三維激光掃描儀在空區測量中的運用

羅 平

（玉溪大紅山礦業有限公司，云南 玉溪 653405）

玉溪大紅山礦業有限公司淺部熔巖鐵礦露天采礦工程于2011 年初建成投產，開采礦體為淺部Ⅱ5、Ⅲ2 等鐵礦體，目前境界內保有B+C+D 級地質資源儲量3059 萬t，地質品位TFe19.50%，設計采出礦石量約3006 萬t。玉溪大紅山礦業有限公司淺部熔巖鐵礦露天采礦工程建成前，已形成部分采空區。一部分是1993 年～1999 年間民采形成的采空區，該部分空區處于勘探線A28～A39 之間，在露天采場的東北邊，標高約在800m ～900m 間，；另一部分是2005 年前淺部10 萬t/a 采礦工程開采形成的空區，空區處于A28～A33 之間，分布標高約在750m ～970m 之間，全部分部在露天開采區域內。

隨著露天生產不斷推進，生產臺階下降，采場臺階與采空區越來越近，嚴重影響生產安全，為及時、準確治理采空區，需要快速精準測量繪制采空區現狀圖，掌握采空區空間位置，確保露天采礦安全。由于玉溪大紅山礦業有限公司淺部熔巖鐵礦露天采礦工程采空區形成時間早，分布不規律，資料不齊全完整，巷道斷面小，長久無人維護，空區內有毒有害氣體超標；空區垮塌嚴重，頂板邊幫浮石多；空間狹小，位置不清等不利因素，若采用常規測量（經緯儀加鋼尺加塔尺、全站儀加鋼尺等）方法測量采空區，, 測量難度大，存在較大安全風險，效力低，測量人員勞動強度大，測量數據處理成圖速度慢，造成采空區治理滯后，嚴重影響制約了露天礦生產，給露天礦生產造成較大安全隱患；為解決空區測量問題，玉溪大紅山礦業有限公司引入能對采空區進行快速掃描測量，準確測量采空區位置、形態、體積計算等情況的OptechCMS V400 三維激光掃描儀。

1 Optech CMS V400三維激光掃描儀介紹

本礦采用加拿大Optech CMS V400 空區三維掃描激光掃描儀。技術參數：激光類型：一級激光(FDA 21 CFR 1040) ；距離分辨率：1mm ；角度分辨率：0.1° ；測距精度：±2cm ；掃描頭重量：5.4kg ；儀器尺寸：398×157×122mm ；掃描范圍：500 m@90% 反射率目標，200 m@20% 反射率目標；控制界面：防水筆記本，可遙控操作，人站在安全區域對設備進行遙控；每次掃描點數（1×1 度）：52200 點；掃描視場：360° x290° ；工作溫度：-10℃～+50℃；儲存溫度：-40℃～+50℃；電源：24V可充電電池，或者24V 交、直流轉換器接入。利用激光測距適時獲取實體的點云數據，通過對海量點云數據處理，復建出高精度三維實體模型。并結合坐標控制，對比分析數據，得到采空區的實體空間形態。近年來，隨著對三維掃描激光掃描儀的熟悉，礦業公司將三維激光技術逐漸應用于采礦工程巷道、硐室及采空區掃描，改善了測量條件，提高了測量效力。

2 測量目的

2.1 采空區測量調查

利用Optech CMS V400 空區三維激光掃描儀，可以在較短時間內（一站掃描時間7 分鐘，目前露天礦礦的采空區5 站內可以掃描完成）采空區三維數據進行掃描和獲取，整個過程高效、精確，對于采空區賦存環境無破壞作用。通過軟件處理，可以快速建立采空區三維模型，與采礦設計和開采臺階現狀進行對比分析，以科學的手段分析采空區對生產的安全影響，為及時治理采空區提供依據。

2.2 指導采場生產工作

傳統的生產驗收測量主要使用的儀器主要的全站儀，經緯儀和測距儀等工具，工序繁瑣、搬站頻繁，準確性受人為因素影響較大，并且人員需要進入危險區域，其安全性也是一大問題，人員設備配置較多。利用三維激光掃描技術可以實現高精度驗收測量、人員在安全的區域操作，可以精確計算采空區體積、采礦量及采空區回填方量，為后續回填治理設計提供科學依據，既保證了驗收效率和精度，又確保了生產工作安全順利進行。

2.3 采礦設計和管理工作

三維激光掃描設備作為一種測量工具，大大提高了測量效率，加快測量圖件成圖速度，為地質、采礦行業的基礎設計快速提供基礎資料，有效降低開采損失，提高采礦效率。通過真實的三維地質模型數據（需要地質的配合，測量提供準確的掃描模型）可以獲取井下空間三維形態，結合采礦設計等，對采礦設計提供依據。

3 露天采空區測量

露天采空區采用水平支撐掃描法：采空區掃描測量采用水平桿升入采空區里面，由掃描頭上的集成非接觸式紅外線激光測距儀、可視化激光定位儀、11m 長支撐桿、手持操控器、電腦軟件等工具進行測量。

根據露采平臺下降速度及現場采空區揭露情況，首先在露天采場圈定采空區范圍坐標，然后在開采復合圖里明確采空區范圍。后期利用開采臺階或爆破鉆孔探測采空區的邊界，采用水平支撐掃描法把儀器送入采空區內部進行掃描，測量過程需要全站儀配合傳遞三維坐標。在掃描儀探頭中心及水平伸桿上放置反光覘標，用全站儀測量出兩點的三維坐標，輸入掃描儀測量控制軟件中以達到絕對坐標傳遞的過程，這樣測量出來的點云數據就直接帶絕對坐標（見圖1），通過專業建模軟件可以形成三維立體的測量模型（見圖2）進行分析。

圖1 掃描點云數據

如圖2 所示，本次通過5 站測量，完成露天淺部熔巖鐵礦950 水平以下空區測量，圖中黑色區域為此次測量的成果區域，同時生成的立體三維模型，真實反映了采空區的實際現狀，為后期空區治理設計，提供了有力的技術支持。本次測量第一站測量空區體積為1100.5m3，其余三站測量空區體積為7045.3m3，頂板厚度25m。同年9 月份露天采礦協作單位結合以上測量空區資料，成功實施了該區域的空區治理，為采礦生產安全提高了保障。

圖2 空區模型

4 結論

（1）三維激光掃描儀能安全、快速、高效精準測量出采空區空間模型、幾何形態和空間位置，配合地質、采礦等相關專業軟件，將加快礦業公司數字礦山建設，可快速提高測量圖件，建立礦山三維模型，準確獲取所需實體空間信息，為采礦、空區治理設計提供依據，提高礦石回采率，降低炸藥成本，優化車輛調度。

（2）三維激光掃描儀用于采空區、溜井、硐室等受限空間測量其空間形態及超欠挖量，可輕松獲取超欠挖數據，分析超欠挖偏差；詳細掌握溜井、硐室等空間信息，使得采掘計劃、溜井管理、溜井檢修及硐室施工變得更安全、可靠可行。

（3）相較傳統測量方法，三維激光掃描儀減少測量人員進入采空區、溜井、硐室等受限空間，保證了測量人員安全；獲取采空區、溜井、硐室等受限空間信息的速度更快，減少測量作業時間、測量人員及提交測量成果時間，提高了測量效力。

（4）三維激光掃描儀在公司普及使用后，能準確計算空區體積，避免空區充填材料積壓太多，造成資金積壓，為公司降低生產成本提供了依據。