過上述公式，對選點位置的礦山斜坡進行實時監測，根據發射的激光光束和返回的激光光束，確定礦山斜坡的實時狀態，并將該測量結果與事先在安全穩定情況下，構建的礦山三維模型進行對比，得到監測結果出現差異值的山體位置[3]。當礦山在水平方向上，連續5天日的平均位移速率超過2mm/d、5日累計位移超過10mm時，向監測中心發出一級預警；當連續5天日平均位移速率超過2.5mm/d、5日累計位移超過15mm時，向監測中心發出二級預警；當連續5天日平均位移速率超過4mm/d、5日累計位移超過20mm時，則向監測中心發出三級預警。按照上述研究內容，實現地面激光雷達在礦山斜坡移動變形測量中的應用。

4 結束語

在礦山斜坡移動變形測量中，利用此次研究的地面激光雷達應用方法，監測礦山的變形量，實現對礦山開采安全的有效保護。但此次研究受時間以及個人精力的限制，沒有考察應用地面激光雷達后的變形量監測效果，今后的研究與分析，可以在保證安全的情況下，對礦山斜坡移動變形程度進行實地調查，根據實際應用效果調整雷達監測位置，使測量結果更加真實、可靠。