三維激光掃描技術在溜井測量中的應用

趙昕，李薇，邰賀，高爽

(沈陽市勘察測繪研究院有限公司，遼寧 沈陽 110004)

1 引 言

隨著科技的進步，測繪行業不斷涌現出新技術，三維激光掃描技術就是其中一種，該技術是繼GPS技術之后的又一次技術革新。三維激光掃描技術運用了非接觸式、高精度地對被測物體進行快速掃描測量，獲取點云數據的“實景復制技術”[1]。

礦山主溜井在長期的使用過程中，不斷受到礦石的沖擊作用以及自然的侵蝕作用，必然會在一些地質構造區域發生破損垮塌，一個位置的垮塌，很有可能造成整體的“多米諾骨牌效應”，使整個溜井發生大面積的垮塌，嚴重時可能會影響到整個礦山的生產。某礦2號溜井是地下采礦廠礦石溜井，2015年建成投入使用，累計放礦量約300萬噸。溜井使用過程中，根據溜井儲礦量，礦石塊度等情況判斷，2號溜井自2017年6月開始，發生過幾次不同程度的垮冒現象，但未影響其正常使用，也未發現其對周邊工程造成任何影響。為了準確掌握2號溜井井筒斷面形狀，評估井筒垮塌程度及安全狀況。本文采用三維激光掃描系統對2號溜井進行現場測量，為2號溜井的使用管理、運行維護、安全評估、分析治理等提供基礎數據和科學依據。

2 三維數據采集

2.1 儀器介紹

本次溜井測量設備采用英國MDL公司先進的空腔自動掃描激光系統。C-ALS是一款微型的耐用三維激光掃描系統，可以實現空穴和空腔的安全、快速、精確地掃描測量。

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難以接近的地下空腔內。C-ALS采用馬達驅動雙軸掃描探頭，可以有效地保證儀器進行360°旋轉掃描，最大掃描距離達 150 m，使得掃描能均勻覆蓋整個空間，示意圖如圖1所示。C-ALS探頭整合了傾斜、轉動、陀螺儀等傳感器，這些傳感器保證了激光掃描點云定向和定位的準確性[2，3]。使用C-ALS三維激光掃描系統進行360°旋轉掃描時，可通過設置較低的增量數值，獲得密集、高精度的點云數據。

圖1 C-ALS三維激光掃描系統原理示意圖

2.2 掃描實施

由于2號溜井縱跨0 m、-50 m、-100 m和 -150 m四個中段，高程超過 130 m，綜合考慮測量人員、測量設備的安全以及能取得良好的掃描效果，掃描工作分兩段進行。第一段掃描從 0 m中段的溜井頂部，將C-ALS三維激光掃描系統的激光探頭通過溜井施工時的天井鉆機導向孔往下緩慢放至溜井中進行掃描。

完成前段掃描后，將設備放置在-100 m中段2號溜井斜溜槽口，掃描前在溜井格篩上安裝工作平臺，往斜溜槽內安裝導向管，導向管為井下充填使用的高分子管，通過導向管下放掃描探頭進行了掃描測量。

在-100 m～150 m中段掃描一共進行了兩次。第一次在掃描過程中，由于溜井內粉塵較大，造成掃描效果不理想。生產大爆破結束后，停止溜井放礦，使溜井內粉塵降低，隨后從導向管中下放激光探頭進行第二次掃描，通過對溜井 -100 m～ -150 m中段掃描，獲取了這段豐富點云數據。通過這兩階段的掃描工作獲取了這條溜井的完整點云數據。C-ALS三維激光掃描系統現場掃描方式如圖2所示。

圖2 C-ALS三維激光掃描系統作業方式示意圖

3 數據處理

3.1 原始點云數據處理

對2號溜井進行三維激光掃描測量后，需要對原始數據進行處理。C-ALS三維激光掃描系統采集的原始點云數據是通過Cavity Scan專業軟件進行處理并生成點云圖[4，5]。生成的點云圖效果如圖3所示。厘米級的點密度呈現出溜井真實的地質情況，這就為后期的分析、治理提供了精確的基礎數據。

