I-Site XR3 三維激光掃描儀在某礦山采空區測量中的應用

周先，周建華

(青海鴻豐偉業礦產投資有限公司， 青海 海西州 817000)

1 礦山概況

某矽卡巖型低品位鐵多金屬礦，經多年小規模開采，在該礦山3200 m 中段4 線至10 線形成了大量采空區，開采過程中未及時對采空區進行實測成圖和治理[1]。近年來隨著鐵礦石價格上升，經可行性研究分析，該礦具備了大規模開發的市場條件。為回采3200 m 中段采空區上部、3250 m 中段、?3300 中段和采空區上下盤礦石，制定合理的采礦設計方案，需要對采空區進行準確測量。使用傳統測量儀器實測需要測量人員深入采空區，由于采空區形成時間長，空區高度高，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，在地下采空區測量中利用手簿遠程操控對空區空間形態進行掃描，能夠準確獲取采空區空間幾何特征的點云數據。因此，采用I-site XR3 三維激光掃描儀對該礦山的采空區進行了測量，以保障后續生產的安全。

2 采空區實測

2.1 數據采集

某礦山3200 m 中段經多年無序開采，形成大量采空區并遺留較多未回采的礦體，經生產探礦探明3200 m 中段所遺留的殘礦體仍具有較高的回采價值；但遺留的采空區分布不規律、資料不齊全、長期無人維護，空區局部垮塌嚴重，頂板邊幫浮石多，若采用常規測量方法獲取采空區三維空間形態，測量難度較大，人員安全無法保障，獲取數據不全面。

為準確掌握采空區三維空間形態，在3200 m中段采空區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據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，建立采空區測量作業名稱，輸入測站點、后視點坐標和儀器高等，調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，應用數據采集及掃描檔位設置（即掃描時間，點間距和測量區域）功能實現在控制點基礎上對首站附近的空間進行掃描，獲取空間形態點云數據，在確保后續站點中采集的空間點云數據與前一站點具有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據信息，節約人員設置測站點、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據后，即時在手簿中查看每兩站的點云數據是否具有30%的重合度，避免前后兩個站點采集的空間點云數據重合度達不到30%的要求而返工。

2.2 數據處理

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

點云數據完整拼接后，數據中會存在大量的噪點數據，可應用“過濾器”功能一次性去除，并且將與空區連接的巷道點云數據剔除，最終形成采空區真實的空間形態的點云數據[4?5]。

拼接完整后的點云數據根據繪圖軟件可分類導出與之相兼容的數據文件，提高點云數據的通用性。

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31 567個有效點云數據（見圖1），通過I-Site Studio 后處理軟件模型建立功能進行點云數據空間點三角網連接，進而創建模型，應用軟件驗證分析是否存在無相交、開方邊等現象，最終形成真實反映采空區形態的三維立體模型（見圖2）[6?8]。經軟件計算得出4～6 線采空區體積為5143.399 m3，6～8線采空區體積為50 213.600 m3，8～10 線采空區體積為20 394.354 m3。在采空區三維立體模型的基礎上可任意創建采空區各水平平面圖、剖面圖等圖形，能準確反映出采空區形態、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 中段采空區點云數據

圖2 某礦山3200 m 中段采空區模型

2.3 測量數據應用

將I-Site XR3 三維激光掃描儀實測的空區模型嵌入三維數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據信息，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測量儀器無法實測采空區的難題，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據。