圖3 2號溜井掃描后點云圖

3.2 溜井三維實體建模

由于Cavity Scan軟件是C-ALS三維掃描儀的專業配套軟件，但其通用性較差，不能隨意對三維模型進行查看與操作，且沒有三維實體顯示，使得不能直觀地反映出2號溜井的空間信息。因此先通過Cavity Scan軟件對點云數據進行數據處理，將點云數據轉變為Surpac軟件能夠支持的線文件，用生成的線文件，采用Surpac軟件進行三維實體建模，最終得到三維實體模型[6，7]。通過Surpac軟件建立的三維實體模型，可以進行直觀的空間關系顯示以及相應的操作，為溜井現狀分析提供基礎數據支撐，其轉換文件和三維實體模型如圖4、圖5所示。

圖4 原始點云文件轉換Surpac文件 圖5 2號溜井三維模型

4 成果分析

4.1 溜井與其他工程空間關系

因為溜井的破壞會威脅到周邊工程的安全狀態，通過對溜井與周邊工程關系的分析，評估溜井對周邊工程的危害程度，為人員作業安全和溜井的運行狀況、治理提供依據，實測的2號溜井與1號溜井及各中段的空間關系如圖6所示。

圖6 2號溜井、1號溜井及各中段設計位置關系圖

從圖7所示的空間關系可以看出，2號溜井發生了垮塌現象。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面。-100 m中段以上井筒相對較完整，局部垮塌位置在-43 m～-49 m標高處。此次掃描測量未發現2號溜井與1號溜井存在相互貫通現象。

圖7 實測2號溜井與1號溜井及各中段位置關系圖

4.2 剖面圖輸出與分析

通過對2號溜井實測模型進行縱向剖面輸出，以便更加直觀與準確分析2號溜井的空間形態情況，以及垮塌范圍與周邊工程間關系。

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

圖8 2號溜井實測模型各方向縱剖面圖

圖9 2號溜井實測模型與設計1號溜井縱剖面圖

4.3 平面圖輸出與分析

通過對2號溜井實測模型進行橫向剖面輸出，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，垮塌范圍距離設計井筒壁平均距離約 1 m左右。-100 m～-150 m中段為2號溜井主要垮塌段，通過對設計井筒和實測井筒進行水平剖面計算，可以得出最大垮塌尺寸 4.2 m，等效直徑 8.8 m。

圖10 2號溜井實測與設計橫向斷面圖

4.4 數據分析

采用C-ALS三維激光掃描系統對2號溜井進行掃描測量，并建立2號溜井實測與設計模型。通過對輸出縱、橫剖面圖，井筒參數計算等數據分析，并對這些數據匯總得表1、表2，圖11、圖12：

2號溜井實測模型20 m間隔實測體積和垮塌體積統計 表1

圖11 2號溜井實測模型每20 m段高設計、實測、垮塌體積對比圖

2號溜井實測模型各中段參數統計 表2

圖12 2號溜井實測模型各中段間實測體積和垮塌體積對比圖

(1)2號溜井在不同中段的井壁都存在垮塌現象，總垮塌量為 2 155 m3，0 m～-50 m段平均垮塌面積 15.25 m2，實測此段垮塌尺寸為 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定較好，暫不會對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，實測此段垮塌尺寸為 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，礦山下落過程中對井壁的撞擊較小。

(3)-100 m～-150 m段垮塌現象最嚴重，平均垮塌面積 28.79 m2，實測此段垮塌尺寸為 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。在底部斜溜槽正對面為垮塌核心區，但對周邊工程安全造成影響。

(4)此外，2號溜井垮塌處與1號溜井(未啟用)最近距離大概 10 m，符合設計的安全距離，暫不會對自身及周邊工程造成安全影響。

5 結 論

本文通過C-ALS三維激光掃描系統對某礦2號溜井進行了全方位掃描，獲取了準確的點云數據。通過對點云數據解算、處理與建模分析，得到了溜井的實際空間形態，詳細分析了2號溜井不同斷面處的垮塌量，通過垮塌量計算可以得到2號溜井的實際外形以及需要修復的體積，為溜井安全治理和維修設計提供可靠的數據依據，保證作業工人和設備的安全，三維激光掃描技術成為溜井測量監測的一種科學可行的解決方案。